國內液壓同步驅動回路專利技術綜述

龔國芹

（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心,廣東 廣州 511363）

1 引言

隨著航天航空技術和現代機械加工業等的發展，各類金屬加工設備、冶金機械、工程機械及航天與航空驅動裝置等對高精度的同步驅動技術的需要也愈加迫切。與其他同步驅動方式相比，液壓同步驅動因其具有結構簡單、組成方便、易于控制和適宜大功率場合等特點，在所有同步驅動方式中占據了非常重要的地位。

實現液壓同步主要有開環同步控制回路和閉環同步控制回路兩種基本形式。常用的開環同步控制回路有機械剛性同步回路、流量控制閥同步回路、串聯缸同步回路、同步缸同步回路、并聯馬達或并聯泵同步回路[1]。開環同步控制回路完全靠液壓控制元件（如同步閥、節流閥或調速閥）自身的精度來控制執行元件的同步，而不對執行元件的輸出進行檢測與反饋，因此抗干擾能力較差[1]。

閉環同步控制回路通過對執行元件的輸出進行檢測和反饋來構成閉環控制，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。特別是隨著現代控制理論及計算機控制技術的發展，該種控制形式在需要高精度液壓同步驅動的各類主機上得到了廣泛的應用[1]。

在控制元件上，一般通過泵控或閥控的方式實現，目的都是通過對流量進行調節進而實現同步。泵控即通過改變泵的排量實現同步，閥控則通過對閥的控制對流量進行調節進而實現同步，閥控方式中控制閥主要有電液伺服閥、電液比例閥、數字控制閥、節流閥、壓力補償閥等。

IC分類號F15B11/22為兩個或多個伺服馬達的同步，對該分類號下的專利情況進行統計分析，其結果對明確液壓同步驅動回路的專利發展情況具有一定的參考意義[2]。

2 液壓同步驅動回路常見檢測參數

隨著現代控制理論及計算機控制技術的發展，越來越多的控制方式應用到液壓同步控制中，檢測參數也是多種多樣，有利用多個缸之間的位移差進行同步控制，也有根據壓力、速度或到位時間等參數進行控制。例如專利CN201922500752.5在頂升油缸15的柱塞上設置位移編碼器，位移信號傳送到控制中心，控制中心采用同步控制實現多個頂升油缸的同步運動[3]。專利CN202021479497.7則根據兩個伸縮缸的有桿腔出現液壓差或者兩個伸縮缸21的無桿腔出現液壓差，通過平衡液路的連通實現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據，當根據位移及壓力數據確定多個液壓油缸同時伸出/收回時，即采用多種參數的檢測手段進行同步判斷[5]。專利CN201410319584.9液壓伺服系統的液壓缸反饋信號直接作用在數字液壓閥上，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的指令電機發送相同數量的脈沖，實現同步控制[6]。專利CN202010292946.5檢測組件用于檢測動臂油缸的活塞桿是否運動至最高位，并將檢測信號傳送至控制器，控制器用于根據檢測信號控制供油組件對回轉馬達的供油量[7]。專利CN201921665171.0通過閘門開度儀與控制系統電性連接，用于檢測閘門兩側的開度差并傳送至控制系統進行同步控制[8]。專利CN201911257632.5實時獲取主油缸的當前運行速度，生成主油缸的當前速度曲線，并將當前速度曲線與設定速度曲線對比，以調整主油缸的當前運行速度，令所述主油缸按照設定速度曲線運行[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，并依據所述控制參數控制推動執行元件動作；從液壓缸用于根據第一液位傳感器和第二液位傳感器的液位差，執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行元件[10]。

3 液壓同步驅動回路同步控制手段

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

3.1 閥控和泵控

閥控和泵控方式實現同步屬于液壓同步領域常見的控制手段，泵控即通過改變泵的排量實現同步，閥控則通過對閥的控制對流量進行調節進而實現同步。目前國內大量的專利申請也在這兩個方面提出了新的構思。

專利CN202011396559.2通過伺服變量泵實現初步同步，通過補油高頻響伺服閥實現拉伸缸高精度同步拉伸，即采用伺服變量泵+補油高頻響伺服閥兩種手段進行同步控制[11]；專利CN202011309396.X采用帶閥芯位置反饋的“比例換向閥+進口壓力補償器+平衡閥+壓力開關”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關系的電磁換向閥控制至少兩個配重油缸各自對應的配重介質狀態，基于與至少兩個配重油缸呈一一對應關系的壓力補償閥調整至少兩個配重油缸各自對應的配重介質的流動流量，以保證至少兩個配重油缸呈同步關系[13]；專利CN202011210663.8通過調整流量調節閥2的閥芯運動方向從而改變兩個閥芯出口的流通面積進而進行同步控制[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的進油端設置分流馬達10對通過同步閥9進入第一伸縮油缸1和第二伸縮油缸2的液壓油流量進行均勻分配，即通過“分流馬達+設計的集成閥塊”的形式進行同步控制[15]；專利CN202021546789.8通過設置平衡閥與背壓閥，從多方面共同穩定液壓系統，降低抖動情況，提高了同步精度[16]；專利CN201920879850.1在液控先導手柄與工作閥之間增加梭閥橋路進行管路連接，將先導壓力分別連通至工作閥兩聯鏟刀升降主閥芯的相應先導油口，以實現兩個鏟刀升降油缸的同步動作或者差動動作，進而實現鏟刀的提升、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，還可以通過壓力補償閥、流量調節閥、同步閥、平衡閥、背壓閥、梭閥以及特殊設計的閥塊實現同步。

3.2 控制算法改進

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

但越來越多的同步控制回路則在傳統PID算法上進行了改進。例如專利CN201810432359.4通過建立糾偏規律的傳遞函數，通過齒輪齒條組件對隨動閥芯產生偏差位移，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流面積，進而改變進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運用了HNC數字閉環控制器，簡化了系統設計，并且參數化、模塊化、算法簡單好用，從而降低了調試難度[20]。專利CN201610431647.9從同步運動控制角度出發，針對多液壓缸運動過程中各通道間的耦合效應，將偏差耦合控制方法引入其中，弱化各通道間的耦合關系，以獲得較好的同步穩定性[21]。專利CN201610990223.6通過運行中對傳感器檢測到的兩油缸當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于時間的函數的輸入上，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利用由工控機控制的兩個比例伺服閥分別控制步進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一個比例調節器處理后疊加到工控機輸出的對應比例伺服閥的控制信號上，形成模擬閉環回路，反饋信號的差值由工控機進行PD算法處理后疊加到下一個輸出控制量中，形成數字閉環回路，在數字閉環回路中，采用PID學習迭代算法將兩個橫移液壓缸的同步誤差調節到理想范圍之內[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的影響，將兩反饋信號進行相加除以二，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值將以負數形式反饋回伺服閥，降低相應活塞桿位置；平均值小于反饋信號的數值將以正數形式反饋回伺服閥，升高相應活塞桿位置，采用這種同步補償方式，快速準確地實現雙缸同步運動[24]。專利CN202011406404.2提供一種多液壓缸耦合同步控制系統，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，以實現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，通過設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的穩定性，保證了多液壓缸的同步控制精度[25]。專利CN201721532975.4運用了平衡閥、單向節流閥及液控單向閥，實現了穩定保壓和調速功能，避免了柱塞缸的有桿腔與無桿腔產生非線性時變；同時在Z型函數的模糊PID算法的控制下，該油路又實現了四柱塞缸高精度同步驅動[26]。專利CN202020326775.9通過構建液壓爬模實驗平臺，模擬爬模機同步頂升的實際工況，采用變頻電機驅動技術、分布式控制策略，提高液壓爬模機的同步精度，延長爬模機行程，提高爬模效率，減少油液泄漏[27]。專利CN201610568846.4采用粗調和精調雙重結合，進行閉環控制，在動作過程中能自動進行實時補償糾差，不僅提高了調節的精準度，且調節更加快速；降低了液壓系統啟動時的超調量和工作過渡過程中慣性的影響，增加了系統的可靠性[28]。

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

3.3 特殊回路設計及其他方式

在傳統同步控制手段的基礎上，越來越多的同步控制回路還提出了新的構思，比如通過多種控制手段的結合、特殊的油路結構、特殊的機械同步結構等方式來實現。例如專利CN202010723654.2振動臺面通過偏心塊的轉動驅動振動，偏心塊的轉軸通過雙缸驅動齒輪齒條帶動轉動，雙缸之間通過能量交換器實現自反饋同步[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補油，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第二液壓油缸，避免人工補油校準[30]。專利CN201821692819.9當氣缸驅動時，氣缸帶動氣缸連接頭、第三鉸鏈銷向前進，從而驅使關聯連板繞著中心軸進行轉動，當關聯連板轉動時，就能夠同時驅動第一連桿和第二連桿動作，至此，完成同步執行的目的[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速器在進油、回油時進行節流調速，保證了不同液壓缸動作速度的一致性，實現各個液壓缸同步啟動、運行和停止[33]。

4 總結

通過對液壓同步驅動回路的部分專利文獻進行分析可知，越來越多的同步控制回路在傳統同步控制手段的基礎上進行了改型，比如檢測參數的改變或者控制手段的改進。同步控制思路也是多種多樣，大多數專利文獻的研究方向主要在控制思路以及回路設計上。可見，控制算法以及特殊回路設計已成為液壓同步驅動回路的主要研究方向。