基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統

《基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統》是佛山市順德區震德塑膠機械有限公司於2009年9月4日申請的專利，該專利的公布號為CN101691877A，授權公布日為2010年4月7日，發明人是譚樹發、胡軍。

《基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統》為一種基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統，包括有主機控制器、至少2個伺服泵、油管、油箱，所有伺服泵的各支油管道匯接於一起構成系統的主油管道，其中：所有伺服泵中有1個是主伺服泵，主伺服泵所在的油管道構成系統的主控支油管道，所有伺服泵所在的支油管道在進入系統主油管道之前串接有一個單向閥，在該主伺服泵的單向閥兩端並聯有主壓力控制器；所述主壓力控制器包括有插裝閥和壓差節流孔，所述插裝閥的進油腔和控制腔、壓差節流孔的兩端分別並聯在該主伺服泵的單向閥的出油口和進油口兩端，所述插裝閥的回油腔通向油箱。該系統的保壓能耗低、泄壓速度快、且降壓或泄荷對油泵和伺服驅動系統的衝擊小。

2018年12月20日，《基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統》獲得第二十屆中國專利獎優秀獎。

（概述圖為《基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名： 基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統
• 公告號：CN101691877A
• 授權日：2010年4月7日
• 申請號：2009101921116
• 申請日：2009年9月4日
• 申請人：佛山市順德區震德塑膠機械有限公司
• 地址：廣東省佛山市順德區大良紅崗工業區
• 發明人：譚樹發、胡軍
• Int.Cl.：F15B11/17(2006.01)I; F15B21/08(2006.01)I; F15B20/00(2006.01)I; F15B13/043(2006.01)I
• 代理機構：廣州粵高專利商標代理有限公司
• 代理人：林新中
• 類別：發明專利

專利背景

注塑機的工作過程一般分為鎖模、注射、保壓、冷卻、塑化、開模和頂出等階段，不同的階段需要液壓系統提供不同壓力和流量的液壓油，於是液壓油一般都要經歷加壓、保壓和泄壓的循環過程。

隨著節能環保意識的不斷深入，人們對傳統注塑機的能耗和控制精度提出了越來越高的要求。伺服電機驅動油泵控制技術的出現是液電結合控制技術的一次革命性的進步。它不僅可以大幅度節能30％-70％，而且具有控制精度高，穩定性好，噪音低等優點，一經推出，即在注塑機等行業取得了迅猛發展，成為今後注塑機節能改造的主要方向。

截至2009年9月4日，伺服電機驅動油泵控制系統（以下簡稱伺服泵）如附圖1所示，由伺服電機212，伺服電機驅動器211，液壓油泵213，檢測元件（壓力感測器215，編碼器214）等組成，通過控制伺服電機212的轉速和扭矩實現對液壓系統流量和壓力的控制；通過控制伺服電機212反向運轉來使液壓系統降壓或泄荷，具有流量壓力控制精度高，回響快，節能效果好等優點。

然而受制於伺服電機和驅動器功率以及油泵排量的限制，對於大噸位的注塑機往往需要採用多台伺服泵聯合控制才能達到大流量的要求。為此，也有公司研究出了一種採用專用的聯立控制驅動器的多台伺服電機油泵組合控制系統，該控制系統通過專用的聯立控制驅動器使多台伺服電機油泵在所有動作中具有相同的流量壓力指令，實現同步流量（速度）控制和壓力控制。但是該系統存在如下缺陷：系統壓力控制由多泵共同完成，保壓時存在大量不必要的能量消耗。這是因為雖然單泵保壓足以滿足加壓需要，但是對於大噸位的注塑機液壓系統，液壓油缸和管路中受壓縮液壓油體積大，壓縮能量高，單獨靠一個伺服泵的泄荷能力不足以滿足在極短時間內降壓或泄荷壓縮能量釋放的要求，因此不得不採用多台伺服泵同步動作實現保壓、泄荷等壓力控制，但這帶來的問題是保壓能耗大，泄壓速度慢，且降壓或泄荷時回流的油對油泵和伺服驅動系統的衝擊大，會縮短油泵和控制器的使用壽命；多台伺服泵長時間負載運行，也會對其過載能力產生很大影響。伺服電機工作在低速大扭矩狀態下，其機械效率也很低。

發明內容

專利目的

《基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統》的目的是提供一種保壓能耗低、泄壓速度快、且降壓或泄荷對油泵和伺服驅動系統的衝擊小的基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統。

技術方案

一種基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統，包括有主機控制器、至少2個伺服泵、油管、油箱，所有伺服泵的各支油管道匯接於一起構成系統的主油管道，其中：所有伺服泵中有1個是主伺服泵，主伺服泵所在的油管道構成系統的主控支油管道，所有伺服泵所在的支油管道在進入系統主油管道之前串接有一個單向閥，在該主伺服泵的單向閥兩端並聯有主壓力控制器；所述主壓力控制器包括有插裝閥和壓差節流孔，所述插裝閥的進油腔和控制腔、壓差節流孔的兩端分別並聯在該主伺服泵的單向閥的出油口和進油口兩端，所述插裝閥的回油腔通向油箱。

在對上述基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統的改進方案中，在該系統的主油管道上設有安全閥，該安全閥的出油口通向油箱。

在對上述基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統的改進方案中，所述插裝閥的控制腔連線有先導安全閥，所述先導安全閥的進油端與插裝閥控制腔端匯交並連通主控支油管道，所述先導安全閥的出油端通向油箱；在所述先導安全閥的進油端與插裝閥控制腔匯交後與單向閥的進油端之間設定有先導節流孔。

在對上述基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統的改進方案中，所述的壓差節流孔開在該插裝閥的主閥芯中。

在對上述基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統的改進方案中，所述的伺服泵包括有伺服電機驅動器、伺服電機、液壓泵、檢測元件和制動電阻。

在對上述基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統的改進方案中，所述的檢測元件包括有壓力感測器和編碼器，所述的液壓泵為齒輪泵。

改善效果

1、由於該系統只需要單台小排量伺服泵（主泵）就可以完成保壓和泄荷動作，此時其它伺服泵（輔泵）可以空載運行，因此可以大大降低保壓能量消耗，這對於大噸位注塑機成型的大質量注塑件需要長時間保壓具有重要意義。

2、由於採用大通徑的插裝閥作為主壓力控制器的主壓力閥來完成降壓和泄荷，因此，泄壓快，噪音低，對伺服泵系統的衝擊小，可以延長伺服泵的使用壽命。

3、可以避免輔助伺服泵工作在低速大扭矩（保壓）運行狀態，可以降低輔泵的伺服電機和驅動器的配置要求，從而降低成本，提高產品競爭力。

4、不需要專門的伺服電機聯立控制器，可以降低採購成本。

5、由於伺服電機反向制動的負載大大降低，可以減少制動電阻的配置功率。

6、除適用於任意多組伺服泵的控制要求外，還可以用在伺服電機驅動大、小雙排量柱塞泵的泄荷迴路。

附圖說明

圖1是伺服電機驅動油泵控制系統結構示意圖；

圖1

圖2是《基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統》實施例一的系統整體結構示意圖；

圖2

圖3是《基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統》實施例二的局部結構示意圖（在主壓力控制器處）；

圖4是《基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統》實施例三的局部結構示意圖（在主壓力控制器處）；

圖5是《基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統》實施例四的局部結構示意圖（在主壓力控制器處）；

圖6是《基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統》實施例五的局部結構示意圖（在主壓力控制器處）。

技術領域

《基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統》涉及一種液壓動力系統，特別是一種用於注塑機的基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統。

權利要求

1.一種基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統，包括有主機控制器（1）、至少2個伺服泵、油管（10）、油箱（6），所有伺服泵的各支油管道匯接於一起構成系統的主油管道（P0），其特徵在於：所有伺服泵中有1個是主伺服泵（21），主伺服泵（21）所在的油管道構成系統的主控支油管道（P1），所有伺服泵所在的支油管道在進入系統主油管道（P0）之前串接有一個單向閥，在該主伺服泵（21）的單向閥（31）兩端並聯有主壓力控制器；所述主壓力控制器包括有插裝閥（4）和壓差節流孔（5），所述插裝閥（4）的進油腔（A）和控制腔（X）、壓差節流孔（5）的兩端分別並聯在該主伺服泵（21）的單向閥（31）的出油口和進油口兩端，所述插裝閥（4）的回油腔（B）通向油箱（6）。

2.根據權利要求1所述的基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統，其特徵在於：在該主油管道（P0）上設有安全閥（7），該安全閥（7）的出油口通向油箱（6）。

3.根據權利要求1所述的基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統，其特徵在於：所述插裝閥（4）的控制腔（X）連線有先導安全閥（9），所述先導安全閥（9）的進油端與插裝閥（4）控制腔（X）端匯交並連通主控支油管道（P1），所述先導安全閥（9）的出油端通向油箱（6）；在所述先導安全閥（9）的進油端與插裝閥（4）控制腔（X）匯交後與單向閥（31）的進油端之間設定有先導節流孔（8）。

4.根據權利要求1、2或3所述的基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統，其特徵在於：所述的壓差節流孔（5）開在該插裝閥（4）的主閥芯中。

5.根據權利要求1、2或3所述的基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統，其特徵在於：所述的伺服泵包括有伺服電機驅動器（211）、伺服電機（212）、液壓泵（213）、檢測元件和制動電阻（216）。

6.根據權利要求5所述的基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統，其特徵在於：所述的檢測元件包括有壓力感測器（215）和編碼器（214），所述的液壓泵（213）為齒輪泵。

實施方式

《基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統》是一種基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統，如圖2所示，包括有主機控制器1、至少2個伺服泵（在該實施例有3個伺服泵）、油管10、油箱6，所有伺服泵的各支油管道匯接於一起構成系統的主油管道P0，在所有伺服泵（如圖3所示）中有1個為主伺服泵21，主伺服泵21所在的油管道構成系統的主控支油管道P1，所有伺服泵所在的支油管道P1、P2、P3在進入系統主油管道P0之前分別串接有一個單向閥31、32、33，在該主伺服泵21上的單向閥31兩端並聯有主壓力控制器，所述主壓力控制器包括有插裝閥4和壓差節流孔5，所述插裝閥4的進油腔A和控制腔X、壓差節流孔5的兩端分別並聯在單向閥31的出油口和進油口兩端，所述插裝閥4的回油腔B通向油箱6。在該系統中所述的伺服泵包括有伺服電機驅動器211、伺服電機212、液壓泵213、檢測元件、制動電阻216，所述的檢測元件包括有壓力感測器215、編碼器214，所述的液壓泵213為齒輪泵或定量柱塞泵（與現有伺服泵結構基本相同）。《基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統》由多台伺服泵共同完成流量（速度）控制；而以單台伺服泵（主伺服泵21）的控制壓力作為先導控制壓力，與主壓力控制器（液壓插裝閥4及壓差節流孔5）共同組成壓力閉環控制系統，實現對系統壓力在加壓、保壓、減壓或泄荷等不同工作過程的精確控制。其基本工作原理如圖2所示：

系統在做流量（速度）控制時，該系統通過主機控制器1傳送設定的相同流量指令給各伺服電機驅動器211，使各伺服電機212按設定的轉速正向運轉，從而驅動各伺服泵213從各自支油管道P1、P2、P3中經單向閥31、32、33的出油端輸出指定流量（速度）的液壓油，並通過各伺服泵的編碼器214的檢測反饋信號，閉環控制各個伺服電機212的轉速，從而達到精確控制系統流量（速度）的目的。（這與現有的速度控制模式基本相同）。系統保壓在做壓力控制時，系統通過主機控制器1隻給主伺服泵21傳送壓力指令，輔助伺服泵22、23不工作。這時在單向閥32和33的止回作用下，輔助伺服泵各支油路P2、P3與主油管道P0隔離，使系統壓力只受主伺服泵21和主壓力控制器的控制，主油管道P0中的油不會回流輔助伺服泵22、23，因而輔助伺服泵22、23避免了長時間負載運行而且大大減少了系統中液壓油對伺服泵系統的衝擊。主伺服泵21的伺服電機驅動器211在接到主機控制器1的指令後：如果此時指令壓力大於實際系統壓力（壓力感測器的檢測壓力），那么通過控制主伺服泵21的伺服電機212輸出較大扭矩，使主伺服泵21的液壓泵213輸出設定的指令壓力，這時主伺服泵21的液壓泵213出口的壓力升高，壓力油經壓差節流孔5和單向閥31進入系統主油管道P0使系統壓力升高至設定壓力完成加壓動作。在這過程前後，插裝閥4控制腔X的壓力高於進油腔A的壓力，在壓力油和彈簧力的作用下，插裝閥4處於關閉狀態。如果指令壓力小於實際系統壓力，主伺服泵21反向轉動輸出較小的扭矩，使主伺服泵21的液壓泵213出口壓力降低，此時主伺服泵21的液壓泵213出口壓力小於系統壓力，壓力油經壓差節流孔5從主油管道P0流向主控支油管道P1，這時由於壓差節流孔5的作用使主油管道P0與主伺服泵21的液壓泵213出口的壓力，在壓差節流孔5兩端產生了壓力降，這時插裝閥4進油腔A的壓力高於控制腔X的壓力，當插裝閥4進油腔A的壓力與控制腔X的壓力差克服插裝閥4主閥芯的彈簧力時，插裝閥4打開，系統部分壓力油從插裝閥4的進油腔A經回油腔B流回油箱6，使系統壓力降低至新的設定壓力完成減壓動作。在加壓或減壓的同時，壓力感測器215的檢測反饋信號修正系統壓力指令，實現系統壓力閉環控制。因此，主壓力控制器（液壓插裝閥4及壓差節流孔5）可以動態跟隨主伺服泵的輸出的先導控制壓力（指令壓力），從而實現對系統壓力的數字比例閉環控制。

系統保壓在做壓力控制時，系統通過主機控制器1給各輔助伺服泵22、23的電機驅動器211傳送停止工作指令，使各輔助伺服電機212停止運轉，各輔助伺服泵22、23不工作；主機控制器1隻給主伺服泵21傳送壓力指令由主伺服泵21完成保壓動作。同樣這時在單向閥32和33的止回作用下，各輔助伺服泵22、23的支油路P2、P3與主油管道P0隔離，輔助伺服泵泄荷，壓力接近零，因而同樣，輔助伺服泵22、23避免了長時間負載運行而且大大減少了系統中液壓油對伺服泵系統的衝擊。

保壓完成後，系統泄荷時，同樣系統通過主機控制器1給主伺服泵21傳送零壓力指令，其它輔助伺服泵22、23不工作，通過控制主伺服泵21的伺服電機212使主伺服泵21的液壓泵213反向轉動輸出零壓力完成先導泄荷，壓差節流孔5前後的壓力降控制插裝閥4主閥芯的完全打開，於是，系統大流量的壓力油從插裝閥4的進油腔A經回油腔B流回油箱6，使系統在極短時間內完成泄荷動作，從而避免了泄荷對各伺服泵的衝擊。

在該系統的控制下，根據實際需要可實循環實現以上加壓、保壓、減壓或泄荷的工作過程。在該實施例中，輔助伺服泵有兩個，在實際套用時可以根據流量需要求來設定輔助伺服泵的數量。

由於在該系統中所有伺服泵所在的支油管道在進入系統主油管道P0之前都串接有一個單向閥（如圖2所示），因而避免了多台伺服泵長時間負載運行，從而對伺服泵的過載能力起到了很大的保護作用。又因為系統中設有主壓力控制器且採用大通徑的插裝閥4作為主壓力閥來完成降壓和泄荷，因此，泄壓快，噪音低，加上各單向閥的止回作用因而系統中液壓油對伺服泵系統的衝擊小，這樣便延長了伺服泵的使用壽命。又因為該系統採用的是液電聯合控制降壓或泄荷的控制方式，只需要單台小排量伺服泵（主伺服泵21）就可以完成保壓和泄荷動作，此時其它伺服泵（輔助伺服泵22、23）處於空載狀態，這樣便大大地降低了系統的能量消耗，又避免了只能通過所有伺服泵同步動作才能實現對系統的壓力控制，又可以避免各輔助伺服泵22、23工作在低速大扭矩（保壓）運行狀態，降低了各輔助伺服泵22、23的伺服電機212和伺服電機驅動器211的配置要求，從而節約了資源和生產成本，提高產品競爭力。這對於大噸位注塑機成型的大質量注塑件需要長時間保壓具有重要意義。另外由於該系統不需要所有伺服泵同步動作才能實現系統的壓力控制因而不需要專門的伺服電機聯立控制器，從而降低了採購成本，加上由於單向閥31的止回作用伺服電機212反向制動的負載大大降低，也減少了制動電阻216的配置功率。

《基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統》的液壓控制部分還可以採用不同的結構和連線方式實現。

如圖3、4、5、6所示的實施例二、三、四、五是該系統的具有相同控制原理的幾種變化的結構和連線方式，這些實施例的區別主要是在主壓力控制器處。

如圖3所示的實施例二是對實施例一的進一步改進，在該系統的主油管道P0上設有安全閥7，該安全閥7的出油口通向油箱6。該實施例複合了安全壓力控制功能後的控制原理，在系統的主油管道P0上設有安全閥7，當系統的壓力超過系統壓力安全值時，這時安全閥7打開，油力油經安全閥7出油口流進油箱6，從而限定系統的最大安全壓力。

如圖5所示的實施例四也是對實施例一的進一步改進，所述插裝閥4的控制腔X連線有先導安全閥9，所述先導安全閥9的進油端與插裝閥4控制腔X匯交並連通主控支油管道P1，所述先導安全閥9的出油端通向油箱6；在所述先導安全閥9的進油端與插裝閥4控制腔X匯交後與單向閥31的進油端之間設定有先導節流孔8。這也是複合了安全壓力控制功能後的控制原理，當系統壓力達到先導安全閥9的設定壓力時，先導安全閥9打開，壓力油經先導節流孔8向先導安全閥9流動從而產生壓力降，這時插裝閥4進油腔A的壓力高於插裝閥4控制腔X的壓力，當插裝閥4進油腔A的壓力與控制腔X的壓力差克服插裝閥4主閥芯的彈簧力時，插裝閥4打開，從而限定系統的最大安全壓力。

在以上所述的如圖2、3、5所示實施例一、二、四中，所述壓差節流孔5也可開設在該插裝閥4的主閥芯中，這時插裝閥4的控制腔X通過壓差節流孔5和插裝閥4進油腔A連通。如圖4、6所示的實施例三、五分別是把如圖3、5所示的實施例二、四中的壓差節流孔5開設在該插裝閥4的主閥芯中的情況，它們對應具有相同的控制原理和功能。

該系統除適用於任意多組伺服泵的控制要求外，還可以用在伺服電機驅動大、小雙排量柱塞泵的泄荷迴路。

該系統不局限用於注塑機，也可用於需要實現相同控制原理和功能的其它領域。

榮譽表彰

2018年12月20日，《基於伺服電機控制的多泵組合控制液壓動力系統》獲得第二十屆中國專利獎優秀獎。