本實(shí)用新型涉及一種用于對(duì)具有緩沖功能的液壓缸進(jìn)行控制的系統(tǒng)，屬于液壓缸控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在腿足式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式中，液壓驅(qū)動(dòng)方式具有動(dòng)態(tài)性寬、輸出力量大、功率-重量比高、帶寬高和線性度高的特點(diǎn)，特別適用于高性能的機(jī)器人。為了使整個(gè)機(jī)器人能夠合理高效的運(yùn)動(dòng)，必須要對(duì)其單關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行研究。

目前腿足式機(jī)器人的單關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，一般采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，但是現(xiàn)有液壓缸存在沖擊過大等問題，對(duì)系統(tǒng)壓力造成波動(dòng)以及對(duì)元件的損壞。

中國專利文獻(xiàn)CN203189407U公開的《一種液壓缸控制系統(tǒng)》，包括聯(lián)軸器，聯(lián)軸器一端固定連接有伺服電機(jī)，聯(lián)軸器另一端固定連接有齒輪泵，齒輪泵設(shè)有液壓油壓力傳感器，伺服電機(jī)設(shè)有伺服電機(jī)編碼器，伺服電機(jī)還連接有伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器連接有單片機(jī)，液壓油壓力傳感器以及伺服電機(jī)編碼器還和伺服驅(qū)動(dòng)器相連接。

上述系統(tǒng)分別采用了壓力和流量閉環(huán)控制來控制液壓油的壓力和流量，不需要使用節(jié)流閥、比例閥等閥體，杜絕了高壓節(jié)流現(xiàn)象，閉環(huán)控制的響應(yīng)時(shí)間就是伺服驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間。雖然具有自動(dòng)校正能力、液壓缸能量轉(zhuǎn)換效率高且運(yùn)行精度高的特點(diǎn)，但是仍然不能解決液壓缸存在的沖擊過大等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)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(dòng)和元件損壞的具有緩沖功能液壓缸的控制系統(tǒng)。

本實(shí)用新型的具有緩沖功能液壓缸的控制系統(tǒng)，采用下述技術(shù)方案：

該系統(tǒng)，包括上位機(jī)、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(jī)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(jìn)出油口分別與液壓缸的進(jìn)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(hào)的DSP作為核心芯片，由24V電池供電?？刂破髟O(shè)有顯示系統(tǒng)狀態(tài)的指示燈。

位移傳感器用于檢測活塞的位移，并將數(shù)據(jù)信號(hào)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(shù)據(jù)信號(hào)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(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至控制器。

當(dāng)液壓缸的活塞受到?jīng)_擊時(shí)，無桿腔壓力瞬間變大，無桿腔內(nèi)的液壓油流入蓄能器中，從而使無桿腔壓力降低，達(dá)到減小沖擊的目的。在液壓缸活塞需要伸長時(shí)，蓄能器內(nèi)的液壓油輸出補(bǔ)償。減小沖擊具體由檢測無桿腔液壓力的腔壓傳感器實(shí)現(xiàn)，由蓄能器的數(shù)學(xué)模型可以求得液壓伺服閥控制電流中的蓄能器補(bǔ)償項(xiàng)電流ia，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓伺服閥的精確控制?？刂破魍ㄟ^對(duì)液壓伺服閥的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸活塞長度的控制，最終實(shí)現(xiàn)液壓缸的力或者位置輸出。

本實(shí)用新型的具有以下特點(diǎn)：

1.系統(tǒng)體積小，控制方便，穩(wěn)定性好；

2.能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液壓缸的力伺服和位置伺服，保證液壓系統(tǒng)穩(wěn)定工作；

3.控制器通過CAN總線與上位機(jī)通信，反饋力、位置以及無桿腔壓力等系統(tǒng)狀態(tài)，上位機(jī)通過CAN總線向控制器發(fā)布指令，設(shè)定調(diào)節(jié)參數(shù)以及力和位置的給定。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型中控制器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本實(shí)用新型控制系統(tǒng)中的力伺服原理框圖。

圖3是本實(shí)用新型控制系統(tǒng)中的位置伺服原理框圖。

圖4是本實(shí)用新型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(zhuǎn)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(jī)。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型的具有緩沖功能液壓缸的控制系統(tǒng)，如圖1所示，包括上位機(jī)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(jī)1通過CAN總線連接?？刂破?采用TMS320F28335型號(hào)的DSP作為核心芯片，由24V電池供電。控制器5上設(shè)有顯示系統(tǒng)狀態(tài)的指示燈9。

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(zhuǎn)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(shù)據(jù)信號(hào)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(shù)據(jù)信號(hào)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(shù)據(jù)信號(hào)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(jìn)出油口分別與液壓缸7的進(jìn)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的一種能量儲(chǔ)蓄裝置，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位能儲(chǔ)存起來；當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)，又將壓縮能或位能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗芏尫懦鰜?，重新補(bǔ)供給系統(tǒng)；當(dāng)系統(tǒng)瞬間壓力增大時(shí)，它可以吸收這部分的能量，以保證整個(gè)系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)，在液壓缸活塞收到?jīng)_擊時(shí)，無桿腔壓力瞬間變大，此時(shí)，液壓缸無桿腔內(nèi)的液壓油流到蓄能器中，從而使無桿腔壓力降低，達(dá)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(shí)現(xiàn)，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(shù)學(xué)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(bǔ)償項(xiàng)電流i_a，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸活塞的控制。

上述具有緩沖功能液壓缸的控制系統(tǒng)根據(jù)液壓伺服閥6的控制電流i_v驅(qū)動(dòng)液壓缸7的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)控制。如圖2和圖3，液壓伺服閥6的控制電流i_v為以下幾項(xiàng)電流之和:

1.由液壓缸7的活塞移動(dòng)速度v_{p_fed}得到的流量補(bǔ)償項(xiàng)電流i_x

流量補(bǔ)償項(xiàng)電流i_x計(jì)算公式為：i_x＝k_x*v_{p_fed}，其中k_x為流量補(bǔ)償系數(shù)(約為0.028～0.032mA/(mm/s))，v_{p_fed}為液壓缸活塞移動(dòng)速度，v_{p_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(bǔ)償項(xiàng)i_a

所述蓄能器流量補(bǔ)償項(xiàng)電流i_a計(jì)算公式為：i_a＝H(s)*p₂,其中H(s)為蓄能器數(shù)學(xué)模型，k_q為液壓伺服閥的電流流量比例系數(shù)，本系統(tǒng)選用的伺服閥其值為0.006～0.01mA·s/mm³，V_a0為選用的蓄能器的初始體積(如13mm³)，k在等溫條件下為1，p_a0為蓄能器的充氣壓力，本系統(tǒng)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(bǔ)償項(xiàng)電流i_Fc，

庫倫摩擦力補(bǔ)償項(xiàng)i_Fc計(jì)算公式為：i_Fc＝k_Fc*sign(v_{p_fed}),其中k_Fc為庫倫摩擦力補(bǔ)償系數(shù)(約為0.2mA，可選取0.19-0.21mA)，sign(x)為符號(hào)函數(shù)，當(dāng)v_{p_fed}為正時(shí)，sign(v_{p_fed})為1，反之為-1。

4.由PID算出的誤差補(bǔ)償項(xiàng)電流i_delta

誤差補(bǔ)償項(xiàng)電流i_delta采用PID(比例-積分-微分)的方法進(jìn)行計(jì)算，具體是根據(jù)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(jù)圖3通過位移傳感器1檢測的液壓缸7的活塞位移計(jì)算液壓伺服閥6的控制電流的誤差補(bǔ)償項(xiàng)；具體步驟是：

(1)根據(jù)液壓缸7運(yùn)動(dòng)的需要由上位機(jī)10設(shè)定力的給定值f_ref或位移的給定值X_ref；

(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f_{c_ref}或位移x_{c_ref}，經(jīng)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)＝f_ref-f′_{c_ref}，或位移的偏差值e(t)＝f_ref-f′_{c_ref}；

(3)根據(jù)偏差值e(t)，經(jīng)過PID計(jì)算出液壓伺服閥6的控制電流的誤差補(bǔ)償項(xiàng)i_delta。

控制器的操作界面，基于Visual C++平臺(tái)，運(yùn)行在上位機(jī)10上，如圖4所示，包括顯示模塊、CAN通信模塊、參數(shù)給定模塊以及波形給定模塊。顯示模塊包括傳感器數(shù)據(jù)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(fā)送命令模塊、接受控制器發(fā)來的狀態(tài)信息模塊；參數(shù)給定模塊包括模式選擇模塊、PID參數(shù)給定模塊、大小腔流量系數(shù)給定模塊及卡爾曼濾波參數(shù)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(shù)給定模塊。

本實(shí)用新型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(dòng)位移，并與給定值進(jìn)行比較，結(jié)合液壓缸無桿腔壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理運(yùn)算后，由控制器對(duì)液壓伺服閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)液壓缸相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)?？刂破?測得的液壓缸數(shù)據(jù)信息可以通過CAN總線發(fā)送給上位機(jī)10。