利用变量泵实现压力切断功能的液压系统

技术领域

本申请涉及一种液压系统，尤其是工程设备的液压系统，具有系统压力主动切断功能。

背景技术

在液压系统中，尤其是工程设备的液压系统中，经常采用液压泵驱动执行元件。液压泵的输出端通常配备溢流阀。当系统压力升高达到并超过溢流阀的开启压力时，溢流阀打开，以将系统压力降低，由此提供系统安全性。这种防止系统压力过高的功能通常称作压力切断功能。

目前，在工程设备的液压系统中采用变量泵的情况越来越多。可以通过控制变量泵的控制电流来调节变量泵的排量，因此就能够通过减小变量泵的排量来降低泵的输出压力，从而通过主动控制实现系统压力切断，而不必借助溢流阀。利用变量泵在闭式或开始液压系统中实现压力切断的方案具有诸多优点。首先，避免了液压油通过溢流阀流入回油管路而造成能量损失。此外，在有些应用场合，需要限制液压系统输出的力或者力矩。利用变量泵，可以通过限制液压系统里的压力实现限制液压系统提供的力或者力矩。

但是，在利用变量泵实现压力切断的现有技术中，往往会遇到以下问题：(1)压力切断响应快，容易造成系统压力震荡；(2)如果保证压力切断时系统压力稳定，则压力切断响应慢。

发明内容

本申请的一个目的在于提供一种用于液压系统的控制方案，其中能够在采用变量泵实现压力切断的方案中同时兼顾压力切断响应速度和系统稳定性。

为了实现该目的，本申请在一个方面提供了一种用于液压系统的控制单元，所述液压系统包括：

动力源；

由动力源驱动的泵，所述泵为变量泵；

由泵供应液压油的执行元件；

压力传感器，配置成检测液压系统的实际系统压力；

动作指令输入元件，配置成能够输入期望的执行元件动作；以及

控制单元，其存储有预先构建的仿溢流阀特性，所述仿溢流阀特性表征压力阈值与泵输出量差值之间的对应关系；

其中，所述控制单元配置成：

获取由压力传感器检测的实际系统压力和由动作指令输入元件输入的动作指令；

获取所述动作指令确定泵对应的需求排量；

基于所述需求排量与泵的当前输出排量确定泵输出量差值、并且基于确定出的泵输出量差值由所述仿溢流阀特性查取压力阈值；

基于所述实际系统压力和查取的压力阈值降低所述需求排量，由此确定泵输出排量；

控制所述泵以确定的泵输出排量操作。

在一种实施方式中，所述泵输出量差值为泵输出排量差值，所述仿溢流阀特性表征压力阈值与泵输出排量差值之间的对应关系，其中压力阈值与泵输出排量差值之间正相关。

在一种实施方式中，所述仿溢流阀特性表征压力阈值与泵输出排量差值之间的对应关系，其中压力阈值与泵输出排量差值之间呈线性关系或二次曲线关系。

在一种实施方式中，所述控制单元配置成基于所述需求排量和所述确定的泵输出排量确定泵输出排量差值，并且基于确定出的泵输出排量差值由所述仿溢流阀特性查取压力阈值。

在一种实施方式中，所述控制单元配置成还获取泵实际排量，基于所述需求排量和所述泵实际排量确定泵输出排量差值，并且基于确定出的泵输出排量差值由所述仿溢流阀特性查取压力阈值。

在一种实施方式中，所述泵输出量差值为泵输出流量差值，所述仿溢流阀特性表征压力阈值与泵输出流量差值之间的对应关系，其中压力阈值与泵输出流量差值之间正相关。

在一种实施方式中，所述仿溢流阀特性表征压力阈值与泵输出流量差值之间的对应关系，其中压力阈值与泵输出流量差值之间呈线性关系或二次曲线关系。

在一种实施方式中，所述控制单元配置成还获取动力源转速，并且基于所述需求排量和所述动力源转速确定需求流量，基于所述确定的泵输出排量和所述动力源转速确定泵输出流量，基于所述需求流量和所述泵输出流量确定泵输出流量差值，并且基于确定出的泵输出流量差值由所述仿溢流阀特性查取压力阈值。

在一种实施方式中，所述控制单元配置成还获取动力源转速和泵实际排量，并且基于所述需求排量和所述动力源转速确定需求流量，基于所述泵实际排量和所述动力源转速确定泵实际流量，基于所述需求流量和所述泵实际流量确定泵输出流量差值，并且基于确定出的泵输出流量差值由所述仿溢流阀特性查取压力阈值。

在一种实施方式中，所述控制单元配置成通过PID反馈控制确定泵输出排量，其中所述实际系统压力和查取的压力阈值之间的差值作为PID反馈控制中的负反馈项。

在一种实施方式中，所述泵为电比例泵，所述控制单元配置成通过控制控制所述泵的控制电流而使得所述泵以确定的泵输出排量操作。

本申请在另一方面提供了一种液压系统，其包括动力源、泵、执行元件、压力传感器、动作指令输入元件以及本申请的控制单元。

根据本申请的液压系统控制方案，通过简单的逻辑改善了用变量泵实现压力切断时容易产生的问题，同时兼顾了压力切断响应速度和系统稳定性。

附图说明

通过参照附图阅读下面的详细描述，可进一步理解本申请，在附图中：

图1是根据本申请的一种示例性液压系统的液路图；

图2是示例性溢流阀特性曲线；

图3、图4是本申请中构建的两种示例性仿溢流阀特性曲线；

图5是本申请的液压系统的控制逻辑的示意性框图；

图6是本申请的液压系统的一种示例性控制方案的流程图。

具体实施方式

本申请总体上涉及一种液压系统，其适用于各种工程设备，诸如挖掘机、旋压钻机、高空作业平台等。图1中示出了本申请的液压系统的一种示例性结构。该液压系统包括由动力源(例如发动机、电机等)1驱动的变量泵2，尤其是电比例泵。泵2通过主阀3向执行元件4供应液压油。在图1所示的例子中，执行元件4为液压马达的形式，但也可以是液压缸等。此外，在图1所示的例子中，液压系统为开式系统，即泵2由油箱5抽取液压油并且向执行元件4供应，液压油在做功后返回油箱5；然而，液压系统也可以是闭式系统，其中泵2的输入、输出端口与执行元件4的输出、输入端口连接，使得液压油在泵2与执行元件4之间循环。下文中仅参照图1中的开式液压系统进行描述，但本申请同样适用于闭式液压系统。

泵2为变量泵，其排量定义为每转一周排出的液压油体积。排量由泵2中的变量机构(例如斜盘)调节而在0％排量与100％排量之间变化。本申请中泵2优选采用电比例泵的形式，通过控制施加到它的控制电流的大小决定泵2的排量。

所述液压系统设有压力传感器6，用于检测液压系统中的系统压力。压力传感器6可以设置在泵2的输出端口附近。

所述液压系统还包括动作指令输入元件7和控制单元8。动作指令输入元件7配置为由工程设备操作人员操控而输入动作指令。控制单元8能够接收来自指令输入元件7的动作指令，并且能够基于动作指令控制动力源1、泵2、主阀3的操作，还能够获取压力传感器6的检测值、以及动力源1和泵2的运转参数。

本申请的控制单元配置成能够通过对泵2实施控制而实现对液压系统压力切断功能，该压力切断功能是通过在软件中添加一个仿溢流阀功能而实现的，因此液压系统中可以不在泵2的输出侧设置溢流阀。

首先考察溢流阀开启特性。图2中示出了一种常规的可调型溢流阀特性曲线，图中横轴表示溢流阀流量Q，纵轴表示溢流压力P。图中各条曲线为对应于溢流阀不同开启压力的溢流阀特性曲线。每条曲线与纵轴的交点为相应的溢流阀开启压力。溢流阀的开启压力可被调节。对于每个开启压力，在系统压力(溢流阀开口侧的压力)低于溢流阀的开启压力时，溢流阀保持关闭。当系统压力达到溢流阀的开启压力后，溢流阀开启。在溢流阀开启状态下，溢流压力P与溢流阀流量Q正相关，即溢流压力P增大则溢流阀流量Q增大，二者关系通常呈曲线(非直线)形式。对于在泵输出侧采用溢流阀的液压系统来说，溢流阀的开启压力即为液压系统的切断压力。

本申请基于图2中的常规溢流阀特性曲线构建一种仿溢流阀特性。该仿溢流阀特性体现本申请的液压系统的切断压力与泵2的输出能力之间的对应关系。泵2的输出能力可以用其排量或流量表示。泵2的排量乘以转速(rpm)即为其流量。

本申请构建的仿溢流阀特性可以由溢流压力-泵排量关系表达，也可以由溢流压力-泵流量关系表达。

图3示出了本申请构建的由溢流压力-泵排量关系表达的仿溢流阀特性曲线，图中横轴表示泵2的排量差值Vg

图4示出了本申请构建的由溢流压力-泵流量关系表达的仿溢流阀特性曲线，图中横轴表示泵2的流量差值Q

需要指出，本领域技术人员也可以构建其它形式的仿溢流阀特性，只要能够体现类似于液压系统中为防止系统压力过高而设置的溢流阀即可。不论具体形式如何，本申请的仿溢流阀特性都要能够体现液压系统的压力阈值与泵输出量差值之间的对应关系，压力阈值中包含一个设定的仿开启压力。在系统压力低于仿开启压力时，泵输出量差值为0；在系统压力达到并超过仿开启压力时，泵输出量差值从0开始逐渐增大，并且泵输出量差值与压力阈值之间正相关。泵输出量差值与压力阈值之间的相关可以用一次曲线(直线)或二次甚至更多次曲线的形式表达。

尽管图3、图4中示意性表示了仿溢流阀特性曲线，但可以理解，本申请中构建的泵输出量差值与压力阈值之间关系实际上是以函数、查表等形式存储在控制单元8的控制程序中的。

此外，本申请中的仿溢流阀特性是在控制程序中人为构建的仿开启压力与泵输出量之间的关系，并不需要与实际的溢流阀物理特性真正对应。

控制单元8执行的系统压力阶段功能的控制逻辑在图5中示例性展示。控制单元8接收来自指令输入元件7的动作指令以及压力传感器6的检测信号、即系统实际压力P

控制单元8中设置一个压力切断模块，该压力切断模块中存储有预先设定的仿溢流阀特性，并且可以执行总体上可以如图6中的流程图所示的系统压力切断功能。需要指出，在具体实施中，根据控制单元8采集的信号不同，控制单元8可以以各种具体方式来控制泵2的排量实现压力切断功能。下面介绍几种控制流程的几种具体实施方式。

在控制流程的第一种实施方式中，控制单元8仅基于系统实际压力P

如图6所示，在步骤S1，控制单元8启动压力切断功能。

接下来，在步骤S2，压力切断模块待机，等待来自指令输入元件7的执行需求信号(动作指令，代表需求的执行元件动作)。

接下来，在步骤S3，压力切断模块确定是否接收到来自指令输入元件7的执行需求信号。如果判断结果为是，流程转到步骤S4；如果判断结果为否，流程返回步骤S2。

在步骤S4，压力切断模块确定执行需求信号对应的泵2的需求排量Vg

接下来，在步骤S5，压力切断模块计算所述需求排量Vg

接下来，在步骤S6，压力切断模块基于步骤S5中计算出的Vg

接下来，在步骤S7，压力切断模块采集系统实际压力P

Vg

其中，函数f体现P

压力切断模块可以采用PID反馈控制或其它压力切断方式实现对输出排量的修正。对于PID反馈控制，ΔP作为控制中的负反馈项。其它压力切断方式可以包括例如US2013000292A1的说明书0043段中披露的方式)。又如，可以设置一个与ΔP成正比的压力递减量ΔV，Vg

步骤S7中确定的输出排量Vg

接下来，在步骤S8，控制单元8控制泵2的排量达到步骤S7中确定的输出排量Vg

在控制流程的第二种实施方式中，控制单元8基于系统实际压力P

如图6所示，在步骤S1，控制单元8启动压力切断功能。

接下来，在步骤S2，压力切断模块待机，等待来自指令输入元件7的执行需求信号。

接下来，在步骤S3，压力切断模块确定是否接收到来自指令输入元件7的执行需求信号。如果判断结果为是，流程转到步骤S4；如果判断结果为否，流程返回步骤S2。

在步骤S4，压力切断模块确定执行需求信号对应的泵2的需求排量Vg

接下来，在步骤S5，压力切断模块计算需求流量Q

Q

Q

Q

其中k为动力源2与泵1之间的传动比。

接下来，在步骤S6，压力切断模块基于步骤S5中计算出的Q

接下来，在步骤S7，压力切断模块采集系统实际压力P

Vg

其中，函数f体现P

接下来，在步骤S8，控制单元8控制泵2的排量达到步骤S7中确定的输出排量Vg

在控制流程的第三种实施方式中，控制单元8基于系统实际压力P

如图6所示，在步骤S1，控制单元8启动压力切断功能。

接下来，在步骤S2，压力切断模块待机，等待来自指令输入元件7的执行需求信号。

接下来，在步骤S3，压力切断模块确定是否接收到来自指令输入元件7的执行需求信号。如果判断结果为是，流程转到步骤S4；如果判断结果为否，流程返回步骤S2。

在步骤S4，压力切断模块确定执行需求信号对应的泵2的需求排量Vg

接下来，在步骤S5，压力切断模块计算所述需求排量Vg

接下来，在步骤S6，压力切断模块基于步骤S5中计算出的Vg

接下来，在步骤S7，压力切断模块采集系统实际压力P

Vg

其中，函数f体现P

接下来，在步骤S8，控制单元8控制泵2的排量达到步骤S7中确定的输出排量Vg

在控制流程的第四种实施方式中，控制单元8基于系统实际压力P

如图6所示，在步骤S1，控制单元8启动压力切断功能。

接下来，在步骤S2，压力切断模块待机，等待来自指令输入元件7的执行需求信号。

接下来，在步骤S3，压力切断模块确定是否接收到来自指令输入元件7的执行需求信号。如果判断结果为是，流程转到步骤S4；如果判断结果为否，流程返回步骤S2。

在步骤S4，压力切断模块确定执行需求信号对应的泵2的需求排量Vg

接下来，在步骤S5，压力切断模块计算需求流量Q

Q

Q

Q

其中k为动力源2与泵1之间的传动比。

接下来，在步骤S6，压力切断模块基于步骤S5中计算出的Q

接下来，在步骤S7，压力切断模块采集系统实际压力P

Vg

其中，函数f体现P

接下来，在步骤S8，控制单元8控制泵2的排量达到步骤S7中确定的输出排量Vg

本领域技术人员在本申请的系统压力切断原理下，可以针对具体应用对相应的流程做出各种适应性修改。

本申请的控制单元中的压力切断模块与其它功能模块并行操作，通过引入仿溢流阀特性实现了对系统压力的限制，避免系统压力超出安全限制，而不需要通过实际的溢流阀实现。

本申请还包含一种液压系统，其大体上如前面所描述，包括前述动力源、泵、执行元件、压力传感器、动作指令输入元件、控制单元等。

本申请的控制方案中，对可能导致系统压力超出仿溢流压力的需求排量，减掉一个修正值来设置泵的输出排量。修正值取决于通过预设的仿溢流阀特性查取的对应压力阈值，根据泵输出量差值(减小值)设定压力阈值。这样，可以确保系统压力维持在不超出设定的压力阈值(压力切断值)。

本申请的控制方案是一种闭环控制方案，通过简单的逻辑改善了用变量泵实现压力切断时容易产生的问题，同时兼顾了压力切断响应速度和系统稳定性。因此，在确保压力切断响应较快的同时，避免系统压力在某个设定值周围来回摆动，泵的排量能够保持稳定，这有助于保持工程设备的动作稳定。此外，在需要限制液压系统提供的力或者力矩的应用场合，能够避免液压系统提供的力或者力矩长时间超过设定值，由此避免机械结构的损坏或者一些平衡被破坏，提高了整个工程设备的安全性。

虽然这里参考具体的实施方式描述了本申请，但是本申请的范围并不局限于所示的细节。在不偏离本申请的基本原理的情况下，可针对这些细节做出各种修改。