CN112196843B - 双变量电动静液作动器的智能控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双变量电动静液作动器的智能控制系统和方法。包括变量调节机构、功率驱动单元、电机、变量柱塞三口泵、单向阀、蓄能器式增压油箱、安全阀、阻尼旁通阀、作动筒和多种传感器；所需控制位移量实时产生倾角模糊控制信号和转速控制信号；倾角模糊控制信号发送三通比例减压阀，带动直轴式轴向变量柱塞三口泵的斜盘运动位置，调节工作排量；转速控制信号发送到功率驱动单元，无刷直流主驱动电机旋转，调节工作转速；直轴式轴向变量柱塞三口泵受控制后，输出流量到作动筒，带动活塞杆移动，输出到负载。本发明有效提高重载工况下电动静液作动器的工作效率，减少电机发热量，增强电动静液作动器长时间工作能力，实现平衡。

Description

双变量电动静液作动器的智能控制系统和方法

技术领域

本发明涉及电动静液作动器控制领域的一种控制系统和方法，具体涉及一种双变量电动静液作动器智能控制系统和方法。

背景技术

电动静液作动器(EHA)是一种新型伺服作动器，其具有可靠性高、集成度高、效率高、功重比大、易于安装维护等优势，代替传统的集中油源阀控作动系统，在机器人、飞行器、潜艇等移动重载场合具有广泛的应用。根据EHA的控制方式不同，现有的EHA主要分为三种类型：变排量定转速(EHA-VPFM)和定排量变转速(EHA-FPVM)和变排量变转速(EHA-VPVM)。

变排量定转速由驱动电动机提供恒定转速，由伺服阀和变量油缸组成的变量机构来改变液压泵的斜盘倾角，实现排量调节，最终使系统流量满足负载的要求。采用这种方式，使在空载或小负载运行时，电机依然保持很高的转速，造成大量能量浪费，效率不高，此外变排量机构相对复杂，会带来额外的可靠性隐患

定排量变转速定型电动静液作动器定量泵的斜盘倾角是固定的，通过调节伺服电机的转速来控制系统流量由于定量泵的排量是固定的，全靠电机满足驱动负载的需要，对电机的性能要求很高，很难同时实现效率、动态特性和功重比等性能的最优。定排量变转速型电动静液作动器的优点在于结构简单，重量较轻，但由于集成化程度较高，导致其散热较为困难，在大负载工况下，电流较大，发热状况较为严重，因此电动静液作动器无法长时间进行工作。

与其他两种形式的电动静液作动器相比，变排量变转速电动静液作动器能效更高，但在局部工况下动态响应低。因此如何实现构型创新，兼顾电动静液作动器能效与动态特性这一主要矛盾，是电静液作动器未来发展的重点与难点。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种双变量电动静液作动器智能控制系统和方法，以改善电动静液作动器在不同工况下的工作状态，实现电动静液作动器较好的动态性能与较高的能效之间的平衡。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种双变量电动静液作动器的智能控制系统：

主要由控制器、变量调节机构、功率驱动单元、无刷直流主驱动电机、直轴式轴向变量柱塞三口泵、单向阀、蓄能器式增压油箱、安全阀、阻尼旁通阀、作动筒、霍尔速度传感器、角度传感器、压力传感器、LVDT位移传感器和梭阀组成；控制器经功率驱动单元和无刷直流主驱动电机电连接，无刷直流主驱动电机的输出轴和直轴式轴向变量柱塞三口泵的输入轴同轴连接，直轴式轴向变量柱塞三口泵的进出油口分别和作动筒的有杆腔、无杆腔连接，作动筒的活塞杆和负载固接，直轴式轴向变量柱塞三口泵的C口经单向阀后分别连接到作动筒的有杆腔、无杆腔，作动筒的有杆腔和无杆腔之间连接有安全阀、阻尼旁通阀和梭阀，阻尼旁通阀的电控制端和控制器连接，梭阀的控制油口和变量调节机构连接，直轴式轴向变量柱塞三口泵中的斜盘和变量调节机构连接。

所述的变量调节机构主要由三通比例减压阀、控制活塞和蓄能器式增压油箱构成，三通比例减压阀的进油口和梭阀的控制油口连接，三通比例减压阀的回油口和控制活塞一端的活动腔一起连通到蓄能器式增压油箱，三通比例减压阀的油口输出端和控制活塞另一端的活动腔连接，三通比例减压阀的电控制端和控制器连接，控制活塞端部和直轴式轴向变量柱塞三口泵的斜盘固定连接；作动筒的活塞杆上安装有LVDT位移传感器，作动筒的有杆腔和无杆腔分别与直轴式轴向变量柱塞三口泵的进出油口之间的管路均安装有压力传感器，直轴式轴向变量柱塞三口泵的斜盘上安装有角度传感器，无刷直流主驱动电机上安装有霍尔速度传感器，霍尔速度传感器、角度传感器、压力传感器、LVDT位移传感器均电连接到控制器。

所述的单向阀包括了第一单向阀和第二单向阀，直轴式轴向变量柱塞三口泵的C口与蓄能器式增压油箱相连，同时分别经第一单向阀和第二单向阀连接到作动筒的有杆腔、无杆腔。

所述的安全阀包括第一安全阀和第二安全阀，第一安全阀和第二安全阀反向布置且并联连接在作动筒的有杆腔和无杆腔之间。

所述的压力传感器分为第一压力传感器和第二压力传感器，第一压力传感器和第二压力传感器分别设置在作动筒的无杆腔和有杆腔所在的管路上。

所述的功率驱动单元和无刷直流主驱动电机之间连接的电路上设有电流传感器，电流传感器和控制器连接。

二、一种双变量电动静液作动器的智能控制方法：

所述的控制器根据所需控制位移量实时产生倾角模糊控制信号和转速控制信号；倾角模糊控制信号发送到变量调节机构的三通比例减压阀，进而由三通比例减压阀控制控制活塞带动直轴式轴向变量柱塞三口泵的斜盘运动所需位置，进而调节直轴式轴向变量柱塞三口泵的工作排量；转速控制信号发送到功率驱动单元，进而由功率驱动单元控制无刷直流主驱动电机按照所需转速旋转，进而调节直轴式轴向变量柱塞三口泵的工作转速；直轴式轴向变量柱塞三口泵受工作转速和斜盘倾角的控制后，输出流量到作动筒，带动作动筒中的活塞杆按照所需控制位移量移动，输出到负载。

倾角模糊控制信号按照以下控制方法处理获得：

S1、LVDT位移传感器测量作动筒的活塞杆的实际位移，控制器将所需控制位移量和LVDT位移传感器测量获得的实际位移做差作为位移跟随误差；并且，第一压力传感器(14.1)和第二压力传感器(14.2)实时测量作动筒的有杆腔和无杆腔所在油路中的油压，并且做差作为外部负载压力；

S2、将外部负载压力与位移跟随误差进行模糊化处理；

S3、然后根据预定的模糊控制处理方式对于模糊化的外部负载压力与位移跟随误差进行模糊动态调整获得直轴式轴向变量柱塞三口泵所需的斜盘倾角的倾角模糊控制信号，进而调节工作排量；

S4、根据工作排量与负载的情况，处理获得无刷直流主驱动电机的转速。

所述S3具体为：

将外部负载压力的取值范围划分为P1-P7的七个范围等级，外部负载压力的值从第一个压力范围等级P1到第七个压力范围等级P7逐渐增大；

将位移跟随误差的取值范围划分为E1-E7的七个范围等级，位移跟随误差的值从第一个误差范围等级E1到第七个误差范围等级E7逐渐增大；

将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角的取值范围划分为D1-D7的七个范围等级，斜盘倾角的值从第一个倾角范围等级D1到第七个倾角范围等级D7逐渐增大；然后进行以下判断处理：

1)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第一个压力范围等级P1：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第七个倾角范围等级D7；

2)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第二个压力范围等级P2：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第二个误差范围等级E2的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第五个倾角范围等级D5；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第三个误差范围等级E3到第四个误差范围等级E4的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第六个倾角范围等级D6；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第五个误差范围等级E5到第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第七个倾角范围等级D7；

3)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第三个压力范围等级P3：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第二个误差范围等级E2的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第四个倾角范围等级D4；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第三个误差范围等级E3到第四个误差范围等级E4的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第五个倾角范围等级D5；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第五个误差范围等级E5到第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第六个倾角范围等级D6；

4)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第四个压力范围等级P4：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第二个误差范围等级E2的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第三个倾角范围等级D3；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第三个误差范围等级E3到第四个误差范围等级E4的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第四个倾角范围等级D4；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第五个误差范围等级E5到第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第五个倾角范围等级D5；

5)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第五个压力范围等级P5：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第二个误差范围等级E2的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第二个倾角范围等级D2；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第三个误差范围等级E3到第四个误差范围等级E4的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第三个倾角范围等级D3；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第五个误差范围等级E5到第六个误差范围等级E6的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第四个倾角范围等级D4；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第五个倾角范围等级D5；

6)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第六个压力范围等级P6：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第二个误差范围等级E2的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第一个倾角范围等级D1；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第三个误差范围等级E3到第六个误差范围等级E6的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第二个倾角范围等级D2；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第三个倾角范围等级D3；

7)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第七个压力范围等级P7：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第五个误差范围等级E5的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第一个倾角范围等级D1；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第六个误差范围等级E6到第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵斜盘倾角设置为第二个倾角范围等级D2。

本发明用于控制电动静液作动器在不同工况下的变量泵排量大小与电机转速大小。电动静液作动器通过梭阀得到作动筒两腔的负载压力，控制器通过外部负载压力与位移跟随误差大小判断设定液压泵的排量，并根据变量泵排量的大小与外部负载情况调节电机转速。在外部负载压力较小时，系统工作在轻载工况，双变量电动静液作动器保持最大排量以保证系统的快速响应，在外部负载压力较大时，系统工作在重载工况，双变量电动静液作动器主动降低变量泵排量以减少电机发热。

电机的转速根据排量与负载的情况进行调整，使得电机工作在高效区间。在需要保证系统流量一定的情况下，当变量泵排量减少时，电机转速提高，当变量泵排量增大时，电机转速降低。

本发明的有益效果是：

采用本发明控制系统和方法，可在保持电动静液作动器动态性能的前提下，有效提高重载工况下电动静液作动器的工作效率，减少电机发热量，增强电动静液作动器长时间工作能力，实现电动静液作动器能效与动态特性之间的平衡。

附图说明

图1是本发明双变量电动静液作动器结构组成与原理图

图2是本发明双变量电动静液作动器控制框架图。

图3是本发明双变量电动静液作动器重载工况下采用不同排量时电机的发热量对比图。

图中：控制器1、变量调节机构2、功率驱动单元3、无刷直流主驱动电机4、直轴式轴向变量柱塞三口泵5、单向阀6、蓄能器式增压油箱7、安全阀8、阻尼旁通阀9、作动筒10、电流传感器11、霍尔速度传感器12、角度传感器13、压力传感器14、LVDT位移传感器15，负载16、梭阀17、三通比例减压阀18、控制活塞19。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施过程对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，主要由控制器1、变量调节机构2、功率驱动单元3、无刷直流主驱动电机4、直轴式轴向变量柱塞三口泵5、单向阀6、蓄能器式增压油箱7、安全阀8、阻尼旁通阀9、作动筒10、霍尔速度传感器12、角度传感器13、压力传感器14、LVDT位移传感器15和梭阀17组成。

控制器1经功率驱动单元和无刷直流主驱动电机4电连接，无刷直流主驱动电机4的输出轴和直轴式轴向变量柱塞三口泵5的输入轴同轴连接，直轴式轴向变量柱塞三口泵5的进出油口(AB口)分别和作动筒10的有杆腔、无杆腔连接，作动筒10采用油缸，作动筒10的活塞杆和负载16固接，直轴式轴向变量柱塞三口泵5的C口经单向阀6后分别连接到作动筒10的有杆腔、无杆腔，作动筒10的有杆腔和无杆腔之间并联连接有安全阀8、阻尼旁通阀9和梭阀17，阻尼旁通阀9的电控制端和控制器1连接，梭阀17的控制油口和变量调节机构2连接，直轴式轴向变量柱塞三口泵5中的斜盘和变量调节机构2连接。

变量调节机构2主要由三通比例减压阀18、控制活塞19和蓄能器式增压油箱7构成，控制活塞19置于两端的活动腔之间进行分隔，三通比例减压阀18的进油口和梭阀17的控制油口连接，三通比例减压阀18的回油口和控制活塞19一端的活动腔一起连通到蓄能器式增压油箱7，三通比例减压阀18的油口输出端和控制活塞19另一端的活动腔连接，三通比例减压阀18的电控制端和控制器1连接，控制活塞19端部和直轴式轴向变量柱塞三口泵5的斜盘固定连接。

单向阀6包括了第一单向阀6.1和第二单向阀6.2，直轴式轴向变量柱塞三口泵5的C口与蓄能器式增压油箱相连，同时分别经第一单向阀6.1和第二单向阀6.2连接到作动筒10的有杆腔、无杆腔。

安全阀8包括第一安全阀8.1和第二安全阀8.2，第一安全阀8.1和第二安全阀8.2反向布置且并联连接在作动筒10的有杆腔和无杆腔之间，这样使得作动筒10的有杆腔和无杆腔的压力差始终在安全范围内。

作动筒10的活塞杆上安装有LVDT位移传感器15，LVDT位移传感器15用于测量作动筒10的活塞杆的实际位移；作动筒10的有杆腔和无杆腔分别与直轴式轴向变量柱塞三口泵5的进出油口之间的管路均安装有压力传感器14，压力传感器14用于测量作动筒10的有杆腔和无杆腔连通油路中的油压。直轴式轴向变量柱塞三口泵5的斜盘上安装有角度传感器13，角度传感器13用于测量直轴式轴向变量柱塞三口泵5的斜盘倾角，斜盘倾角代表了直轴式轴向变量柱塞三口泵5的排量，进而获得了直轴式轴向变量柱塞三口泵5的排量；无刷直流主驱动电机4上安装有霍尔速度传感器12，霍尔速度传感器12用于测量无刷直流主驱动电机4的实际转速。霍尔速度传感器12、角度传感器13、压力传感器14、LVDT位移传感器15均电连接到控制器1。

压力传感器14分为第一压力传感器14.1和第二压力传感器14.2，第一压力传感器14.1和第二压力传感器14.2分别设置在作动筒10的无杆腔和有杆腔所在的管路上。

功率驱动单元和无刷直流主驱动电机4之间连接的电路上设有电流传感器11，电流传感器11和控制器1连接，电流传感器11用于测量无刷直流主驱动电机4的输入控制电流。

无刷直流主驱动电机4采用270V双余度高速无刷直流主驱动电机。直轴式轴向变量柱塞三口泵5采用高压直轴式轴向变量柱塞三口泵。

梭阀17，设置在作动筒10的两腔之间，用来调节作动筒10两腔的负载压力。三通比例减压阀18，设置在梭阀17与控制活塞19之间，用来控制变量泵5的排量大小。

油路的工作过程是：无刷直流主驱动电机4旋转带动直轴式轴向变量柱塞三口泵5工作，经直轴式轴向变量柱塞三口泵5的泵输送向作动筒10的有杆腔送油或者无杆腔送油，向有杆腔送油时，变量柱塞三口泵5的A口出油，B,C口吸油，A口向有杆腔送油，B口吸取从无杆腔流回的油液，C口从蓄能器式增压油箱吸油；向无杆腔送油时，变量柱塞三口泵5的B,C口出油，A口进油，A口吸取从有杆腔流回来的油液，B口向无杆腔送油，C口通过第二单向阀6.2向无杆腔补油；蓄能器式增压油箱7通过两个单向阀6.1和6.2为系统进行补油，维持系统最低工作压力，防止气穴和空吸。

梭阀17选择作动筒有杆腔与无杆腔管路的高压油路作为三通比例减压阀18的进油口，三通比例减压阀18的控制油口与控制活塞的一端相连，进而调节控制活塞19的移动，带动直轴式轴向变量柱塞三口泵5中的斜盘运动，控制活塞19一端的油腔与三通比例减压阀18的回油口向蓄能器式增压油箱7回油，

双变量电动静液作动器包括：输入为外部负载压力与位移跟随误差输入的模糊控制器，用于设置双变量电动静液作动器变量泵排量，根据排量大小与负载大小情况，通过已知的经验公式设定电动机转速。

如图2所示，具体实施中，控制器1根据所需控制位移量实时产生倾角模糊控制信号和转速控制信号；

如图2所示，倾角模糊控制信号发送到变量调节机构2的三通比例减压阀18，进而由三通比例减压阀18控制控制活塞19带动直轴式轴向变量柱塞三口泵5的斜盘运动所需位置，进而调节直轴式轴向变量柱塞三口泵5的工作排量；调节过程中，通过角度传感器13实时测量直轴式轴向变量柱塞三口泵5的斜盘倾角进行闭环反馈控制，实现直轴式轴向变量柱塞三口泵5的斜盘倾角及其对应的工作排量的精准调节；

如图2所示，转速控制信号发送到功率驱动单元，进而由功率驱动单元控制无刷直流主驱动电机4按照所需转速旋转，进而调节直轴式轴向变量柱塞三口泵5的工作转速；电流传感器11实时测量功率驱动单元输入到无刷直流主驱动电机4的电流进行闭环反馈控制，同时霍尔速度传感器12实时测量无刷直流主驱动电机4的实际转速也进行闭环反馈控制，实现直轴式轴向变量柱塞三口泵5的工作转速的精准调节；

直轴式轴向变量柱塞三口泵5受工作转速和斜盘倾角的控制后，输出流量到作动筒10，带动作动筒10中的活塞杆按照所需控制位移量移动，调节有杆腔和无杆腔之间的压力，输出到负载16。

倾角模糊控制信号按照以下控制方法处理获得：

S1、LVDT位移传感器15测量作动筒10的活塞杆的实际位移，控制器1将所需控制位移量和LVDT位移传感器15测量获得的实际位移做差作为位移跟随误差；并且，第一压力传感器14.1和第二压力传感器14.2实时测量作动筒10的无杆腔和有杆腔所在油路中的油压，并且做差作为外部负载压力；

S2、控制器1中带有模糊控制器，通过模糊控制器将外部负载压力与位移跟随误差进行模糊化处理；

S3、然后根据预定的模糊控制处理方式对于模糊化的外部负载压力与位移跟随误差进行模糊动态调整获得直轴式轴向变量柱塞三口泵5所需的斜盘倾角的倾角模糊控制信号，进而调节工作排量；

将外部负载压力的取值范围平均划分为P1-P7的七个范围等级，外部负载压力的值从第一个压力范围等级P1到第七个压力范围等级P7逐渐增大；

将位移跟随误差的取值范围平均划分为E1-E7的七个范围等级，位移跟随误差的值从第一个误差范围等级E1到第七个误差范围等级E7逐渐增大；

将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角的取值范围平均划分为D1-D7的七个范围等级，斜盘倾角的值从第一个倾角范围等级D1到第七个倾角范围等级D7逐渐增大；然后进行以下判断处理：

1)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第一个压力范围等级P1：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第七个倾角范围等级D7；

2)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第二个压力范围等级P2：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第二个误差范围等级E2的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第五个倾角范围等级D5；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第三个误差范围等级E3到第四个误差范围等级E4的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第六个倾角范围等级D6；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第五个误差范围等级E5到第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第七个倾角范围等级D7；

3)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第三个压力范围等级P3：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第二个误差范围等级E2的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第四个倾角范围等级D4；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第三个误差范围等级E3到第四个误差范围等级E4的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第五个倾角范围等级D5；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第五个误差范围等级E5到第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第六个倾角范围等级D6；

4)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第四个压力范围等级P4：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第二个误差范围等级E2的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第三个倾角范围等级D3；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第三个误差范围等级E3到第四个误差范围等级E4的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第四个倾角范围等级D4；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第五个误差范围等级E5到第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第五个倾角范围等级D5；

5)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第五个压力范围等级P5：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第二个误差范围等级E2的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第二个倾角范围等级D2；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第三个误差范围等级E3到第四个误差范围等级E4的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第三个倾角范围等级D3；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第五个误差范围等级E5到第六个误差范围等级E6的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第四个倾角范围等级D4；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第五个倾角范围等级D5；

6)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第六个压力范围等级P6：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第二个误差范围等级E2的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第一个倾角范围等级D1；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第三个误差范围等级E3到第六个误差范围等级E6的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第二个倾角范围等级D2；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第三个倾角范围等级D3；

7)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第七个压力范围等级P7：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第五个误差范围等级E5的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第一个倾角范围等级D1；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第六个误差范围等级E6到第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵5斜盘倾角设置为第二个倾角范围等级D2。

S4、控制器1再根据工作排量与负载16的情况，处理获得无刷直流主驱动电机4的转速。

当负载16压力较小时，根据排量与负载的大小调整无刷直流主驱动电机4的转速，使电机工作在高效区间，保持较高的工作效率，且设定模糊控制处理方式使得直轴式轴向变量柱塞三口泵5的斜盘倾角保持在最大角度，这样双变量电动静液作动器保持在最大排量，以保持快速响应；在系统流量需要保持一定的情况下，电动机工作在较低转速；

当负载16压力较大时，根据排量与负载的大小调整无刷直流主驱动电机4的转速，使电机工作在高效区间，保持较高的工作效率，且设定模糊控制处理方式使得直轴式轴向变量柱塞三口泵5的斜盘倾角减小，这样双变量电动静液作动器主动降低排量，以减少电动机发热；在系统流量需要保持一定的情况下，电动机工作在较高转速；

当负载16压力大小居中时，根据排量与负载的大小调整无刷直流主驱动电机4的转速，使直轴式轴向变量柱塞三口泵5工作在高效区间，且设定模糊控制处理方式使得直轴式轴向变量柱塞三口泵5的斜盘倾角减小，这样双变量电动静液作动器工作在最大排量与最小排量之间；在系统流量需要保持一定的情况下，电动机工作在较高转速；

这样根据此时排量大小与负载情况，通过经验公式动态调整无刷直流主驱动电机4的转速，使得无刷直流主驱动电机4工作在高效区间。

本发明能够实现负载大时的调节排量小、负载小时的调节排量大的处理情况，在动态性能、电机发热、能效等各方面实现了均衡调节。

控制器1接收上位机(工控计算机)的输入指令以及各种反馈信号，通过相应的运算，给出变量调节机构2和主驱动电机4的控制信号，并对整个EHA系统进行故障监测和控制；电动变量单元2主要用来完成对变量柱塞三口泵5的变量控制；功率驱动单元3配合主驱动电机4完成对变量柱塞三口泵5的转速控制；变量柱塞三口泵5输出系统流量以控制作动筒10；蓄能器式增压油箱7通过两个单向阀6.1和6.2为系统进行补油，维持系统最低工作压力，防止气穴和空吸；安全阀8.1和8.2用来防止变量柱塞三口泵5和作动筒10所产生的过高压压力，阻尼旁通阀9在作动器发生故障时开启，变量柱塞三口泵5的输出流量将通过旁通阀9回到其吸油口，作动筒10不对负载产生影响，起到安全隔离故障的作用；作动筒10与机身和负载16相连，最终完成对负载16的伺服控制；梭阀17获得作动筒两端的压力的并将高压油传递到比例减压阀18的进油口，比例减压阀18与控制活塞19完成对于变量泵排量的控制。

双变量电动静液作动器系统的结构组成和工作原理如图2所示。外环为总的位置环，接收上位机的输入指令及作动筒位置反馈信号，同时接受负载压力、油液温度等监测信号，通过总体控制器，以一定的算法，给出变量泵的排量控制信号和转速控制信号，协调控制变量泵的排量和转速，达到改变系统流量，进而达到对作动器输出位移进行伺服控制的目的；同时，通过接收到的各种监测信号信息，进行处理之后对系统工作状况进行判断，在出现故障时发出阻尼旁通阀切换控制指令，隔离作动器，起安全保护作用。

如图1所示，通过梭阀得作动筒两腔的压力，三通比例减压阀输出稳定的压力供给变量活塞，从而改变变量泵的排量。当该双变量电动静液作动器工作在高动态响应状态时，三通比例减压阀不工作，此时变量泵的斜盘保持在最大倾角。当双变量电动静液作动器需要工作在稳定工作状态时，可以通过三通比例减压阀提供压力控制作用在变量活塞上的压力，使得变量泵的斜盘倾角降低，降低变量泵的排量，增加电机转速，降低负载扭矩，可以提高电机工作在高效区间并且大大减少电机发热。

如图3所示，电机工作在重载工况且作动筒速度保持在10mm/s时，当变量泵保持在100％排量时，5s后电动静液作动器电机绕组发热量可达1200J以上；变量泵排量减少至60％排量，5s后电机绕组排量下降为480J左右；变量泵排量减少至40％排量，5s后电机绕组排量下降为300J左右；变量泵排量减少为若变量泵减少至20％排量时，5s后电机绕组发热量仅为160J以下。在重载工况下，双变量电动静液作动器在满足执行速度的前提下，通过合理降低变量泵排量可以有效降低电机发热量，提高双变量电动静液作动器系统能效。

具体实施使用模糊控制方法来对于变量泵的排量进行控制，模糊控制器选择是将位移跟随误差与负载压力作为输入变量。首先，模糊控制器将输入变量模糊化。然后，运用模糊控制处理方式对模糊化的输入变量进行模糊推理，从而获得类似于主动控制的效果。进一步地，根据模糊推理获得变量泵所需斜盘倾角大小来控制三通比例减压阀。由于三通比例减压阀的控制信号是电流，因此，模糊控制器的输出是对电流的控制。

在一个可选实施方式中，双变量电动静液作动器根据负载的大小设定不同的模糊控制处理，在一个可选实施方式中，当负载较小时，保持双变量电动静液作动器工作在最大排量，设定模糊控制处理方式使得此时变量泵斜盘倾角保持最大；当负载较大时候，双变量电动静液作动器工作在较小排量状态，设定模糊控制处理方式使得此时变量泵排量倾角保持在较小状态。

在一个可选实施方式中，电机转速依据负载压力大小与排量大小的进行处理，选择最佳的电机转速，使得电机工作在高效区间，减少发热。在需要保证系统流量一定的情况下，排量越小，电动机转速越高；排量越大，电动机转速越低。

接下来，详细说明不同工况下模糊控制器的控制过程和原理。

当负载较小时，双变量电动静液作动器工作在较大排量状态，此时电机的发热量不大，此时需要主要考虑电动静液作动器的动态性能，则模糊控制处理方式的设定为：

When P＝P1

and if E＝E1-E7 then D＝D7

When P＝P2

and if E1-E2 then D＝D5

and if E3-E4 then D＝D6

and if E5-E7 then D＝D7

此时，外部负载压力(P)较小，选择输出较大变量泵倾角(D5-D7)，且随着位移跟随误差的(E)增大,设置的斜盘倾角也增大，在外部负载为P1范围内时，设定的斜盘倾角保持在最大。

如下表1中所示，当P＝P1时，如果E＝E1-E7，则D＝D7。当P＝P2时，如果E＝E1-E2，则D＝D5，如果E＝E3-E4，则D＝D6，如果E＝E5-E7，则D＝D7

当外部负载较大时，为了减少电机的发热量，双变量电动静液作动器降低排量，设定的斜盘倾角保持在较小状态，保证电动静液作动器的稳态性能，此时设置的模糊控制处理方式为：

When P＝P7

and if E＝E1-E5，then D＝D1

and if E＝E6-E7，then D＝D2

when P＝P6

and if E＝E1-E2，then D＝D1

and if E＝E3-E6，then D＝D2

and if E＝E7，then D＝D3

此时，外部负载压力(P)较大，选择输出较小的变量泵斜盘倾角(D1-D3)，且当位移跟随误差增大时，设置的斜盘倾角也增大。

如下表1中所示，当P＝P6，如果E＝E1-E2，则D＝D1，如果E＝E3-E6，则D＝D2，如果E＝E7，则D＝D3；当P＝P7，如果E＝E1-E5，则D＝D1，如果E＝E6-E7，则D＝D2。

当外部负载居中时，双变量电动静液作动器需要兼顾动态响应特性与电机发热量，因此在双变量EHA需要动态特性要求较高的场合，选择较大的排量，设置较大斜盘倾角，在双变量动态特性要求较低的情况下，选择较低的排量，设置较小斜盘倾角。

此时选择的模糊控制处理方式是：

When P＝P3

and if E＝E1-E2，then D＝D4

and if E＝E3-E4，then D＝D5

and if E＝E5-E7，then D＝D6

when P＝P4

and if E＝E1-E2，then D＝D3

and if E＝E3-E4，then D＝D4

and if E＝E5-E7，then D＝D5

when P＝P5

and if E＝E1-E2，then D＝D2

and if E＝E3-E4，then D＝D3

and if E＝E5-E6，then D＝D4

and if E＝E7，then D＝D5

此时，外部负载压力P的大小为居中，此时需要根据位移跟随误差E来设定斜盘倾角D的大小，当位移跟随误差E较大，选择较大的排量，设定较大的斜盘倾角，当位移跟随误差较小时，选择较小的排量，设定较小的斜盘倾角。

如下表1所示，当P＝P3时，如果E＝E1-E2，则D＝D4，如果E＝E3-E4，则D＝D5，如果E＝E5-E7，则D＝D6；当P＝P4时，如果E＝E1-E2，则D＝D3，如果E＝E3-E4，则D＝D4，如果E＝E5-E7，则D＝D6；当P＝P5时，如果E＝E1-E2，则D＝D2，如果E＝E3-E4，则D＝D3，如果E＝E5-E6，则D＝D4，当E＝E7，则D＝D5。

在模糊控制表中，从左到右，从上到下，设定变量泵斜盘倾角趋于逐渐减小的状态。模糊控制的输入变量与输出变量的隶属函数均选用高斯分布函数。

在设定了变量泵的斜盘倾角之后，变量泵的排量得到确定，电动机转速将根据当前排量与负载压力通过经验公式处理得到，使得电机工作在高效区间。在排量较大时候可以降低电机的目标转速变化，在排量较小的时候可以增加电机转速，降低负载扭矩，进一步提高电机效率并减少由电机产生的热量。

由于系统的流量是由变量泵的排量与电动机转速的乘积得到，因此，若需保证系统的流量保持一定，当变量泵排量增大时，需要减小电机转速；当变量泵排量减小时，需要提高电机转速。

在本公开中，一种双变量电动静液作动器利用外部负载压力与位移跟随误差设计模糊控制器设定变量泵排量与电机转速的控制方法，只需提供电动静液作动器系统的外部负载压力与位移跟随误差即可控制电动静液作动器的排量与转速。

利用该控制方法，当外部负载压力较大时，双变量电动静液作动器工作在重载工况下，双变量电动静液作动器主动降低排量，有效提高了双变量电动静液作动器的工作能效，大大减少电机发热。在外部负载压力较小时，双变量电动静液作动器保持最大排量以保证快速响应。双变量电动静液作动器在面对不同工况时候可以动态的调整工作状态，可以在保证系统动态响应性能的同时大大减少电机发热，提高能源利用率，实现双变量电动静液作动器高动态性能与高能效之间的平衡。

Claims (2)

1.一种双变量电动静液作动器的智能控制方法，其特征在于：方法采用以下控制系统，主要由控制器(1)、变量调节机构(2)、功率驱动单元(3)、无刷直流主驱动电机(4)、直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)、单向阀(6)、蓄能器式增压油箱(7)、安全阀(8)、阻尼旁通阀(9)、作动筒(10)、霍尔速度传感器(12)、角度传感器(13)、压力传感器(14)、LVDT位移传感器(15)和梭阀(17)组成；控制器(1)经功率驱动单元和无刷直流主驱动电机(4)电连接，无刷直流主驱动电机(4)的输出轴和直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)的输入轴同轴连接，直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)的进出油口分别和作动筒(10)的有杆腔、无杆腔连接，作动筒(10)的活塞杆和负载(16)固接，直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)的C口经单向阀(6)后分别连接到作动筒(10)的有杆腔、无杆腔，作动筒(10)的有杆腔和无杆腔之间连接有安全阀(8)、阻尼旁通阀(9)和梭阀(17)，阻尼旁通阀(9)的电控制端和控制器(1)连接，梭阀(17)的控制油口和变量调节机构(2)连接，直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)中的斜盘和变量调节机构(2)连接；

所述的变量调节机构(2)主要由三通比例减压阀(18)、控制活塞(19)和蓄能器式增压油箱(7)构成，三通比例减压阀(18)的进油口和梭阀(17)的控制油口连接，三通比例减压阀(18)的回油口和控制活塞(19)一端的活动腔一起连通到蓄能器式增压油箱(7)，三通比例减压阀(18)的油口输出端和控制活塞(19)另一端的活动腔连接，三通比例减压阀(18)的电控制端和控制器(1)连接，控制活塞(19)端部和直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)的斜盘固定连接；作动筒(10)的活塞杆上安装有LVDT位移传感器(15)，作动筒(10)的有杆腔和无杆腔分别与直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)的进出油口之间的管路均安装有压力传感器(14)，直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)的斜盘上安装有角度传感器(13)，无刷直流主驱动电机(4)上安装有霍尔速度传感器(12)，霍尔速度传感器(12)、角度传感器(13)、压力传感器(14)、LVDT位移传感器(15)均电连接到控制器(1)；

所述的控制器(1)根据所需控制位移量实时产生倾角模糊控制信号和转速控制信号；倾角模糊控制信号发送到变量调节机构(2)的三通比例减压阀(18)，进而由三通比例减压阀(18)控制控制活塞(19)带动直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)的斜盘运动所需位置，进而调节直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)的工作排量；转速控制信号发送到功率驱动单元，进而由功率驱动单元控制无刷直流主驱动电机(4)按照所需转速旋转，进而调节直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)的工作转速；直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)受工作转速和斜盘倾角的控制后，输出流量到作动筒(10)，带动作动筒(10)中的活塞杆按照所需控制位移量移动，输出到负载(16)；

倾角模糊控制信号按照以下控制方法处理获得：

S1、LVDT位移传感器(15)测量作动筒(10)的活塞杆的实际位移，控制器(1)将所需控制位移量和LVDT位移传感器(15)测量获得的实际位移做差作为位移跟随误差；并且，第一压力传感器(14.1)和第二压力传感器(14.2)实时测量作动筒(10)的无杆腔和有杆腔所在油路中的油压，并且做差作为外部负载压力；

S2、将外部负载压力与位移跟随误差进行模糊化处理；

S3、然后根据预定的模糊控制处理方式对于模糊化的外部负载压力与位移跟随误差进行模糊动态调整获得直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)所需的斜盘倾角的倾角模糊控制信号，进而调节工作排量；

S4、根据工作排量与负载(16)的情况，处理获得无刷直流主驱动电机(4)的转速。

2.根据权利要求1所述的一种双变量电动静液作动器的智能控制方法，其特征在于：

所述S3具体为：

将外部负载压力的取值范围划分为P1-P7的七个范围等级，外部负载压力的值从第一个压力范围等级P1到第七个压力范围等级P7逐渐增大；

将位移跟随误差的取值范围划分为E1-E7的七个范围等级，位移跟随误差的值从第一个误差范围等级E1到第七个误差范围等级E7逐渐增大；

将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角的取值范围划分为D1-D7的七个范围等级，斜盘倾角的值从第一个倾角范围等级D1到第七个倾角范围等级D7逐渐增大；然后进行以下判断处理：

1)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第一个压力范围等级P1：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第七个倾角范围等级D7；

2)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第二个压力范围等级P2：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第二个误差范围等级E2的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第五个倾角范围等级D5；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第三个误差范围等级E3到第四个误差范围等级E4的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第六个倾角范围等级D6；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第五个误差范围等级E5到第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第七个倾角范围等级D7；

3)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第三个压力范围等级P3：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第二个误差范围等级E2的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第四个倾角范围等级D4；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第三个误差范围等级E3到第四个误差范围等级E4的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第五个倾角范围等级D5；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第五个误差范围等级E5到第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第六个倾角范围等级D6；

4)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第四个压力范围等级P4：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第二个误差范围等级E2的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第三个倾角范围等级D3；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第三个误差范围等级E3到第四个误差范围等级E4的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第四个倾角范围等级D4；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第五个误差范围等级E5到第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第五个倾角范围等级D5；

5)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第五个压力范围等级P5：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第二个误差范围等级E2的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第二个倾角范围等级D2；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第三个误差范围等级E3到第四个误差范围等级E4的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第三个倾角范围等级D3；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第五个误差范围等级E5到第六个误差范围等级E6的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第四个倾角范围等级D4；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第五个倾角范围等级D5；

6)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第六个压力范围等级P6：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第二个误差范围等级E2的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第一个倾角范围等级D1；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第三个误差范围等级E3到第六个误差范围等级E6的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第二个倾角范围等级D2；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第三个倾角范围等级D3；

7)若当前实时测量获得的外部负载压力P在第七个压力范围等级P7：

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第一个误差范围等级E1到第五个误差范围等级E5的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第一个倾角范围等级D1；

若当前实时测量获得的位移跟随误差E在第六个误差范围等级E6到第七个误差范围等级E7的范围内，则将直轴式轴向变量柱塞三口泵(5)斜盘倾角设置为第二个倾角范围等级D2。

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