具有緩沖功能液壓缸的控制系統和控制方法與流程
本發明涉及一種用于對具有緩沖功能的液壓缸進行控制的系統及方法，屬于液壓缸控制技術領域。
背景技術：
在腿足式機器人的驅動方式中，液壓驅動方式具有動態性寬、輸出力量大、功率-重量比高、帶寬高和線性度高的特點，特別適用于高性能的機器人。為了使整個機器人能夠合理高效的運動，必須要對其單關節的驅動器進行研究。
目前腿足式機器人的單關節驅動，一般采用液壓缸驅動，但是現有液壓缸存在沖擊過大等問題，對系統壓力造成波動以及對元件的損壞。
中國專利文獻CN203189407U公開的《一種液壓缸控制系統》，包括聯軸器，聯軸器一端固定連接有伺服電機，聯軸器另一端固定連接有齒輪泵，齒輪泵設有液壓油壓力傳感器，伺服電機設有伺服電機編碼器，伺服電機還連接有伺服驅動器，伺服驅動器連接有單片機，液壓油壓力傳感器以及伺服電機編碼器還和伺服驅動器相連接。
上述系統分別采用了壓力和流量閉環控制來控制液壓油的壓力和流量，不需要使用節流閥、比例閥等閥體，杜絕了高壓節流現象，閉環控制的響應時間就是伺服驅動器的響應時間。雖然具有自動校正能力、液壓缸能量轉換效率高且運行精度高的特點，但是仍然不能解決液壓缸存在的沖擊過大等問題。
技術實現要素：
本發明為了解決現有液壓缸存在的沖擊過大等問題，提供一種能夠減小沖擊、避免壓力造成波動和元件損壞的具有緩沖功能液壓缸的控制系統。同時提供一種該控制系統的控制方法，用以實現對液壓缸的位置伺服和力伺服。
本發明的具有緩沖功能液壓缸的控制系統，采用下述技術方案：
該系統，包括上位機、控制器、液壓蓄能器、液壓伺服閥、位移傳感器、拉壓力傳感器和腔壓傳感器；控制器與上位機連接；位移傳感器、拉壓力傳感器和腔壓傳感器均與控制器連接，位移傳感器的本體固定在液壓缸的缸體上，位移傳感器的測量桿與液壓缸的活塞連接；拉壓力傳感器安裝在液壓缸的活塞上；腔壓傳感器固定在液壓缸的缸體上且測量面與液壓缸無桿腔連接；液壓伺服閥與控制器連接，液壓伺服閥的進出油口分別與液壓缸的進出油口連接；液壓蓄能器與液壓缸的無桿腔連接。
控制器采用TMS320F28335型號的DSP作為核心芯片，由24V電池供電。控制器設有顯示系統狀態的指示燈。
位移傳感器用于檢測活塞的位移，并將數據信號傳輸至控制器，拉壓力傳感器用于檢測液壓缸的受力，并將數據信號傳輸至控制器；腔壓傳感器用于檢測液壓缸的無桿腔壓力，并將數據信號傳輸至控制器。
當液壓缸的活塞受到沖擊時，無桿腔壓力瞬間變大，無桿腔內的液壓油流入蓄能器中，從而使無桿腔壓力降低，達到減小沖擊的目的。在液壓缸活塞需要伸長時，蓄能器內的液壓油輸出補償。減小沖擊具體由檢測無桿腔液壓力的腔壓傳感器實現，由蓄能器的數學模型可以求得液壓伺服閥控制電流中的蓄能器補償項電流ia，實現對液壓伺服閥的精確控制。控制器通過對液壓伺服閥的控制實現對液壓缸活塞長度的控制，最終實現液壓缸的力或者位置輸出。
上述具有緩沖功能液壓缸的控制系統對液壓缸的控制方法，是：
通過位移傳感器獲得液壓缸的活塞位移，通過拉壓力傳感器獲得液壓缸的活塞輸出力，通過腔壓傳感器獲得液壓缸無桿腔的壓力p2，控制器通過控制液壓伺服閥的控制電流iv驅動液壓缸，液壓伺服閥的控制電流iv為以下幾項電流之和：由液壓缸的活塞移動速度vp_fed得到的流量補償項電流ix，其中活塞移動速度vp_fed由液壓缸活塞位移微分得到；由液壓缸的無桿腔壓力p2得到的蓄能器電流補償項ia；庫倫摩擦力補償項電流iFc；由液壓缸的活塞輸出力或者活塞位移通過PID計算得到的誤差補償項電流idelta。
所述流量補償項電流ix計算公式為：ix＝kx*vp_fed，其中kx為流量補償系數，取值0.028～0.032mA/(mm/s)，vp_fed為液壓缸活塞移動速度，vp_fed通過液壓缸活塞位移微分得到。
所述蓄能器流量補償項電流ia計算公式為：ia＝H(s)*p2,其中H(s)為蓄能器數學模型，kq為液壓伺服閥的電流流量比例系數，Va0為選用蓄能器初始體積，k在等溫條件下為1，pa0為蓄能器充氣壓力，p2為液壓缸無桿腔液壓力。
所述庫倫摩擦力補償項電流iFc計算公式為：iFc＝kFc*sign(vp_fed),其中kFc為庫倫摩擦力補償系數，sign(x)為符號函數，當vp_fed為正時，sign(vp_fed)為1，反之為-1。
所述誤差補償項電流idelta由液壓缸的活塞輸出力或者活塞位移通過PID(比例-積分-微分)計算得到，具體步驟是：
(1)根據液壓缸運動的需要由上位機設定活塞輸出力的給定值fref或活塞位移的給定值Xref；
(2)利用拉壓力傳感器或位移傳感器得到液壓缸的活塞輸出力fc_ref或活塞位移xc_ref，經過卡爾曼濾波后獲得活塞輸出力的修正值f′c_ref或活塞位移的修正值x′c_ref，與活塞輸出力的給定值或活塞位移的給定值比較，得到活塞輸出力的偏差值e(t)＝fref-f′c_ref，或活塞位移的偏差值e(t)＝fref-f′c_ref；
(3)根據偏差值e(t)，經過PID計算出液壓伺服閥的控制電流的誤差補償項idelta。
本發明的具有以下特點：
1.系統體積小，控制方便，穩定性好；
2.能夠實現對液壓缸的力伺服和位置伺服，保證液壓系統穩定工作；
3.控制器通過CAN總線與上位機通信，反饋力、位置以及無桿腔壓力等系統狀態，上位機通過CAN總線向控制器發布指令，設定調節參數以及力和位置的給定。
附圖說明
圖1是本發明中控制器的結構框圖。
圖2是本發明控制系統中的力伺服原理框圖。
圖3是本發明控制系統中的位置伺服原理框圖。
圖4是本發明中控制器的操作界面功能圖。
圖中：1.位移傳感器，2.拉壓力傳感器，3.腔壓傳感器，4.A/D轉換器，5.控制器，6.液壓伺服閥，7.液壓缸，8.液壓蓄能器，9.指示燈，10.上位機。
具體實施方式
本發明的具有緩沖功能液壓缸的控制系統，如圖1所示，包括上位機10、控制器5、液壓蓄能器8、液壓伺服閥6、位移傳感器1、拉壓力傳感器2和腔壓傳感器3。
控制器5與上位機1通過CAN總線連接。控制器5采用TMS320F28335型號的DSP作為核心芯片，由24V電池供電。控制器5上設有顯示系統狀態的指示燈9。控制器5讀取液壓7的缸的位置、拉壓力以及無桿腔壓力等信號，并將這些信息通過CAN總線發送給上位機10。
位移傳感器1、拉壓力傳感器2和腔壓傳感器3分別通過A/D轉換器4與控制器5連接。位移傳感器1的本體固定在液壓缸7的缸體上，其測量桿與液壓缸7的活塞連接，用于檢測活塞的位移，并將數據信號傳輸至控制器5。拉壓力傳感器2安裝在液壓缸7的活塞上，用于檢測液壓缸7的受力，并將數據信號傳輸至控制器5。腔壓傳感器3固定在液壓缸7的缸體上，其測量面與液壓缸7的無桿腔連接，用于檢測液壓缸7的無桿腔壓力，并將數據信號傳輸至控制器5。
液壓伺服閥6與控制器7連接，液壓伺服閥6的進出油口分別與液壓缸7的進出油口連接。
液壓蓄能器8與液壓缸7的無桿腔連接。液壓蓄能器是液壓驅動系統中的一種能量儲蓄裝置，在適當的時機將系統中的能量轉變為壓縮能或位能儲存起來；當系統需要時，又將壓縮能或位能轉變為液壓能而釋放出來，重新補供給系統；當系統瞬間壓力增大時，它可以吸收這部分的能量，以保證整個系統壓力正常。液壓缸7的緩沖功能主要由連接在液壓缸7的無桿腔的液壓蓄能器8實現，在液壓缸活塞收到沖擊時，無桿腔壓力瞬間變大，此時，液壓缸無桿腔內的液壓油流到蓄能器中，從而使無桿腔壓力降低，達到減小沖擊的目的。減小沖擊具體由測量液壓缸無桿腔液壓力的腔壓傳感器實現，如圖2和圖3中，p2為液壓缸無桿腔壓力，由p2和蓄能器的數學模型H(s)可以求得液壓伺服閥6的控制電流中的蓄能器補償項電流ia，實現對液壓伺服閥6的精確控制。
通過位移傳感器獲得液壓缸活塞的位移，通過拉壓力傳感器獲得液壓缸的活塞輸出力，通過腔壓傳感器獲得液壓缸無桿腔的壓力p2，控制器通過控制液壓伺服閥實現對液壓缸活塞的控制。
上述具有緩沖功能液壓缸的控制系統根據液壓伺服閥6的控制電流iv驅動液壓缸7的運動，實現目標控制。如圖2和圖3，液壓伺服閥6的控制電流iv為以下幾項電流之和:
1.由液壓缸7的活塞移動速度vp_fed得到的流量補償項電流ix
流量補償項電流ix計算公式為：ix＝kx*vp_fed，其中kx為流量補償系數(約為0.028～0.032mA/(mm/s))，vp_fed為液壓缸活塞移動速度，vp_fed通過液壓缸活塞位移微分得到。
2.由液壓缸7的無桿腔壓力p2得到的蓄能器8的電流補償項ia
所述蓄能器流量補償項電流ia計算公式為：ia＝H(s)*p2,其中H(s)為蓄能器數學模型，kq為液壓伺服閥的電流流量比例系數，本系統選用的伺服閥其值為0.006～0.01mA·s/mm3，Va0為選用的蓄能器的初始體積(如13mm3)，k在等溫條件下為1，pa0為蓄能器的充氣壓力，本系統中為1bar，p2為液壓缸無桿腔液壓力，由腔壓傳感器3得到。
3.庫倫摩擦力補償項電流iFc，
庫倫摩擦力補償項iFc計算公式為：iFc＝kFc*sign(vp_fed),其中kFc為庫倫摩擦力補償系數(約為0.2mA，可選取0.19-0.21mA)，sign(x)為符號函數，當vp_fed為正時，sign(vp_fed)為1，反之為-1。
4.由PID算出的誤差補償項電流idelta
誤差補償項電流idelta采用PID(比例-積分-微分)的方法進行計算，具體是根據圖2通過拉壓力傳感器2檢測的液壓缸7的受力或者根據圖3通過位移傳感器1檢測的液壓缸7的活塞位移計算液壓伺服閥6的控制電流的誤差補償項；具體步驟是：
(1)根據液壓缸7運動的需要由上位機10設定力的給定值fref或位移的給定值Xref；
(2)利用拉壓力傳感器2或位移傳感器1得到液壓缸7的活塞輸出力fc_ref或位移xc_ref，經過卡爾曼濾波后獲得力的修正值f′c_ref或位移的修正值x′c_ref，與力的給定值或位移的給定值比較，得到力的偏差值e(t)＝fref-f′c_ref，或位移的偏差值e(t)＝fref-f′c_ref；
(3)根據偏差值e(t)，經過PID計算出液壓伺服閥6的控制電流的誤差補償項idelta。
控制器的操作界面，基于Visual C++平臺，運行在上位機10上，如圖4所示，包括顯示模塊、CAN通信模塊、參數給定模塊以及波形給定模塊。顯示模塊包括傳感器數據顯示模塊、閥電壓顯示模塊及給定值顯示模塊；CAN通信模塊包括向控制器發送命令模塊、接受控制器發來的狀態信息模塊；參數給定模塊包括模式選擇模塊、PID參數給定模塊、大小腔流量系數給定模塊及卡爾曼濾波參數給定模塊。波形給定模塊包括模式選擇模塊、波形選擇模塊和波形參數給定模塊。
本發明通過力傳感器或位移傳感器讀出液壓缸受到的力或活塞移動位移，并與給定值進行比較，結合液壓缸無桿腔壓力傳感器采集的數據，經處理運算后，由控制器對液壓伺服閥進行控制，實現液壓缸相應的運動。控制器5測得的液壓缸數據信息可以通過CAN總線發送給上位機10。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！