國內(nèi)液壓同步驅(qū)動回路專利技術(shù)綜述

龔國芹

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心,廣東 廣州 511363）

1 引言

隨著航天航空技術(shù)和現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)等的發(fā)展，各類金屬加工設(shè)備、冶金機(jī)械、工程機(jī)械及航天與航空驅(qū)動裝置等對高精度的同步驅(qū)動技術(shù)的需要也愈加迫切。與其他同步驅(qū)動方式相比，液壓同步驅(qū)動因其具有結(jié)構(gòu)簡單、組成方便、易于控制和適宜大功率場合等特點(diǎn)，在所有同步驅(qū)動方式中占據(jù)了非常重要的地位。

實(shí)現(xiàn)液壓同步主要有開環(huán)同步控制回路和閉環(huán)同步控制回路兩種基本形式。常用的開環(huán)同步控制回路有機(jī)械剛性同步回路、流量控制閥同步回路、串聯(lián)缸同步回路、同步缸同步回路、并聯(lián)馬達(dá)或并聯(lián)泵同步回路[1]。開環(huán)同步控制回路完全靠液壓控制元件（如同步閥、節(jié)流閥或調(diào)速閥）自身的精度來控制執(zhí)行元件的同步，而不對執(zhí)行元件的輸出進(jìn)行檢測與反饋，因此抗干擾能力較差[1]。

閉環(huán)同步控制回路通過對執(zhí)行元件的輸出進(jìn)行檢測和反饋來構(gòu)成閉環(huán)控制，在很大程度上能消除或抑制不利因素的影響，具有較高的同步精度。特別是隨著現(xiàn)代控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，該種控制形式在需要高精度液壓同步驅(qū)動的各類主機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

在控制元件上，一般通過泵控或閥控的方式實(shí)現(xiàn)，目的都是通過對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同步。泵控即通過改變泵的排量實(shí)現(xiàn)同步，閥控則通過對閥的控制對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同步，閥控方式中控制閥主要有電液伺服閥、電液比例閥、數(shù)字控制閥、節(jié)流閥、壓力補(bǔ)償閥等。

IC分類號F15B11/22為兩個或多個伺服馬達(dá)的同步，對該分類號下的專利情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果對明確液壓同步驅(qū)動回路的專利發(fā)展情況具有一定的參考意義[2]。

2 液壓同步驅(qū)動回路常見檢測參數(shù)

隨著現(xiàn)代控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，越來越多的控制方式應(yīng)用到液壓同步控制中，檢測參數(shù)也是多種多樣，有利用多個缸之間的位移差進(jìn)行同步控制，也有根據(jù)壓力、速度或到位時間等參數(shù)進(jìn)行控制。例如專利CN201922500752.5在頂升油缸15的柱塞上設(shè)置位移編碼器，位移信號傳送到控制中心，控制中心采用同步控制實(shí)現(xiàn)多個頂升油缸的同步運(yùn)動[3]。專利CN202021479497.7則根據(jù)兩個伸縮缸的有桿腔出現(xiàn)液壓差或者兩個伸縮缸21的無桿腔出現(xiàn)液壓差，通過平衡液路的連通實(shí)現(xiàn)同步伸出或縮回動作[4]。專利CN202011064563.9采集傳感器位移及壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)根據(jù)位移及壓力數(shù)據(jù)確定多個液壓油缸同時伸出/收回時，即采用多種參數(shù)的檢測手段進(jìn)行同步判斷[5]。專利CN201410319584.9液壓伺服系統(tǒng)的液壓缸反饋信號直接作用在數(shù)字液壓閥上，而不是反饋到控制器，控制器以相同的脈沖頻率給每套上述液壓伺服系統(tǒng)的指令電機(jī)發(fā)送相同數(shù)量的脈沖，實(shí)現(xiàn)同步控制[6]。專利CN202010292946.5檢測組件用于檢測動臂油缸的活塞桿是否運(yùn)動至最高位，并將檢測信號傳送至控制器，控制器用于根據(jù)檢測信號控制供油組件對回轉(zhuǎn)馬達(dá)的供油量[7]。專利CN201921665171.0通過閘門開度儀與控制系統(tǒng)電性連接，用于檢測閘門兩側(cè)的開度差并傳送至控制系統(tǒng)進(jìn)行同步控制[8]。專利CN201911257632.5實(shí)時獲取主油缸的當(dāng)前運(yùn)行速度，生成主油缸的當(dāng)前速度曲線，并將當(dāng)前速度曲線與設(shè)定速度曲線對比，以調(diào)整主油缸的當(dāng)前運(yùn)行速度，令所述主油缸按照設(shè)定速度曲線運(yùn)行[9]。專利CN201610788025.1通過主液壓缸用于接收所述可編程控制器傳送的控制參數(shù)，并依據(jù)所述控制參數(shù)控制推動執(zhí)行元件動作；從液壓缸用于根據(jù)第一液位傳感器和第二液位傳感器的液位差，執(zhí)行與所述主液壓缸推動動作相配合的從動動作，與所述主液壓缸同步推動執(zhí)行元件[10]。

3 液壓同步驅(qū)動回路同步控制手段

專利申請中涉及液壓同步驅(qū)動回路的改進(jìn)主要體現(xiàn)在閥控、泵控以及控制算法等方面。以下就各種控制手段進(jìn)行介紹和分析。

3.1 閥控和泵控

閥控和泵控方式實(shí)現(xiàn)同步屬于液壓同步領(lǐng)域常見的控制手段，泵控即通過改變泵的排量實(shí)現(xiàn)同步，閥控則通過對閥的控制對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同步。目前國內(nèi)大量的專利申請也在這兩個方面提出了新的構(gòu)思。

專利CN202011396559.2通過伺服變量泵實(shí)現(xiàn)初步同步，通過補(bǔ)油高頻響伺服閥實(shí)現(xiàn)拉伸缸高精度同步拉伸，即采用伺服變量泵+補(bǔ)油高頻響伺服閥兩種手段進(jìn)行同步控制[11]；專利CN202011309396.X采用帶閥芯位置反饋的“比例換向閥+進(jìn)口壓力補(bǔ)償器+平衡閥+壓力開關(guān)”的組合，與油缸共同形成液壓控制回路[12]；專利CN202011064563.9通過通斷電磁閥進(jìn)行同步控制；專利CN202011256902.3基于與至少兩個配重油缸呈一一對應(yīng)關(guān)系的電磁換向閥控制至少兩個配重油缸各自對應(yīng)的配重介質(zhì)狀態(tài)，基于與至少兩個配重油缸呈一一對應(yīng)關(guān)系的壓力補(bǔ)償閥調(diào)整至少兩個配重油缸各自對應(yīng)的配重介質(zhì)的流動流量，以保證至少兩個配重油缸呈同步關(guān)系[13]；專利CN202011210663.8通過調(diào)整流量調(diào)節(jié)閥2的閥芯運(yùn)動方向從而改變兩個閥芯出口的流通面積進(jìn)而進(jìn)行同步控制[14]；專利CN202021749359.6在第一伸縮油缸1的第二油路和第二伸縮油缸2的第二油路上共同通過同步閥9，并且在同步閥9的進(jìn)油端設(shè)置分流馬達(dá)10對通過同步閥9進(jìn)入第一伸縮油缸1和第二伸縮油缸2的液壓油流量進(jìn)行均勻分配，即通過“分流馬達(dá)+設(shè)計(jì)的集成閥塊”的形式進(jìn)行同步控制[15]；專利CN202021546789.8通過設(shè)置平衡閥與背壓閥，從多方面共同穩(wěn)定液壓系統(tǒng)，降低抖動情況，提高了同步精度[16]；專利CN201920879850.1在液控先導(dǎo)手柄與工作閥之間增加梭閥橋路進(jìn)行管路連接，將先導(dǎo)壓力分別連通至工作閥兩聯(lián)鏟刀升降主閥芯的相應(yīng)先導(dǎo)油口，以實(shí)現(xiàn)兩個鏟刀升降油缸的同步動作或者差動動作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鏟刀的提升、下降、左傾及右傾[17]。

可見，雖然閥控和泵控是常見的同步控制手段，但在具體的方案上卻有各種各樣的實(shí)施方式，閥的具體種類也是多種多樣的，除了常見的伺服閥、比例閥外，還可以通過壓力補(bǔ)償閥、流量調(diào)節(jié)閥、同步閥、平衡閥、背壓閥、梭閥以及特殊設(shè)計(jì)的閥塊實(shí)現(xiàn)同步。

3.2 控制算法改進(jìn)

在液壓同步控制中，也有通過控制算法的改進(jìn)提高同步控制精度，一般常采用PID算法進(jìn)行控制，例如專利CN200910190950.4根據(jù)液壓缸的實(shí)際位置值PV計(jì)算出PID設(shè)定值SP，根據(jù)SP及PV使用PID算法得到比例閥的開度設(shè)定值，比例閥閥芯按此值做移動，并引起液壓缸的運(yùn)動，從而進(jìn)行同步控制[18]。

但越來越多的同步控制回路則在傳統(tǒng)PID算法上進(jìn)行了改進(jìn)。例如專利CN201810432359.4通過建立糾偏規(guī)律的傳遞函數(shù)，通過齒輪齒條組件對隨動閥芯產(chǎn)生偏差位移，通過隨動閥芯的位移來改變一號出油口與二號出油口的閥口節(jié)流面積，進(jìn)而改變進(jìn)入一號液壓缸與二號液壓缸的流量，最終使得兩個液壓缸的位移大小相同[19]。專利CN201110419659.7運(yùn)用了HNC數(shù)字閉環(huán)控制器，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且參數(shù)化、模塊化、算法簡單好用，從而降低了調(diào)試難度[20]。專利CN201610431647.9從同步運(yùn)動控制角度出發(fā)，針對多液壓缸運(yùn)動過程中各通道間的耦合效應(yīng)，將偏差耦合控制方法引入其中，弱化各通道間的耦合關(guān)系，以獲得較好的同步穩(wěn)定性[21]。專利CN201610990223.6通過運(yùn)行中對傳感器檢測到的兩油缸當(dāng)前位置或輸出力相減，作為第三個PID控制器的給定輸入，并將該第三個PID控制器的輸出作用到每個油缸關(guān)于時間的函數(shù)的輸入上，有效提高了油缸定位同步精度或輸出力同步精度[22]。專利CN201710242463.2利用由工控機(jī)控制的兩個比例伺服閥分別控制步進(jìn)冷床的兩個橫移液壓缸，每個橫移液壓缸活塞桿的位移反饋信號的差值經(jīng)一個比例調(diào)節(jié)器處理后疊加到工控機(jī)輸出的對應(yīng)比例伺服閥的控制信號上，形成模擬閉環(huán)回路，反饋信號的差值由工控機(jī)進(jìn)行PD算法處理后疊加到下一個輸出控制量中，形成數(shù)字閉環(huán)回路，在數(shù)字閉環(huán)回路中，采用PID學(xué)習(xí)迭代算法將兩個橫移液壓缸的同步誤差調(diào)節(jié)到理想范圍之內(nèi)[23]。專利CN202011116772.3考慮了液壓缸推動水平輥時多柔度因素對系統(tǒng)的影響，將兩反饋信號進(jìn)行相加除以二，再分別與各自的反饋信號相比較，平均值大于反饋信號的數(shù)值將以負(fù)數(shù)形式反饋回伺服閥，降低相應(yīng)活塞桿位置；平均值小于反饋信號的數(shù)值將以正數(shù)形式反饋回伺服閥，升高相應(yīng)活塞桿位置，采用這種同步補(bǔ)償方式，快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)雙缸同步運(yùn)動[24]。專利CN202011406404.2提供一種多液壓缸耦合同步控制系統(tǒng)，包括多個液壓位置伺服鏈路，每個所述液壓位置伺服鏈路用于控制一個垂蕩液壓缸的動作；其中，每兩個所述液壓位置伺服鏈路耦合，以實(shí)現(xiàn)每兩個所述液壓位置伺服鏈路同步控制。該專利提供的多液壓缸耦合同步控制系統(tǒng)，通過設(shè)置多個液壓位置伺服鏈路，并使其兩兩耦合，保證了兩個垂蕩液壓缸同步控制，克服了相位滯后，提高了液壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證了多液壓缸的同步控制精度[25]。專利CN201721532975.4運(yùn)用了平衡閥、單向節(jié)流閥及液控單向閥，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定保壓和調(diào)速功能，避免了柱塞缸的有桿腔與無桿腔產(chǎn)生非線性時變；同時在Z型函數(shù)的模糊PID算法的控制下，該油路又實(shí)現(xiàn)了四柱塞缸高精度同步驅(qū)動[26]。專利CN202020326775.9通過構(gòu)建液壓爬模實(shí)驗(yàn)平臺，模擬爬模機(jī)同步頂升的實(shí)際工況，采用變頻電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、分布式控制策略，提高液壓爬模機(jī)的同步精度，延長爬模機(jī)行程，提高爬模效率，減少油液泄漏[27]。專利CN201610568846.4采用粗調(diào)和精調(diào)雙重結(jié)合，進(jìn)行閉環(huán)控制，在動作過程中能自動進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償糾差，不僅提高了調(diào)節(jié)的精準(zhǔn)度，且調(diào)節(jié)更加快速；降低了液壓系統(tǒng)啟動時的超調(diào)量和工作過渡過程中慣性的影響，增加了系統(tǒng)的可靠性[28]。

可見，目前國內(nèi)大量的液壓同步驅(qū)動回路的專利在控制算法上做出了改進(jìn)，控制算法不再局限于傳統(tǒng)的PD或PID控制方式，引入特殊函數(shù)或特殊的控制邏輯成為目前研究的新方向。

3.3 特殊回路設(shè)計(jì)及其他方式

在傳統(tǒng)同步控制手段的基礎(chǔ)上，越來越多的同步控制回路還提出了新的構(gòu)思，比如通過多種控制手段的結(jié)合、特殊的油路結(jié)構(gòu)、特殊的機(jī)械同步結(jié)構(gòu)等方式來實(shí)現(xiàn)。例如專利CN202010723654.2振動臺面通過偏心塊的轉(zhuǎn)動驅(qū)動振動，偏心塊的轉(zhuǎn)軸通過雙缸驅(qū)動齒輪齒條帶動轉(zhuǎn)動，雙缸之間通過能量交換器實(shí)現(xiàn)自反饋同步[29]。專利CN201920265214.X的儲油箱可以通過第一液壓油缸和第三液壓油缸分別向第二液壓油缸的兩個腔室內(nèi)補(bǔ)油，并通過第一液壓油缸和第三液壓油缸的同步作用自動校準(zhǔn)第二液壓油缸，避免人工補(bǔ)油校準(zhǔn)[30]。專利CN201821692819.9當(dāng)氣缸驅(qū)動時，氣缸帶動氣缸連接頭、第三鉸鏈銷向前進(jìn)，從而驅(qū)使關(guān)聯(lián)連板繞著中心軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，當(dāng)關(guān)聯(lián)連板轉(zhuǎn)動時，就能夠同時驅(qū)動第一連桿和第二連桿動作，至此，完成同步執(zhí)行的目的[31]。專利CN201821666240.5通過改變第一油缸21與第二油缸22的連接方式，并且設(shè)定第一油缸21的有桿腔和無桿腔、第二油缸22的有桿腔和無桿腔的受壓面積，來確保第一油缸21和第二油缸22同步動作[32]。專利CN201820223040.6通過多個液壓缸由同一臺液壓泵供油，再分別通過橋式整流調(diào)速器在進(jìn)油、回油時進(jìn)行節(jié)流調(diào)速，保證了不同液壓缸動作速度的一致性，實(shí)現(xiàn)各個液壓缸同步啟動、運(yùn)行和停止[33]。

4 總結(jié)

通過對液壓同步驅(qū)動回路的部分專利文獻(xiàn)進(jìn)行分析可知，越來越多的同步控制回路在傳統(tǒng)同步控制手段的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改型，比如檢測參數(shù)的改變或者控制手段的改進(jìn)。同步控制思路也是多種多樣，大多數(shù)專利文獻(xiàn)的研究方向主要在控制思路以及回路設(shè)計(jì)上?？梢?，控制算法以及特殊回路設(shè)計(jì)已成為液壓同步驅(qū)動回路的主要研究方向。