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液压DC-DC转换器在机械臂制动中的使用
摘要—本文介绍了液压DC-DC转换器（即降压型Buck转换器）在四足机器人HyQ的机械臂制动中的应用。液压变矩器（HBC）的使用在改进液压制动系统的效率方面具有明显的优势，类似于变阻器型系统，类似于电动开关DC-DC转换器，它可提高液压制动系统的效率。在本文中，介绍了一种由两个数字阀和两
个止回阀组成的HBC，以提高液压四足机器人（HyQ）的单腿效率。这种类型的液压降压转换器能够在两个方向上支持运动。
HBC的开关频率为脉宽调制为100 Hz。与比例控制相比，通过使用快速止回阀可获得更好的能源性能。具有三通四位比例阀的系统的性能与HBC驱动器进行了比较。建立了一个试验台，以使用两个不同的控制器和一个液压比例驱动（HPD）系统来研究HBC的性能，该系统基于比例阀来控制流量，该阀通过耗散的方式节流。评估位置跟踪的性能和能耗。实验结果表明，HBC系统能够以相对较少的能耗实现类似的位置跟踪。
一，介绍
大多数机器人都是电动的。电动机由于其低成本以及尺寸和规格的大量可用性而被广泛使用。尽管电动机具有许多优点，但是在某些应用中，使用液压油的流体制动确实会带来好处，因为功率/重量比高，并且由于油的可压缩性可忽略，因此具有快速的动态响应。对于要求可靠性和坚固性的户外应用，液压致动特别有趣。对液压致动进行了深入研究，以作为操纵腿式机器人的一种手段。在这一领域的早期研究可以追溯到1980年代Raibert的工作[1]。多年来，研究人员研究了腿部运动的不同方面。1998年，Sang-Ho建造了独脚架机器人KenKen [2]。波士顿动力公司首先提出了一种四足机器人BigDog，它能够在包括湿滑斜坡的户外运动，并在被侧踢后能够恢复平衡，以及其他类型的高动态任务[3-5]。KITECH和POSTECH是为韩国国防工业开发的四足机器人[6]。2007年，Istituto Italiano di Tecnologia开发了液压四足机器人（HyQ）并开始对其进行研究[7-9]。基于计量阀的伺服液压系统的主要缺点是效率低，导致需要耗散的机油内部产生热量，这也导致需要大流量泵的大流量。因此，提高液压系统的效率非常重要。为了提高性能，Song和Bin提出了一种两级协调控制方案，以通过数字阀实现节能性能[10-11]。他们的数字液压系统需要相应的伺服液压系统消耗的能量的三分之一，而这仍然是基于使用比例阀（通过节流控制流量，因此采用变阻式方法）进行的。效率提高的主要原因是应用了能够再生流量的特殊数字液压配置。Lumkes应用了高速开关阀来调节来自固定排量泵的流量，将流量引导至液压系统的油箱或高压供应管线[12]，并显示出系统效率比传统油泵提高了14％,开关频率和占空比范围。
液压降压转换器是实现节能性能的另一种数字液压解决方案。该系统是众所周知的降压DC-DC转换器的等效液压系统。在电气系统中，功耗是由电压和电流的乘积获得的。同样，在液压系统中，功耗是压力和流量的乘积。转换器的开关特性有助于降低功耗。初步的模拟结果表明，将液压降压转换器应用于特定类型的液压缸可显着提高效率[13-14]。在本文中，采用了由两个数字开关阀和两个止回阀组成的液压降压转换器（HBC）。在液压机械手HyQ的机械臂中评估位置跟踪和效率性能[7]。本文的结构如下：在第二部分中，介绍了HyQ机器人机器人平台及其腿的特征。第三节和第四节介绍了系统模型和液压降压转换器。第五节描述了实验工作和结果，第六节描述了工作的结论。
S. Peng，E。Guglielmino和DG Caldwell通过意大利热那亚市莫雷戈（Morego），意大利热那亚（Istituto Italiano di Tecnologia）的高级机器人技术部门（Istituto Italiano di Tecnologia），意大利，热那亚（30，16163）（电话： 39 010-71781-481；传真： 39 010-71781250；电子邮件：rosa8416@gmail.com;{Emanuele.Guglielmino; Darwin.Caldwell}@iit.it).
H. Kogler和R. Scheidl就职于奥地利林茨约翰内斯·开普勒大学机械设计和液压传动研究所（电子邮件：helmut.kogler@jku.at;Rudolf.Scheidl@jku.at).DT Branson在英国诺丁汉的诺丁汉大学就读（电子邮件：David.Branson@nottingham.ac.uk）
二， hyq机器人
图1. HyQ机器人的坐姿和站立
HyQ代表液压四足并且是机器人设计用于执行高度动态的任务，例如奔跑和跳跃。HyQ的 尺寸为1.0m * 0.5m * 0.98m（长*宽*高），重量为65kg。它具有12个自由度，关节范围为120度.图1显示了为了坐着和站立时的机器人外形。
每条腿都有一个电动执行器（侧倾运动）和两个液压 执行器，它们由液压缸和比例阀组成。在本文中，右后 腿（如图1和2所示）用于这项工作，以研究HBC系统的性 能。用于致动腿的上部和下部的液压致动器是相同的， 因此仅分析下部腿来评估两个制动系统（比例阀和HBC）的性能。图2. HyQ支腿（右后支腿）
三，液压降压转换器
HBC与传统电力电子转换器，DC-DC降压或降压转换器 的液压类似。等效电力转换器的电路以及液压降压转换器的电路以及其理想化的响应如图3和图4所示。
HBC在概念上的行为类似于电降压转换器（如图3所示）。
右图中的液压组件（例如蓄能器Pa，软管L，止回阀）分别发挥左图中的液压组件，例如电容C，电感L和二极管D（因此，LC滤波器是由软管和蓄能器获得）。液压缸及其负载等效于负载阻力，数字阀的作用类似于开关。使用右侧所示的配置如图3中的图所示，执行器能够在两个方向上驱动负载。蓄能器Pt可以存储吸油阶段所需的最大油量。油箱压力由泄压阀Vr保持。
图3 电动和液压降压转换器
这种配置的特点是，当杆缩回时，有可能将能量回收到压力供应装置中。因此，来自蓄能器Pa的流量溢出使PN处的压力高于供应压力，并且机油可以通过止回阀Qcvs送回到系统管路Ps。开关过程引起的压力波动。
A.工作原理
电降压转换器以两种模式工作：连续模式和不连续模式。与电动降压转换器相似，液压降压转换器也有两种不同的操作模式：流量控制和压力控制。流量控制模式的主要特征是，在每个循环中，通过管道的实际流量衰减为零。相应的压力和流量如图4所示，其中kappa;是占空比，delta;是在单侧数字阀关闭后通过止回阀消除流量所需的续流率，fs是频率PWM的T是时间段。在切换阀的接通时间内（由占空比kappa;确定），通过管道的流量增加；在阀门关闭时间（由1-kappa;确定）期间，由于管道中的油冲动，节点CH1处的压力下降至油箱压力。此后，在空转比的持续时间内，节点压力等于负载压力，直到下一个开关周期开始。
通常，电子设备中的开关频率在kHz范围内，而液压系统中的典型开关频率可以在50到几百赫兹的范围内。有一些物理原因会阻止液压系统出现更高的频率，例如切换阀的动力有限以及系统中流体的液压能力影响的阀门的控制输入是占空比kappa;isin;[0,1]，它控制所需的流量。理想情况下，流量控制模式下的平均流量为
当kappa; delta;= 1时，系统切换到压力控制模式。
- 效果有限和不理想
HBC的性能受到两个主要影响的限制：切换数字阀的静态和动态特性以及软管中的分布式影响.
- 数字阀
在PWM控制的系统中，阀的响应时间必须短于开关频率，以实现足够的脉冲宽度。最快的商用开关阀之一是Sterling7020，其响应时间为10ms [15]。因此，可用的商用开关阀不够快，不足以有效地跟随所需的PWM信号的开关频率。目前，一些机构正在进行快速新型阀门原型的研究[16，17]。更快，更大的数字阀的发展使数字液压技术在未来的研究中更加有前途。
（b）波浪传播
由于流体的可压缩性和惯性，可以在传输线中激发压力波。在数字液压中系统发生由阀门切换引起的宽带激励。波浪在软管中来回运动。当满足传输线的固有频率时，会导致共振效应，然后，波传播会对HBC驱动系统的性能产生重要影响，因为它设置了开关频率的上限，导致系统响应阶跃。
四，液压驱动
这项工作中使用的液压系统的简化示意图如图5所示。在B侧，使用泵来供应液压系统。
（a）液压系统 （b）比例阀
如果配置正确，则阀门系统会将A侧保持在指定压力以支持所需的运动。气缸的B侧始终连接到恒压源。A侧和B侧共享同一台泵。
（C）液压降压转换器
图5 液压系统，比例阀和液压降压转换器
在虚线框“阀门系统”中，指定配置的阀门用于向气缸A侧提供所需的流量。在这项工作中，评估了两种类型的阀系统：比例阀（Wandfluh阀，如图5（b）所示），以及由两个数字阀和两个止回阀组成的HBC（如图3所示）
图6 制动系统
如图6所示，简化了液压致动系统，其中x和v是活塞的位置和速度。电源（pS,qS）连接到B侧，要求的流量（pA，qA)输入到另一侧以驱动设定的运动。非线性动态系统可以以状态空间形式表示
其中x和v是圆柱的位置和速度；PA是A侧的压力；Ps是泵压力；A1和A2是活塞和活塞杆的侧面区域；F是施加在杆上的力；dv为粘滞摩擦系数；k是累加器的多方指数；PG是蓄能器的气体预充气。
线性化（2）得到以下传递函数。
- 实验工作
进行了一组实验，以测量带有HBC和HPD的系统的位置跟踪和效率。选择了三种类型的运动来分析结果。对于每种运动，都比较了三种情况：带比例控制的HBC系统，带前馈加比例控制的HBC系统和带比例控制器的HPD系统。应该强调的是，本研究的目标不是控制器的设计，而是系统的效率。但是，由于系统本质上是闭环的，因此需要进行控制，并且还必须确保两个系统效率的公平一致的比较。
A,实验台
该测试台被设计为可与HBC和HPD一起使用（图7）。它包括一个压力源，一个三位四通比例阀（用于大腿），一个液压降压转换器和一个三位四通比例阀用于小腿。安全阀用于设定油箱压力。
图7 测试装备和HyQ支腿
测试装置和HBC如图8所示。阀VS和VT的切换时间为2ms。蓄能器C的体积为0.04L。液感的管道长度为1.15m。
图8 测试系统原理图
为了比较两个系统的性能，HBC和HPD都连接到执行器的A侧，恒压源连接到执行器的B侧。使用三个球阀（阀A，阀B和阀C）在HBC和HPD之间手动切换实验。
表一 运动参数
|
运动类型 |
正弦波轨迹参数 |
||
|
振幅 |
频率 |
偏移量 |
|
|
运动1 |
30° |
0.5HZ |
60° |
|
运动2 |
30° |
0.25HZ |
60° |
|
运动3 |
40° |
0.5HZ |
60° |
测试了表I中列出的三种类型的运动，以评估促动系统的性能。当气缸的杆位于无杆腔室的底部时，将定义0角度位置，并且角度位移会随着气缸的延伸而增加。所有运动的初始位置均为60°，这是运动范围的中点.
B 控制器
控制器在Simulink中建模，并在dSpace中实现。关节角位移，泵和油箱压力以及到数字和比例阀的流量由dSpace中的数据采集板收集。
图9 HBC的控制器
图9示出了针对HBC系统（以及类似地对于HPD，在没有前馈项的情况下，包括P控制和前馈控制）的控制器。气缸A侧的所需流量和压力将发送到具有HBC特性的查找表，并计算所需的占空比并将其作为命令输出到阀门。T B 反馈用于补偿所需流量和实际流量之间的误差。
在HPD系统中研究了比例阀的性能，以与两个HBC系统的性能进行比较。HPD的控制器是一种特殊情况。角位置反馈给控制器，P增益用于输出阀的命令。
C HBC的特征
在HBC系统的控制器中，查找表“ HBC的特性”（如图10所示）用于确定阀门的所需命令。该特性是占空比的一种形式，它是输出端压力的函数。HBC歧管和通过HBC的所需流速。在实验中测量了有限数量的稳定工作点。对于每个工作点，气缸的速度和阀门输入信号的占空比为测量固定压力和相应压力作为HBC的特性。通过插值算法创建连续的3D曲面。另外，在零流速线周围增加了一定的死区。
图10 HBC的特征
D 实验结果
三种运动的实验结果如图11、12和13所示。如第四
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