一种直驱式电液伺服压力控制系统的制作方法

本发明涉及液压设备技术领域，具体涉及一种电液伺服压力控制系统。

背景技术：

液压传动技术的发展决定着工程机械的发展，采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。液压控制系统的优点主要表现在：功率重量比大，体积小，频响高，压力、流量可控性好；有较好的抗干扰能力，易实现直线运动、无极调速等自动控制系统；结构紧凑、体积小、重量轻、承载能力强；反应快，动作灵敏等特点。近十年来在超大型、巨型工业或军事应用系统中对液压伺服系统诸如快速、大功率、高精度、强鲁棒性的要求也越来越高。电液伺服控制系统是电气伺服传动系统和液压传动系统的结合，作为一种机—电—液复合控制系统，它具有响应速度快、功率密度大、控制精度高、节能环保、能量利用率高、信号处理灵活等优点。

节能降耗已经成为目前液压控制系统发展的大趋势，主要有两个大方向：一是提高液压系统的硬件质量，通过合理设计系统的硬件、采用新材料等，改善系统液体内部通道结构，实现节能降耗；二是在系统控制策略上进行设计和优化，采用压力、流量、位置、温度、速度、加速度等传感器，由传统的开环控制系统转向闭环控制系统，减少或消除系统的节流损失，实现节能降耗。

随着计算机技术、传感技术、材料科学技术的发展，液压伺服控制技术迅速发展，已经在当今的自动化重大应用领域发挥着相当重要的作用。电液伺服系统是由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统，兼具电气和液压两方面的优点，适用于负载大且要求响应速度快的各种场合。比如飞机、船舶、雷达的控制、注塑机、压铸机、折弯机等工程机械的控制。

传统的电液伺服系统按流量调节方式可分为阀控伺服系统和泵控伺服系统，阀控伺服系统是通过节流来进行流量调节的，它由传统交流电机驱动定量泵供油，通过流量阀调节流向执行元件的油液流量来实现速度调节。在调节过程中存在着溢流损失和节流损失，导致系统效率低、增大系统的非线性、影响稳定性，甚至会有安全隐患。

泵控伺服系统分为变量泵控制系统和伺服直驱泵控系统。前者，液压泵根据流量能否自主改变分成定量泵和变量泵，变量泵可以精确调节流量大小，利用变量泵改变排量来调节流量，达到控制压力的作用；因没有溢流损失和节流损失，效率较高；但精密的液压泵结构对液压油介质产生了更高的要求，噪声问题在变量泵控制变得尤为突出。后者，动态响应性能好，频响高；但不能控制动力源转速，只能改变变量泵的输出排量，同阀控相比节能，但是变量泵对油品要求高。近几年随着伺服控制技术的提高以及各种高性能数字控制器的出现直驱式电液伺服系统得到了快速的发展和应用。

尽管液压伺服控制系统具有众多明显的特点，但它也存在很多缺点和不足，主要表现为：

1)液体的泄露和可压缩性，会对液压伺服控制带来影响，使得控制速度慢、控制精度低。

2)液压伺服系统在能量转换传递过程中存在压力损失、机械摩擦、泄漏等现象，会对液压伺服控制产生非线性影响，使控制稳定性差、精度低。

3)液体温度和负载变化对液压伺服控制也有影响，使控制不稳定。

4)阀控液压缸控制系统中，伺服阀表现为非线性，伺服阀的开度大小、阀芯漂移、磁滞、滑阀摩擦和传感器的分辨率等都会影响系统控制精度等。

因此，如何提高控制速度和控制精度成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于如何提高控制速度和控制精度。

为此，根据第一方面，本发明实施例公开了一种直驱式电液伺服压力控制系统，包括：

执行模块，用于在液压缸提供的压力驱动下执行相应的操作；伺服调速模块，与执行模块刚性连接，用于在相应的电驱动信号下调节提供给执行模块的压力；滑模控制模块，用于在给定的信号下向伺服调速模块输出电驱动信号；反馈模块，用于向滑模控制模块分别反馈从执行模块和伺服调速模块采集到的数据。

可选地，伺服调速模块包括：定量泵，用于在驱动力的驱动下提供与驱动力相适应的压力；电机，用于在电控制信号的驱动下向定量泵提供驱动力；电机控制单元，用于响应电驱动信号向电机提供与电驱动信号相适应的电控制信号。

可选地，反馈模块包括：压力反馈单元，用于检测执行模块的压力并反馈给伺服调速模块；速度反馈单元，用于检测电机的转速并反馈给伺服调速模块。

可选地，还包括：参数识别模块，连接在滑模控制模块和反馈模块之间，用于读取识别反馈模块采集到的执行模块的压力和电机的转速并传输给滑模控制模块。

可选地，根据电机电动势方程、等效电枢回路方程、电机的磁转矩方程和电机轴力矩平衡方程，得到电机的传递函数。

可选地，电机为永磁同步电机；由电机电动势方程得到传递函数为：e(s)＝keωr(s)，其中，ke为永磁同步电机反电动式系数；ωr为转子角速度；由电机等效电枢回路方程得到传递函数：由电机磁转矩方程te＝ktiq得到传递函数：te(s)＝ktiq(s)，其中，te为电磁转矩；pn为电机极对数；由电机轴力矩平衡方程得到传递函数：其中，te——电磁转矩；tl为电机轴上负载转矩；ωr为转子机械角速度；b为电机轴上的粘性阻尼系数；j为折算到电机轴上的转动惯量；j＝j1+j2，其中j1表示永磁同步电机转子的转动惯量，j2表示液压泵折算到电机转子部分的转动惯量。

可选地，根据液压泵流量方程、液压系统流量连续性方程、液压缸带负载力平衡方程、液压泵的扭矩方程以及液压泵泄露流量与压力关系得到定量泵和执行机构的液压系统传递函数。

可选地，定量泵为液压泵；执行机构为液压缸；由液压泵流量方程得到传递函数：qb(s)＝dpn(s)，式中，qb——液压泵的理论输出流量，qr为液压泵的实际输出流量；ql为液压泵的泄露流量；dp为液压泵的排量；n为液压泵转速；由液压系统流量连续性方程得到传递函数：式中，a为液压缸有效作用面积；xc为液压缸活塞位移；vt为高压腔容积，即泵以及液压缸和他们之间管路容积总和；βe为液压油的体积模量；pr为液压泵出口处压力；ut为液压油黏度；cse为液压缸总泄露系数，其为内泄露外泄露系数总和；由液压缸带负载力平衡方程得到传递函数：式中，m为液压缸活塞与负载的总质量；bp为液压缸活塞粘性阻尼系数；k为负载刚度，即弹簧系数；fl为液压缸上的负载力；由液压泵的扭矩方程得到传递函数：式中，tl为液压泵产生的负载转矩；ω为液压泵转速；由液压泵泄露流量与压力关系得到传递函数：qr(s)＝qb(s)-pr(s)·kl，式中，ql＝pr·cps，cps为双向定量柱塞泵总泄露系数，cps＝cis+ces，cis是液压泵内泄露系数，ces是液压泵外泄露系数。

可选地，滑模控制模块采用如下等效控制方法：u＝ues+uf，式中，ues为等效控制部分，采用基于系统参数识别方式控制指数趋近律的控制；uf为切换控制部分，采用模糊控制。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的直驱式电液伺服压力控制系统，由于通过伺服调速模块与执行模块刚性连接，通过伺服调速模块驱动控制液压泵的转速，从而，相对于现有技术通过改变变量泵的输出排量方式，通过伺服调速模块的刚性控制能够提高液压执行模块的控制速度。并且，由于伺服调速模块为刚性驱动，继而提高了控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例中一种电液伺服压力控制系统硬件结构示意图；

图2为本实施例中一种电液伺服压力控制系统控制回路框图；

图3为本实施例中一种电液伺服压力控制系统控制原理图；

图4为本实施例中一种永磁同步电机传递函数回路示意图；

图5为本实施例中一种液压系统传递函数示意图；

图6为本实施例中一种电液伺服压力控制系统传递函数示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

为了提高液压驱动控制速度和控制精度，本实施例公开了一种直驱式电液伺服压力控制系统，请参考图1，为该直驱式电液伺服压力控制系统的硬件结构示意图，该电液伺服压力控制系统包括：液压泵1、伺服电机2、液压缸3、传感器4和控制器5，其中：

液压泵1用于调节液压输出的排量。本实施例中，液压泵1液压部分的动力源，液压泵1为定量泵，由伺服电机带动，通过管道连接液压缸，由其转速调节输出的排量。

伺服电机2与液压泵1刚性连接，用于控制液压泵的转速。在具体实施例中，伺服电机2可以是例如为永磁同步电机，伺服电机2是电液伺服系统的动力源，与液压泵刚性连接，调节其转速即可控制液压泵转速。需要说明的是，在具体实施例中，可以通过驱动适配器21来实现伺服电机与控制系统之间的信号匹配与处理，根据所选控制系统类型，若控制系统内部已具备此功能，该驱动适配器可以省略。

液压缸3用于在液压提供的动力下驱动负载6。在具体实施例中，液压缸3是电液伺服控制系统的液压执行机构，可以完成规定的动作，根据需求液压缸的输出可以是力矩，也可以是速度、位移等。

传感器4用于采集液压的传感信号。

控制器5与传感器4以及伺服电机2连接，用于根据传感信号输出用于控制伺服电机2转动的电机控制信号。在具体实施例中，控制器5可以包含cpu控制器、各类i/o信号板卡、通信卡、电源机架、线缆及软件开发环境等，实现对伺服系统各类信号的采集、处理和内部数学运算和输出控制；可选用目前常用的运动控制系统、plc控制系统、嵌入式控制系统或自己开发的同类功能的单片机控制系统。

在可选的实施例中，传感器4包括：压力传感器41和流量传感器42，其中：压力传感器41用于采集液压泵1的液体压力，具体地，压力传感器41检测液压泵的出口压力，压力传感器41采集后的信号接入控制器5。流量传感器42用于采集液压泵1输出液体的流量。具体地，流量传感器42检测液压泵1的出口流量，反应液压泵1实际排量，流量传感器42采集后的信号接入控制器5。

在可选的实施例中，传感器4包括：编码器43，编码器43用于采集伺服电机的转速。编码器43测量电机的转速，编码器43采集后的信号接入控制器5，控制器5以此作为反馈信号，并实时观测电机运动状态。

在可选的实施例中，传感器4包括：位置传感器44，位置传感器44用于检测液压缸3的位移量，即液压缸3的位置，位置传感器44采集后的信号接入控制器5。

在可选的实施例中，该电液伺服压力控制系统还包括：油箱7，油箱7通过溢流阀8连接至液压泵1，用于容纳液压油。

在可选的实施例中，传感器4包括：温度传感器45，温度传感器45用于采集油箱7中液压油的温度，温度传感器45采集后的信号接入控制器5。

在可选的实施例中，该电液伺服压力控制系统还包括：换向阀9，在具体实施例中，换向阀9连接至液压缸3和液压泵1之间，换向阀9用于调节向液压缸3提供液压的管路。在具体实施例中，换向阀9可以是电磁换向阀，例如三位两通电磁换向阀，通过换向阀9可以实现系统油道切换，控制液压缸两端液压油的进出，进而控制液压缸的运动方向。

为便于本领域技术人员理解，下文对该电液伺服压力系统作进一步阐述，在具体实施例中，液压泵与电机的选择根据负载需求而定。

1)液压泵的选择：

液压泵的选取是根据液压系统所需的最大工作压力、流量以及工作效率来选择的，在液压泵所需要提供的压力和液压缸所需要的最大流量选取完毕后就可以选择液压泵的规格。

①压力的选取需遵循：pp≥kp×pr

其中，pp为液压泵所需要提供的压力(单位为pa)；kp为电液伺服压力系统汇总压力损失系数，一般取1.3-1.5，本系统取1.4；pr为液压缸所需要的最大工作压力(pa)。

②液压系统流量选取遵循：qp≥kq×qs

其中，qp为液压泵的流量；kq为电液伺服压力系统的流量泄露系数；qs为液压缸所需要的最大流量。

2)电机的选择：

驱动液压泵的电机功率选取需遵循：

其中，pm为电液伺服压力系统中电机的功率(kw)；pp为电液伺服压力系统最大工作压力(mpa)；qp为液压泵的流量(l/min)；η为泵的总效率，柱塞泵效率一般为0.8-0.85，此处取0.83；

一台额定排量为qp产生一定的压力pp所需要的扭矩为

t＝qp×ηv×pp×9.549/61.2/η

其中，t为转矩(n·m)；ηv为液压泵的容积效率；η为液压泵总效率。

本实施例公开的直驱式电液伺服压力控制系统，由控制器、伺服电机、液压系统、各类传感器和负载组成，请参考图2，为该控制系统控制回路框图，液压泵与液压缸组成液压系统，系统中伺服电机作为执行机构，伺服电机与液压泵轴向连接，伺服电机转动带动液压泵转动，液压泵转动控制吸入与排出液压缸的液压油量，进而控制液压缸的伸缩，液压缸再驱动负载做预定的运动。系统给定参数是液压缸压力信号，运行时压力传感器反馈回的数据同给定压力信号做比较，得到的结果送入压力控制器；压力控制器的输出信号作为速度控制器的给定，速度反馈数据同速度给定作比较，得到的结果送入速度控制器；速度控制器输出是电流环的给定，并与电流反馈信号比较，得到的信号进入电流控制器，进而对电机的转矩直接控制。传感器包括转速、压力、流量；液压泵输出端、油路上均装有压力传感器，压力信号直接进入控制器作为压力反馈信号；转速传感器安装在液压泵输出端，以泵转速反应伺服电机的转速；伺服电机提供电流信号。

请参考图3，为本实施例公开的一种电液伺服压力控制系统控制原理图，该控制系统包括：执行模块31、伺服调速模块32、滑模控制模块33和反馈模块34，其中：

执行模块31用于在液压缸提供的压力驱动下执行相应的操作；本实施例中，执行模块31包括执行机构(例如液压缸)，执行机构用于连接至负载，以驱动负载执行相应的操作。

伺服调速模块32与执行模块31刚性连接，用于在相应的电驱动信号下调节提供给执行模块31的压力。在具体实施例中，伺服调速模块32包括：定量泵，用于在驱动力的驱动下提供与驱动力相适应的压力；电机，用于在电控制信号的驱动下向定量泵提供驱动力；电机控制单元，用于响应电驱动信号向电机提供与电驱动信号相适应的电控制信号。

滑模控制模块33用于在给定的信号下向伺服调速模块32输出电驱动信号。

反馈模块34用于向滑模控制模块33分别反馈从执行模块31和伺服调速模块32采集到的数据。在具体实施例中，反馈模块34包括：压力反馈单元，用于检测执行模块的压力并反馈给伺服调速模块；速度反馈单元，用于检测电机的转速并反馈给伺服调速模块。

在可选的实施例中，该控制系统还包括：参数识别模块35，参数识别模块35连接在滑模控制模块33和反馈模块34之间，用于读取识别反馈模块34采集到的执行模块31的压力和电机的转速并传输给滑模控制模块33。

电机系统数学模型

在可选的实施例中，根据电机电动势方程、等效电枢回路方程、电机的磁转矩方程和电机轴力矩平衡方程，得到电机的传递函数。本实施例中，电机为永磁同步电机：

根据电机电动势方程、等效电枢回路方程、电机的磁转矩方程、电机轴力矩平衡方程，得到永磁同步电机传递函数，如图4所示，其中：

①电机电动势方程得到传递函数：e(s)＝keωr(s)

式中，ke为永磁同步电机反电动式系数(v·s/rad)；ωr为转子角速度(rad/s)。

②由电机等效电枢回路方程得到传递函数：

③由电机磁转矩方程te＝ktiq得到传递函数：te(s)＝ktiq(s)

式中，te为电磁转矩(n·m)；pn为电机极对数。

④由电机轴力矩平衡方程得到传递函数：

式中，te——电磁转矩(n·m)；tl为电机轴上负载转矩(n·m)；ωr为转子机械角速度(rad/s)；b为电机轴上的粘性阻尼系数(n·m/(rad·s))；j为折算到电机轴上的转动惯量(kg·m²)；j＝j1+j2，其中j1表示永磁同步电机转子的转动惯量，j2表示液压泵折算到电机转子部分的转动惯量。

液压系统数学模型

本实施例中，根据液压泵流量方程、液压系统流量连续性方程、液压缸带负载力平衡方程、液压泵的扭矩方程以及液压泵泄露流量与压力关系得到所述定量泵和所述执行机构的液压系统传递函数，如图5所示，其中：

①由液压泵流量方程得到传递函数：qb(s)＝dpn(s)

式中，qb——液压泵的理论输出流量(m³/s)，qr为液压泵的实际输出流量(m³/s)；ql为液压泵的泄露流量(m³/s)；dp为液压泵的排量(ml/r)；n为液压泵转速r/min。

②由液压系统流量连续性方程得到传递函数：

式中，a为液压缸有效作用面积(m²)；xc为液压缸活塞位移(m)；vt为高压腔容积，即泵以及液压缸和他们之间管路容积总和(m)；βe为液压油的体积模量(n/m²)；pr为液压泵出口处压力(pa)；ut为液压油黏度；cse为液压缸总泄露系数(m³/s·pa)，其为内泄露外泄露系数总和，即cse＝cic+cec；为油液弹性模量变化产生的流量。

③由液压缸带负载力平衡方程；得到传递函数：

式中，m为液压缸活塞与负载的总质量(kg)；bp为液压缸活塞粘性阻尼系数(n·s/m)；k为负载刚度，即弹簧系数(n/m)；fl为液压缸上的负载力(n)。

④由液压泵的扭矩方程得到传递函数：

式中，tl为液压泵产生的负载转矩(n·m)；ω为液压泵转速(rad/s)。

⑤由液压泵泄露流量与压力关系得到传递函数：qr(s)＝qb(s)-pr(s)·kl

式中，ql＝pr·cps，cps为双向定量柱塞泵总泄露系数(m³/(s·pa))，cps＝cis+ces，cis是液压泵内泄露系数，ces是液压泵外泄露系数。

直驱式电液伺服压力控制系统传递函数

综合电机传递函数和液压系统传递函数，得到直驱式电液伺服压力控制系统传递函数如图6所示。

有关控制器控制算法

滑模控制模块采用如下等效控制方法：u＝ues+uf

式中，ues为等效控制部分，采用基于系统参数识别方式控制指数趋近律的控制；uf为切换控制部分，采用模糊控制。

1)等效控制部分

将系统工作时压力和主轴速度同指数趋近律的切换系数相关联，采用参数识别获得的参数kpv，通过对系数ε的调节，提高系统响应速度和鲁棒性。

设：指数趋近率ε为切换函数-εsgn(s)的增益。

等效控制的控制算法：

式中：u(t)为系统输入；f(t)为系统外部扰动；e为系统压力偏差，e1、e2、e3……；a0、a1、a2为压力偏差修正系数；c1、c2为切换函数的系数；b0为给定输入修正系数。

2)切换控制部分

模糊控制器的输入是过程实测变量与系统设定值之差，输出量是系统的实时控制修正变量，核心是包含语言规则的规则库和模糊推理，模糊推理就是一种模糊转变，它将输入量的模糊集变为输出量的模糊集，实现论域的转换。

系统中模糊控制器的输入是滑模控制切换面s以及s，物理意义分别为系统运动点到滑模面的相对距离和向着滑模面运动的相对速度；模糊控制器的输出是uf即滑模控制器的切换控制部分，也就是被控部分的输入信号，的论域为：s∈[-1，+1]uf∈[-1，+1]，输入输出分别对应七组模糊语言变量：

s＝[nb，nm，ns，ze，ps，pm，pb]

uf＝[nb，nm，ns，ze，ps，pm，pb]

其中:nb代表负大、nm代表负中、ns代表负小、ze代表零、ps代表正小、pm代表正中，pb代表正大。

3)模糊推理模糊规则库的建立

采用的模糊推理规则：ifsisaiandisbj，thenufisck

其中ai、bj、ck对应着输入输出的模糊子集，模糊控制规则表如下表所示。

模糊滑模控制器规则表

由于表中的模糊控制规则全部满足所以设计的模糊滑模控制系统是稳定的。

4)清晰化

采用重心法，重心法的本质就是加权平均法，把模糊量的重心元素作为判决之后得到的精确值u，

本实施例提供的电液伺服压力控制系统，由于通过伺服调速模块与执行模块刚性连接，通过伺服调速模块驱动控制液压泵的转速，从而，相对于现有技术通过改变变量泵的输出排量方式，通过伺服调速模块的刚性控制能够提高液压执行模块的控制速度。并且，由于伺服调速模块为刚性驱动，继而提高了控制精度。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。