国内液压同步驱动回路专利技术综述

龚国芹

（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心,广东 广州 511363）

1 引言

随着航天航空技术和现代机械加工业等的发展，各类金属加工设备、冶金机械、工程机械及航天与航空驱动装置等对高精度的同步驱动技术的需要也愈加迫切。与其他同步驱动方式相比，液压同步驱动因其具有结构简单、组成方便、易于控制和适宜大功率场合等特点，在所有同步驱动方式中占据了非常重要的地位。

实现液压同步主要有开环同步控制回路和闭环同步控制回路两种基本形式。常用的开环同步控制回路有机械刚性同步回路、流量控制阀同步回路、串联缸同步回路、同步缸同步回路、并联马达或并联泵同步回路[1]。开环同步控制回路完全靠液压控制元件（如同步阀、节流阀或调速阀）自身的精度来控制执行元件的同步，而不对执行元件的输出进行检测与反馈，因此抗干扰能力较差[1]。

闭环同步控制回路通过对执行元件的输出进行检测和反馈来构成闭环控制，在很大程度上能消除或抑制不利因素的影响，具有较高的同步精度。特别是随着现代控制理论及计算机控制技术的发展，该种控制形式在需要高精度液压同步驱动的各类主机上得到了广泛的应用[1]。

在控制元件上，一般通过泵控或阀控的方式实现，目的都是通过对流量进行调节进而实现同步。泵控即通过改变泵的排量实现同步，阀控则通过对阀的控制对流量进行调节进而实现同步，阀控方式中控制阀主要有电液伺服阀、电液比例阀、数字控制阀、节流阀、压力补偿阀等。

IC分类号F15B11/22为两个或多个伺服马达的同步，对该分类号下的专利情况进行统计分析，其结果对明确液压同步驱动回路的专利发展情况具有一定的参考意义[2]。

2 液压同步驱动回路常见检测参数

随着现代控制理论及计算机控制技术的发展，越来越多的控制方式应用到液压同步控制中，检测参数也是多种多样，有利用多个缸之间的位移差进行同步控制，也有根据压力、速度或到位时间等参数进行控制。例如专利CN201922500752.5在顶升油缸15的柱塞上设置位移编码器，位移信号传送到控制中心，控制中心采用同步控制实现多个顶升油缸的同步运动[3]。专利CN202021479497.7则根据两个伸缩缸的有杆腔出现液压差或者两个伸缩缸21的无杆腔出现液压差，通过平衡液路的连通实现同步伸出或缩回动作[4]。专利CN202011064563.9采集传感器位移及压力数据，当根据位移及压力数据确定多个液压油缸同时伸出/收回时，即采用多种参数的检测手段进行同步判断[5]。专利CN201410319584.9液压伺服系统的液压缸反馈信号直接作用在数字液压阀上，而不是反馈到控制器，控制器以相同的脉冲频率给每套上述液压伺服系统的指令电机发送相同数量的脉冲，实现同步控制[6]。专利CN202010292946.5检测组件用于检测动臂油缸的活塞杆是否运动至最高位，并将检测信号传送至控制器，控制器用于根据检测信号控制供油组件对回转马达的供油量[7]。专利CN201921665171.0通过闸门开度仪与控制系统电性连接，用于检测闸门两侧的开度差并传送至控制系统进行同步控制[8]。专利CN201911257632.5实时获取主油缸的当前运行速度，生成主油缸的当前速度曲线，并将当前速度曲线与设定速度曲线对比，以调整主油缸的当前运行速度，令所述主油缸按照设定速度曲线运行[9]。专利CN201610788025.1通过主液压缸用于接收所述可编程控制器传送的控制参数，并依据所述控制参数控制推动执行元件动作；从液压缸用于根据第一液位传感器和第二液位传感器的液位差，执行与所述主液压缸推动动作相配合的从动动作，与所述主液压缸同步推动执行元件[10]。

3 液压同步驱动回路同步控制手段

专利申请中涉及液压同步驱动回路的改进主要体现在阀控、泵控以及控制算法等方面。以下就各种控制手段进行介绍和分析。

3.1 阀控和泵控

阀控和泵控方式实现同步属于液压同步领域常见的控制手段，泵控即通过改变泵的排量实现同步，阀控则通过对阀的控制对流量进行调节进而实现同步。目前国内大量的专利申请也在这两个方面提出了新的构思。

专利CN202011396559.2通过伺服变量泵实现初步同步，通过补油高频响伺服阀实现拉伸缸高精度同步拉伸，即采用伺服变量泵+补油高频响伺服阀两种手段进行同步控制[11]；专利CN202011309396.X采用带阀芯位置反馈的“比例换向阀+进口压力补偿器+平衡阀+压力开关”的组合，与油缸共同形成液压控制回路[12]；专利CN202011064563.9通过通断电磁阀进行同步控制；专利CN202011256902.3基于与至少两个配重油缸呈一一对应关系的电磁换向阀控制至少两个配重油缸各自对应的配重介质状态，基于与至少两个配重油缸呈一一对应关系的压力补偿阀调整至少两个配重油缸各自对应的配重介质的流动流量，以保证至少两个配重油缸呈同步关系[13]；专利CN202011210663.8通过调整流量调节阀2的阀芯运动方向从而改变两个阀芯出口的流通面积进而进行同步控制[14]；专利CN202021749359.6在第一伸缩油缸1的第二油路和第二伸缩油缸2的第二油路上共同通过同步阀9，并且在同步阀9的进油端设置分流马达10对通过同步阀9进入第一伸缩油缸1和第二伸缩油缸2的液压油流量进行均匀分配，即通过“分流马达+设计的集成阀块”的形式进行同步控制[15]；专利CN202021546789.8通过设置平衡阀与背压阀，从多方面共同稳定液压系统，降低抖动情况，提高了同步精度[16]；专利CN201920879850.1在液控先导手柄与工作阀之间增加梭阀桥路进行管路连接，将先导压力分别连通至工作阀两联铲刀升降主阀芯的相应先导油口，以实现两个铲刀升降油缸的同步动作或者差动动作，进而实现铲刀的提升、下降、左倾及右倾[17]。

可见，虽然阀控和泵控是常见的同步控制手段，但在具体的方案上却有各种各样的实施方式，阀的具体种类也是多种多样的，除了常见的伺服阀、比例阀外，还可以通过压力补偿阀、流量调节阀、同步阀、平衡阀、背压阀、梭阀以及特殊设计的阀块实现同步。

3.2 控制算法改进

在液压同步控制中，也有通过控制算法的改进提高同步控制精度，一般常采用PID算法进行控制，例如专利CN200910190950.4根据液压缸的实际位置值PV计算出PID设定值SP，根据SP及PV使用PID算法得到比例阀的开度设定值，比例阀阀芯按此值做移动，并引起液压缸的运动，从而进行同步控制[18]。

但越来越多的同步控制回路则在传统PID算法上进行了改进。例如专利CN201810432359.4通过建立纠偏规律的传递函数，通过齿轮齿条组件对随动阀芯产生偏差位移，通过随动阀芯的位移来改变一号出油口与二号出油口的阀口节流面积，进而改变进入一号液压缸与二号液压缸的流量，最终使得两个液压缸的位移大小相同[19]。专利CN201110419659.7运用了HNC数字闭环控制器，简化了系统设计，并且参数化、模块化、算法简单好用，从而降低了调试难度[20]。专利CN201610431647.9从同步运动控制角度出发，针对多液压缸运动过程中各通道间的耦合效应，将偏差耦合控制方法引入其中，弱化各通道间的耦合关系，以获得较好的同步稳定性[21]。专利CN201610990223.6通过运行中对传感器检测到的两油缸当前位置或输出力相减，作为第三个PID控制器的给定输入，并将该第三个PID控制器的输出作用到每个油缸关于时间的函数的输入上，有效提高了油缸定位同步精度或输出力同步精度[22]。专利CN201710242463.2利用由工控机控制的两个比例伺服阀分别控制步进冷床的两个横移液压缸，每个横移液压缸活塞杆的位移反馈信号的差值经一个比例调节器处理后叠加到工控机输出的对应比例伺服阀的控制信号上，形成模拟闭环回路，反馈信号的差值由工控机进行PD算法处理后叠加到下一个输出控制量中，形成数字闭环回路，在数字闭环回路中，采用PID学习迭代算法将两个横移液压缸的同步误差调节到理想范围之内[23]。专利CN202011116772.3考虑了液压缸推动水平辊时多柔度因素对系统的影响，将两反馈信号进行相加除以二，再分别与各自的反馈信号相比较，平均值大于反馈信号的数值将以负数形式反馈回伺服阀，降低相应活塞杆位置；平均值小于反馈信号的数值将以正数形式反馈回伺服阀，升高相应活塞杆位置，采用这种同步补偿方式，快速准确地实现双缸同步运动[24]。专利CN202011406404.2提供一种多液压缸耦合同步控制系统，包括多个液压位置伺服链路，每个所述液压位置伺服链路用于控制一个垂荡液压缸的动作；其中，每两个所述液压位置伺服链路耦合，以实现每两个所述液压位置伺服链路同步控制。该专利提供的多液压缸耦合同步控制系统，通过设置多个液压位置伺服链路，并使其两两耦合，保证了两个垂荡液压缸同步控制，克服了相位滞后，提高了液压控制系统的稳定性，保证了多液压缸的同步控制精度[25]。专利CN201721532975.4运用了平衡阀、单向节流阀及液控单向阀，实现了稳定保压和调速功能，避免了柱塞缸的有杆腔与无杆腔产生非线性时变；同时在Z型函数的模糊PID算法的控制下，该油路又实现了四柱塞缸高精度同步驱动[26]。专利CN202020326775.9通过构建液压爬模实验平台，模拟爬模机同步顶升的实际工况，采用变频电机驱动技术、分布式控制策略，提高液压爬模机的同步精度，延长爬模机行程，提高爬模效率，减少油液泄漏[27]。专利CN201610568846.4采用粗调和精调双重结合，进行闭环控制，在动作过程中能自动进行实时补偿纠差，不仅提高了调节的精准度，且调节更加快速；降低了液压系统启动时的超调量和工作过渡过程中惯性的影响，增加了系统的可靠性[28]。

可见，目前国内大量的液压同步驱动回路的专利在控制算法上做出了改进，控制算法不再局限于传统的PD或PID控制方式，引入特殊函数或特殊的控制逻辑成为目前研究的新方向。

3.3 特殊回路设计及其他方式

在传统同步控制手段的基础上，越来越多的同步控制回路还提出了新的构思，比如通过多种控制手段的结合、特殊的油路结构、特殊的机械同步结构等方式来实现。例如专利CN202010723654.2振动台面通过偏心块的转动驱动振动，偏心块的转轴通过双缸驱动齿轮齿条带动转动，双缸之间通过能量交换器实现自反馈同步[29]。专利CN201920265214.X的储油箱可以通过第一液压油缸和第三液压油缸分别向第二液压油缸的两个腔室内补油，并通过第一液压油缸和第三液压油缸的同步作用自动校准第二液压油缸，避免人工补油校准[30]。专利CN201821692819.9当气缸驱动时，气缸带动气缸连接头、第三铰链销向前进，从而驱使关联连板绕着中心轴进行转动，当关联连板转动时，就能够同时驱动第一连杆和第二连杆动作，至此，完成同步执行的目的[31]。专利CN201821666240.5通过改变第一油缸21与第二油缸22的连接方式，并且设定第一油缸21的有杆腔和无杆腔、第二油缸22的有杆腔和无杆腔的受压面积，来确保第一油缸21和第二油缸22同步动作[32]。专利CN201820223040.6通过多个液压缸由同一台液压泵供油，再分别通过桥式整流调速器在进油、回油时进行节流调速，保证了不同液压缸动作速度的一致性，实现各个液压缸同步启动、运行和停止[33]。

4 总结

通过对液压同步驱动回路的部分专利文献进行分析可知，越来越多的同步控制回路在传统同步控制手段的基础上进行了改型，比如检测参数的改变或者控制手段的改进。同步控制思路也是多种多样，大多数专利文献的研究方向主要在控制思路以及回路设计上。可见，控制算法以及特殊回路设计已成为液压同步驱动回路的主要研究方向。