一种可克服超越负载的电静液作动器及其控制方法与流程

1.本发明涉及电静液作动器技术领域，具体涉及一种可克服超越负载的电静液作动器及其控制方法。


背景技术：

2.电静液作动器(electro-hydrostaticactuator)在工业中的应用越来越广泛，与传统液压作动系统相比，具有体积小、重量轻、易安装维护等优点。在多电飞机、工业机器人、重载机械臂以及结构加载试验都需用到电静液作动器作为执行驱动单元。
3.电静液作动器一般采用电机带动双向液压泵驱动液压缸往复运动，中间回路取消了换向阀，本质上为泵控缸系统。电静液作动器的油缸在运行到指定位置后，在外部负载作用下为保持油缸位置不变，电静液作动器的电机需要保持运转以补偿外部负载对油缸位移造成的变化，对系统发热及节能都有不利影响。此外，电静液作动器工作在一、三象限时，只要系统输出压力大于外部负载作用力，液压缸即可实现动作，但工作在二、四象限时，由于负载力作用方向与液压缸运行方向一致，即存在超越负载，此时双向液压泵的出油端只是用来补油，双向液压泵出口并未建立起压力，低于液压锁的反向开启压力，液压锁不能开启导致液压缸出油腔锁死不能回油，因此液压缸不能运行或因液压锁处于频繁开关切换状态而抖动运行。针对上述问题，本发明提供了一种可克服超越负载的电静液作动器。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服上述不足，提供了一种可克服超越负载的电静液作动器，液压缸可在任意指定位置断电锁紧，有效降低系统能耗，且能够在存在超越负载工况的第二象限和第四象限稳定工作，通过设定第一比例溢流阀和第二比例溢流阀的调定压力降低系统压力损失，有效提高系统能效；此外，本发明还提供了一种可克服超越负载的电静液作动器的控制方法。
5.为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种可克服超越负载的电静液作动器，包括调速电机、双向液压泵、油箱、第一补油单向阀、第二补油单向阀、第一比例溢流阀、回路单向阀、第二比例溢流阀、第一压力传感器、双向液压锁、第二压力传感器、液压缸及位移传感器；
6.所述双向液压泵包括第一油口和第二油口，所述液压缸包括有杆腔和无杆腔，所述双向液压锁包括第一液控端、第一输入端、第一输出端、第二液控端、第二输入端及第二输出端；
7.所述第一油口分别与所述第一补油单向阀的输出端、所述第一比例溢流阀的进油口、所述双向液压锁的第一输入端连接；所述第二油口分别与所述第二补油单向阀的输出端、所述回路单向阀的输入端连接；
8.所述油箱分别与所述第一补油单向阀的输入端、所述第二补油单向阀的输入端、所述第一比例溢流阀的回油口、所述第二比例溢流阀的回油口连接；
9.所述回路单向阀的输出端分别与所述第二比例溢流阀的进油口、所述双向液压锁的第二输入端连接；
10.所述双向液压锁的第一液控端与所述双向液压锁的第二输入端连接，所述双向液压锁的第二液控端与所述双向液压锁的第一输入端连接，所述双向液压锁的第一输出端与所述液压缸的无杆腔连接，所述双向液压锁的第二输出端与所述液压缸的有杆腔连接；
11.所述位移传感器安装于所述液压缸的活塞端部；所述第一压力传感器连接于所述第一油口与所述双向液压锁的第一输入端相连接的管路上，所述第二压力传感器连接于所述回路单向阀与所述双向液压锁的第二输入端相连接的管路上；
12.所述调速电机与所述双向液压泵连接，用于驱动所述双向液压泵；其中，所述调速电机为双向电机。
13.上述的一种可克服超越负载的电静液作动器，其中，所述液压缸为单出杆非对称液压缸。
14.上述的一种可克服超越负载的电静液作动器，其中，所述第一比例溢流阀与所述第二比例溢流阀均为插装式比例溢流阀。
15.本发明第二方面提供了上述一种可克服超越负载的电静液作动器的控制方法，包括以下步骤：判断所述可克服超越负载的电静液作动器的工作象限，所述工作象限包括第一象限、第二象限、第三象限及第四象限；
16.其中，所述可克服超越负载的电静液作动器在第一象限工作时，所述液压缸的速度方向与外部负载力方向相反，所述调速电机逆时针旋转驱动所述双向液压泵的第一油口排出高压油，所述高压油依次流经所述双向液压锁的第一输入端、第一输出端后至所述液压缸的无杆腔，外部负载力推动所述液压缸的活塞运动使所述液压缸的有杆腔向外排油，排油流经所述双向液压锁的第二输出端，由于所述第二液控端的压力引自所述第一输入端为高压，所述第二输出端与所述第二输入端反向导通，所述液压缸的有杆腔的回油通过所述第二比例溢流阀返回至所述油箱，所述双向液压泵的第一油口通过所述第二补油单向阀从所述油箱内吸油；
17.其中，所述可克服超越负载的电静液作动器在第二象限工作时，所述液压缸的速度方向与外部负载力方向相同，所述调速电机逆时针旋转驱动所述双向液压泵的第一油口排油，油依次流经所述双向液压锁的第一输入端、第一输出端至所述液压缸的无杆腔，外部负载力推动所述液压缸的活塞运动使所述液压缸的有杆腔向外排油，所述液压缸的有杆腔为高压腔，流经所述双向液压锁的第二输出端，设定所述第二比例调压阀的调定压力大于所述外部负载力以使所述液压缸的无杆腔内存在低压压力，通过所述第一压力传感器检测所述双向液压锁的第一输入端和第二液控端的压力，使其能够反向导通第二输出端到第二输入端，所述液压缸的有杆腔的高压回油通过所述第二比例溢流阀返回至所述油箱，所述双向液压泵的第一油口通过所述第二补油单向阀从所述油箱内吸油；所述第一比例溢流阀的设定压力大于所述双向液压锁的液控端反向开启压力，使所述双向液压锁的排油全部进入所述液压缸的无杆腔，进而提高所述可克服超越负载的电静液作动器的运行速度；所述液压缸的有杆腔的高压用于平衡外部负载力与所述液压缸的无杆腔的压力，保证所述可克服超越负载的电静液作动器在超越负载下稳定工作；
18.其中，所述可克服超越负载的电静液作动器在第三象限工作时，所述液压缸的速
度方向与外部负载力方向相反，所述调速电机顺时针旋转驱动所述双向液压泵的第二油口排出高压油，高压油依次流经所述回路单向阀、所述双向液压锁的第二输入端、第二输出端至所述液压缸的有杆腔，外部负载力推动所述液压缸的活塞运动使所述液压缸的无杆腔向外排油，流经所述双向液压锁的第一输出端，由于所述第一液控端的压力引自第二输入端为高压，所述第一输出端与所述第一输入端反向导通，所述液压缸的无杆腔的回油部分进入所述双向所述液压泵的第一油口；
19.其中，所述可克服超越负载的电静液作动器在第四象限工作时，所述液压缸的速度方向与外部负载力方向相同，所述调速电机顺时针旋转驱动所述双向液压泵的第二油口排油，油依次流经所述回路单向阀、所述双向液压锁的第二输入端、第二输出端至所述液压缸的有杆腔，外部负载力推动所述液压缸的活塞运动使所述液压泵的无杆腔向外排油，依次流经所述双向液压锁的第一输出端、第一输入端后进入所述双向液压泵的第二油口；所述液压缸为单出杆非对称液压缸，所述液压缸内无杆腔回油量比有杆腔进油量大，所述可克服超越负载的电静液作动器在第四象限工作时，设定所述第二比例溢流阀的压力大于双向液压锁液控端反向开启压力，通过所述第二压力传感器检测所述双向液压锁第一输入端和第二液控端压力，使所述双向液压锁的第一输出端与第一输入端反向导通，同时设定所述第一比例溢流阀的调定压力大于外部负载压力，使所述液压缸的无杆腔回油全部进入所述双向液压泵的第一油口，此时所述液压缸的无杆腔的回油量等于所述双向液压泵的排量与电机转速的乘积，所述双向液压缸的无杆腔与有杆腔的差值流量通过所述第二比例溢流阀溢流回油；所述双向液压泵的第一油口为高压侧油口，所述双向液压泵的第二油口为低压侧油口。
20.上述的一种可克服超越负载的电静液作动器的控制方法，其中，所述可克服超越负载的电静液作动器在第一象限工作时，所述第一比例溢流阀的设定压力大于外部负载力，进而使所述液压缸能够克服外部负载力并使所述双向液压泵的排油全部进入所述液压缸的无杆腔，所述第二比例溢流阀的设定压力为卸荷状态进而减小系统能耗。
21.上述的一种可克服超越负载的电静液作动器的控制方法，其中，所述可克服超越负载的电静液作动器在第三象限工作时，所述第一比例溢流阀的设定压力为卸荷状态以减小所述液压缸的有杆腔压力，所述第二比例溢流阀8的设定压力大于所述外部负载力，以使所述液压缸能够克服外部负载力并使所述双向液压泵的排油全部进入所述液压缸的有杆腔。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明中的一种可克服超越负载的电静液作动器，液压缸可在任意指定位置断电锁紧，有效降低系统能耗，且能够在存在超越负载工况的第二象限和第四象限稳定工作，通过设定第一比例溢流阀和第二比例溢流阀的调定压力有效降低系统压力损失，有效提高系统能效。
附图说明
23.图1为本发明中一种可克服超越负载的电静液作动器的一种实施方式的结构图。
24.图2为图1的一种可克服超越负载的电静液作动器工作在第一象限时的液体流向示意图。
25.图3为图1的一种可克服超越负载的电静液作动器工作在第二象限时的液体流向
示意图。
26.图4为图1的一种可克服超越负载的电静液作动器工作在第三象限时的液体流向示意图。
27.图5为图1的一种可克服超越负载的电静液作动器工作在第四象限时的液体流向示意图。
28.各标记与部件名称对应关系如下：
29.调速电机1、双向液压泵2、油箱3、第一补油单向阀4、第二补油单向阀5、第一比例溢流阀6、回路单向阀7、第二比例溢流阀8、第一压力传感器9、双向液压锁10、第二压力传感器11、液压缸12及位移传感器13。
具体实施方式
30.为了使发明实现的技术手段、创造特征、达成目的和功效易于明白了解，下结合具体图示，进一步阐述本发明。
31.本说明书所附图式、所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
32.实施例
33.参照图1所示，本实施例提供了一种可克服超越负载的电静液作动器，包括调速电机1、双向液压泵2、油箱3、第一补油单向阀4、第二补油单向阀5、第一比例溢流阀6、回路单向阀7、第二比例溢流阀8、第一压力传感器9、双向液压锁10、第二压力传感器11、液压缸12及位移传感器13。
34.双向液压泵2包括第一油口和第二油口，液压缸12包括有杆腔和无杆腔，双向液压锁10包括第一液控端、第一输入端、第一输出端、第二液控端、第二输入端及第二输出端；当双向液压泵2顺时针旋转时第一油口为双向液压泵2的吸油口，当双向液压泵2逆时针旋转时第二油口为双向液压泵2的吸油口。当双向液压泵2的第一油口作为吸油口时，可通过第一单向阀4从油箱3吸油，从而对第二油口进行补油。当双向液压泵2的第二油口作为吸油口时，可通过第二单向阀5从油箱3吸油，从而对第一油口进行补油。
35.第一油口分别与第一补油单向阀4的输出端、第一比例溢流阀6的进油口、双向液压锁10的第一输入端连接；第二油口分别与第二补油单向阀5的输出端、回路单向阀7的输入端连接。
36.油箱3分别与第一补油单向阀4的输入端、第二补油单向阀5的输入端、第一比例溢流阀6的回油口、第二比例溢流阀8的回油口连接。
37.回路单向阀7的输出端分别与第二比例溢流阀8的进油口、双向液压锁10的第二输入端连接。
38.双向液压锁10的第一液控端与双向液压锁10的第二输入端连接，双向液压锁10的
第二液控端与双向液压锁10的第一输入端连接，双向液压锁10的第一输出端与液压缸12的无杆腔连接，双向液压锁10的第二输出端与液压缸12的有杆腔连接。
39.位移传感器13安装于液压缸12的活塞端部；第一压力传感器9连接于第一油口与双向液压锁10的第一输入端相连接的管路上，第二压力传感器11连接于回路单向阀7与双向液压锁10的第二输入端相连接的管路上。第一压力传感器9用于反馈液压缸12无杆腔的压力信号，第二压力传感器11用于反馈液压缸12有杆腔的压力信号，位移传感器13用于反馈液压缸12的位移信号。
40.调速电机1与双向液压泵2连接，用于驱动双向液压泵2；其中，调速电机1为双向电机。
41.本实施例中的液压缸12为单出杆非对称液压缸12。
42.本实施例中的第一比例溢流阀6与第二比例溢流阀8均为插装式比例溢流阀，插装式比例溢流阀可有效减小可克服超越负载的电静液作动器体积。
43.图2为图1的可克服超越负载的电静液作动器工作在第一象限时的液体流向示意图，图2中的实心箭头代表可克服超越负载的电静液作动器工作在第一象限时的液体流动方向。
44.图3为图1的可克服超越负载的电静液作动器工作在第二象限时的液体流向示意图，图3中的实心箭头代表可克服超越负载的电静液作动器工作在第二象限时的液体流动方向。
45.图4为图1的可克服超越负载的电静液作动器工作在第三象限时的液体流向示意图，图4中的实心箭头代表可克服超越负载的电静液作动器工作在第三象限时的液体流动方向。
46.图5为图1的可克服超越负载的电静液作动器工作在第四象限时的液体流向示意图，图5中的实心箭头代表可克服超越负载的电静液作动器工作在第四象限时的液体流动方向。
47.本实施例进一步提供了上述一种可克服超越负载的电静液作动器的控制方法，包括以下步骤：判断可克服超越负载的电静液作动器的工作象限，工作象限包括第一象限、第二象限、第三象限及第四象限；
48.其中，如图2所示，可克服超越负载的电静液作动器在第一象限工作时，外部负载力方向朝左，液压缸12的速度方向与外部负载力方向相反，调速电机1逆时针旋转驱动双向液压泵2的第一油口排出高压油，高压油依次流经双向液压锁10的第一输入端、第一输出端后至液压缸12的无杆腔，外部负载力推动液压缸12的活塞运动使液压缸12的有杆腔向外排油，排油流经双向液压锁10的第二输出端，由于第二液控端的压力引自第一输入端为高压，第二输出端与第二输入端反向导通，液压缸12的有杆腔的回油通过第二比例溢流阀8返回至油箱3，双向液压泵2的第一油口通过第二补油单向阀5从油箱3内吸油；其中，可克服超越负载的电静液作动器在第一象限工作时，第一比例溢流阀6的设定压力大于外部负载力，进而使液压缸12能够克服外部负载力并使双向液压泵2的排油全部进入液压缸12的无杆腔，第二比例溢流阀8的设定压力为卸荷状态，以使液压缸12的有杆腔压力接近为零压，进而减小系统能耗。
49.其中，如图3所示，可克服超越负载的电静液作动器在第二象限工作时，外部负载
力方向朝右，液压缸12的速度方向与外部负载力方向相同，调速电机1逆时针旋转驱动双向液压泵2的第一油口排油，油依次流经双向液压锁10的第一输入端、第一输出端至液压缸12的无杆腔，外部负载力推动液压缸12的活塞运动使液压缸12的有杆腔向外排油，液压缸12的有杆腔为高压腔，流经双向液压锁10的第二输出端，设定第二比例调压阀的调定压力大于外部负载力以使液压缸12的无杆腔内存在低压压力，通过第一压力传感器9检测双向液压锁10的第一输入端和第二液控端的压力，使其能够反向导通第二输出端到第二输入端，液压缸12的有杆腔的高压回油通过第二比例溢流阀8返回至油箱3，双向液压泵2的第一油口通过第二补油单向阀5从油箱3内吸油；第一比例溢流阀6的设定压力大于双向液压锁10的液控端反向开启压力，使双向液压锁10的排油全部进入液压缸12的无杆腔，进而提高可克服超越负载的电静液作动器的运行速度；液压缸12的有杆腔的高压用于平衡外部负载力与液压缸12的无杆腔的压力，保证可克服超越负载的电静液作动器在超越负载下稳定工作。
50.其中，如图4所示，可克服超越负载的电静液作动器在第三象限工作时，外部负载力方向朝右，液压缸12的速度方向与外部负载力方向相反，调速电机1顺时针旋转驱动双向液压泵2的第二油口排出高压油，高压油依次流经回路单向阀7、双向液压锁10的第二输入端、第二输出端至液压缸12的有杆腔，外部负载力推动液压缸12的活塞运动使液压缸12的无杆腔向外排油，流经双向液压锁10的第一输出端，由于第一液控端的压力引自第二输入端为高压，第一输出端与第一输入端反向导通，液压缸12的无杆腔的回油部分进入双向液压泵2的第一油口；其中，可克服超越负载的电静液作动器在第三象限工作时，第一比例溢流阀6的设定压力为卸荷状态，以使液压缸12的无杆腔压力接近为零压，以减小液压缸12的有杆腔压力；第二比例溢流阀8的设定压力大于外部负载力，以使液压缸12能够克服外部负载力并使双向液压泵2的排油全部进入液压缸12的有杆腔，进而提高系统效率。
51.其中，如图5所示，可克服超越负载的电静液作动器在第四象限工作时，外部负载力方向朝左，液压缸12的速度方向与外部负载力方向相同，调速电机1顺时针旋转驱动双向液压泵2的第二油口排油，油依次流经回路单向阀7、双向液压锁10的第二输入端、第二输出端至液压缸12的有杆腔，外部负载力推动液压缸12的活塞运动使液压泵的无杆腔向外排油，依次流经双向液压锁10的第一输出端、第一输入端后进入双向液压泵2的第二油口；液压缸12为单出杆非对称液压缸12，液压缸12内无杆腔回油量比有杆腔进油量大，可克服超越负载的电静液作动器在第四象限工作时，设定第二比例溢流阀8的压力大于双向液压锁10液控端反向开启压力，通过第二压力传感器11检测双向液压锁10第一输入端和第二液控端压力，使双向液压锁10的第一输出端与第一输入端反向导通，同时设定第一比例溢流阀6的调定压力大于外部负载压力，使液压缸12的无杆腔回油全部进入双向液压泵2的第一油口，此时液压缸12的无杆腔的回油量等于双向液压泵2的排量与电机转速的乘积，双向液压缸12的无杆腔与有杆腔的差值流量通过第二比例溢流阀8溢流回油；双向液压泵2的第一油口为高压侧油口，双向液压泵2的第二油口为低压侧油口，能够有效减小调速电机1顺时针旋转所需力矩，提高系统能效；液压缸12的无杆腔高压用来平衡外部负载力及有杆腔压力，以保证可克服超越负载的电静液作动器在超越负载下能够稳定工作。
52.本发明中的可克服超越负载的电静液作动器可以分别实现对作动器的输出的力、速度或位移的闭环控制。具体而言，本发明中的可克服超越负载的电静液作动器的输出是
力时，其可准确的控制输出力的大小或输出方向，对于位移和速度也可以实现类似的控制。其中，本发明中通过第一比例溢流阀6和第二比例溢流阀8的调定压力，可以实现作动器的输出力控制，通过位移传感器13反馈的位移信号微分可以计算作动器的速度，控制调速电机1的旋转速度即可实现速度闭环控制，通过位移传感器13位移信号反馈，控制调速电机1的通、断电即可实现作动器的位置精确定位，通过双向液压锁10的锁紧功能即可实现作动器的位置保持。
53.综上所述，本发明中的可克服超越负载的电静液作动器，能够在调速电机1断电且存在外部负载时进行精确位置保持，有效降低系统能耗，并能在四个工作象限稳定工作，通过设定第一比例溢流阀6和第二比例溢流阀8的调定压力降低系统压力损失，有效提高系统能效。
54.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。