一種內閉環伺服液壓馬達及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及液壓控制技術，具體說是一種內閉環的伺服液壓馬達和一種簡單方便的液壓馬達控制方法。
【背景技術】
[0002]液壓馬達伺服系統是工程上常用的伺服控制系統，它具有響應速度快、功率/重量比大、負載剛性高和性能價格比高等特點，能實現高精度、高速度和大功率的控制，因此在航空航天、冶金、船舶、機床、動力設備和煤礦機械等工業領域得到了廣泛采用。
[0003]液壓馬達伺服系統的基本類型目前主要有泵控(容積控制)和閥控(節流控制)系統兩種。前者通過電液伺服閥控制變量泵斜盤變量機構實現控制進入液壓馬達的流量，實現液壓馬達的速度和位置控制；后者則采用伺服閥或比例閥直接控制進入液壓馬達的流量，實現液壓馬達的控制。但是，無論是泵控還是閥控，其基本原理是通過控制閥的開度控制流量，而控制信號的調節必須由控制器完成。即控制器接收指令信號，把其與傳感器反饋的信號進行控制運算，根據反饋信號與指令信號的接近程度調節伺服閥的輸入，從而控制液壓馬達的速度、位置和方向。
[0004]液壓馬達伺服控制系統最關鍵的環節為控制器，要把指令信號與反饋信號通過一定的控制算法(PID或其它算法)處理后控制電液伺服閥，因為控制算法必須從事自動控制的人員才能掌握，許多從事液壓的技術人員并不具備自動控制的知識。在搭建液壓系統的同時還要構件一套自動控制系統，開發控制程序，因此，一套液壓馬達伺服控制系統必須由既懂液壓又懂控制的專業人員開發，一般用戶很難自行開發液壓馬達伺服控制系統，使得液壓馬達伺服控制系統的開發周期長、成本高，從而嚴重制約了其應用。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是從另一條思路解決該問題，提供一種能夠省略電子控制系統的內閉環伺服液壓馬達。
[0006]所述內閉環伺服液壓馬達，其特征在于:包括液壓馬達(7)、復用配油軸(5)、配油套(4)和控制電機⑴；
[0007]所述液壓馬達(7)的轉軸⑶通過十字接頭(6)連接圓柱形的復用配油軸(5)，所述復用配油軸嵌套于配油套(4)內；
[0008]所述復用配油軸(5)既作為液壓馬達的配油軸又是液壓閥的閥體，其中心開設有柱形的空腔，空腔的內壁垂直于軸向開設有環形槽，空腔內設有閥芯(3)，所述閥芯(3)的凸沿寬度與所述復用配油軸(5)內環形槽的寬度相適應，所述環形槽與閥芯(3)構成三位四通閥，所述配油套(4)內開設有由所述環形槽與所述復用配油軸構成的配油盤，以及連通到外壁的油路；
[0009]所述閥芯的一端與所述復用配油軸(5)螺紋連接，閥芯的另一端通過轉換器(2)與控制電機⑴的輸出轉軸連接。
[0010]進一步地，所述配油套(4)在其外壁的油路開口分別為連接壓力油路的P 口、連接回油油路的T 口、連接負載油路的A 口和B 口，油路接口對應所述環形槽的位置分配為:設有5道環形槽，中間環形槽對應P 口油路，兩端環形槽對應連通T 口油路，T 口與P 口對應的環形槽t和環形槽P之間分別為A 口和B 口對應的環形槽a和環形槽b，所述閥芯設有兩道凸沿，使所述閥芯與所述復用配油軸構成一個三位四通換向閥。
[0011]所述液壓馬達為曲軸連桿式徑向柱塞液壓馬達，也可為柱塞式液壓馬達、葉片式液壓馬達、齒輪式液壓馬達、螺桿式液壓馬達、擺線式液壓馬達等液壓馬達。
[0012]一種實施例為，所述液壓馬達(7)使用曲軸連桿式徑向柱塞液壓馬達，所述配油套(4)的A 口或B 口設有相互連通的多個，數量與液壓馬達的正向油缸接口相配且——對應連通，配油套(4)的B 口或A 口設有相互連通的多個，數量與液壓馬達的反向油缸接口相配且一一對應連通，所述配油套的A 口和B 口連通到配油套的內壁對應復用配油軸的環形槽a和環形槽b的環形位置上均勻分布，使所述復用配油軸的a 口和b 口在旋轉過程中對應切換配油套的A 口或B 口。。
[0013]進一步地，所述控制電機為步進電機。
[0014]一種如上所述的內閉環伺服液壓馬達的控制方法，在準備狀態下，所述閥芯(3)的兩道凸沿(11)分別對位所述復用配油軸(5)的環形槽a和環形槽b，使各口油路均不連通，配油套(4)的A 口與B 口分別連接所述液壓馬達(7)的油路輸入與輸出口 ；
[0015]操作所述控制電機(I)令其輸出軸通過所述轉換器(2)帶動所述閥芯(3)按照指定速度和方向旋轉，所述閥芯與所述轉換器和螺紋副配合產生預定方向的正軸向移動，使P口與A 口或B 口之一開始連通，液壓馬達驅動所述轉軸(8)旋轉并帶動所述十字接頭(6)和所述復用配油軸(5)同步旋轉，設定配油套的A 口和B 口與液壓馬達的輸入輸出口的連接，使所述十字接頭(6)的旋轉對所述閥芯產生負軸向移動的反向控制，對所述P 口的油路開度實現負反饋調節；
[0016]設定所述控制電機⑴的輸出轉速為V，僅使用該帶復用配油軸和配油套的液壓馬達，使所述液壓馬達的轉軸(8)輸出轉速跟隨為V，轉動方向與設定方向一一對應。
[0017]一種實施例為，使用步距角為Θ的步進電機作為控制電機(I)，所述液壓馬達的連續恒定輸出轉速為R，則連續給定步進電機恒定的脈沖序列滿足下式:P = 360*R/ Θ，其中P表示步進電機的給定脈沖頻率，由設定步進電機不同方向的脈沖序列決定輸出轉向；
[0018]使用步距角為Θ的步進電機作為控制電機(I)，所述液壓馬達的輸出轉角為Φ，則給定步進電機的脈沖個數為:[Φ / Θ ]，運算符“[]”表示取整。
[0019]通過改變所述閥芯(3)與所述復用配油軸(5)螺紋副的螺距或螺紋頭數，改變反饋調節的靈敏度。
[0020]本發明使用簡潔的結構，無需復雜的電子電路、傳感器和程序控制，即可實現現有技術中復雜的位置閉環和速度閉環調節，給目標液壓馬達的小功率的指令電機發出指令脈沖后，即可使液壓馬達輸出大功率的動力，且可實現速度、轉向、和位置控制，有較快的響應速度和高的可靠性，實現極低的故障率的同時大幅降低了系統的開發、調試時間和費用。
[0021]本發明的主要優點體現在以下方面:
[0022]1、可靠性高、響應快
[0023]由于省去了控制器環節，系統的集成度高，從而提高了可靠性和可維護性。同樣由于環節少了，無需經過傳感器響應和電子系統控制，使系統的響應速度提高。
[0024]2、便于液壓技術人員使用，無需電控系統的開發
[0025]所有自動控制環節在液壓伺服馬達內自行完成，不需要控制算法和調節，便于液壓伺服控制系統的普及。
[0026]3、性能穩定、調試方便
[0027]使用的是數字脈沖信號，數字信號因為是高低電平，抗干擾能力很強，信號穩定。同時由于液壓馬達的位置和速度與脈沖的數量和頻率對應的，調試好了不會改變對應關系，可以離線調試好了直接使用，基本不用在線調試。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明結構示意圖，
[0029]圖2是本發明油路連接和運轉示意圖。
[0030]圖中一控制電機，2—轉換器，3 —閥芯，4一配油套，5—復用配油軸，6—十字接頭，7—液壓馬達，8—轉軸，9—油缸口，10—環形槽，11—凸沿。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和五缸柱塞式液壓馬達為例對本發明進一步說明:如圖1、2中所示，所述內閉環伺服液壓馬達，包括液壓馬達7、復用配油軸5、配油套4和作為控制電機I的步進電機。實際上，整個伺服系統無需傳感器環節和運算控制系統即可自行實現完整的負反饋閉環調節。
[0032]如圖1，所述液壓馬達7的轉軸8通過十字接頭6連接圓柱形的復用配油軸5，所述復用配油軸嵌套于配油套4內；所述十字接頭6與所述轉軸8緊固連接，所述復用配油軸5的中心開設有柱形的空腔，空腔的內壁垂直于軸向開設有5道環形槽10，所述空腔內設有柱形的閥芯3，所述閥芯的一端與復用配油軸螺紋連接，閥芯的另一端通過轉換器2與控制電機I的輸出轉軸連接，所述閥芯與所述轉換器之間可軸向滑移，所述閥芯的側壁設有與所述空腔的內壁接觸的2道環形的凸沿11，所述凸沿的寬度與所述環形槽的寬度相適應。
[0033]所述配油套4在其外壁的油路開口分別為連接壓力油路的P 口、連接回油油路的T口、連接負載油路的A 口和B 口，油路接口對應所述環形槽的位置分配為:設有5道環形槽，中間環形槽對應P 口油路，兩端環形槽對應連通T 口油路，T 口與P 口對應的環形槽t和環形槽P之間分別為A 口和B 口對應的環形槽a和環形槽b，所述閥芯設有兩道與所述空腔的內壁接觸的凸沿，凸沿的寬度與不小于環形槽的寬度，使所述閥芯與所述復用配油軸構成一個三位四通滑閥。在復位狀態下，2道環形的凸沿11對應環形槽a和環形槽b，使各接口油路均被封堵。
[0034]所述配油套4的A 口如圖2中的狀態所示，設有相互連通的3個，B 口設有2個，分別連通到液壓馬達的對應油缸接口，所述配油套的A 口和B 口連通到配油套的內壁對應復用配油軸的環形槽a和環形槽b的環形位置上均勻分布，使所述復用配油軸的a 口和b 口在復用配油軸5的旋轉過程中對應切換配油套的A 口或B 口。
[0035]當控制電機I轉動時，帶動閥芯3轉動，閥芯3在復用配油軸的螺紋副作用下產生軸向移動，從而使P 口油路與A 口或B 口開始連通，由于A 口與B 口均連通到液壓馬達7的油缸，使得閥芯3的移動位置決定了油路的開度和相應的給液壓馬達的供油流量，因此也決定了液壓馬達的轉速，閥芯3的移動方向決定了液壓馬達的輸出軸轉向。此外，液壓馬達的閉環控制體現在，液壓馬達的轉動通過與轉軸8連接的十字接頭6反饋到閥芯3上，通過對A 口或B 口對應液壓馬達油缸缸體孔的設置，使閥芯產生反向移動的趨勢，形成對液壓馬達的轉速和位置控制的負反饋。
[0036]閥芯的閥瓣設有對稱的四個，一種暫態位置是:中