一种高效直驱液压角度位置伺服控制系统的研究和实现_郭大勇.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期机床与液压 .:.本文引用格式:郭大勇,陈照弟,司国雷一种高效直驱液压角度位置伺服控制系统的研究和实现机床与液压,():,():收稿日期:作者简介:郭大勇(),男,硕士,高级工程师,研究方向为微小型液压元件设计。:.。一种高效直驱液压角度位置伺服控制系统的研究和实现郭大勇,陈照弟,司国雷(四川航天烽火伺服控制技术有限公司,四川成都)摘要:基于直驱式液压系统效率高和阀控伺服系统精度高的特点,提出一种位置二元控制方法。第一元是步进电机控制的数字阀和执行器通过机械负反馈形成的闭环伺服系统,实现系统的精准位置控制。第二元是伺服同步电机控制的柱塞泵系统,系统根据执行器能够达到的加
2、减速度、最高速度、作动器的排量、初始位置和目标位置的差等,计算所需流量和具体执行的步进电机控制的节奏,并以步进电机控制节奏为参考,控制同步伺服电机速度及相应泵的流量,实现大偏差时高效运行;在小偏差时,在蓄能器压力达到设定值时,关闭同步伺服电机和柱塞泵,避免泵在低速低效区运行,用蓄能器储存的能量实现位置伺服纠偏控制;系统一直运行在高效状态。二元控制方法具有两个简洁的机制实现精准和高效目标,实用可靠。关键词:直驱式控制;数控阀;二元控制;伺服系统中图分类号:,(,):(),:;前言直驱液压系统(,)是通过泵直接控制作动器的系统,由于效率高、可靠性强、可换向,广泛应用于大型泵控缸和泵控马达速度控制系
3、统中,如大型工程车辆前后桥的泵控马达驱 动 系 统,一 般 称 为 静 液 压 传 动()。这种设计缓解了大型车辆机械传动轴所需的硬性空间。国内外各大液压公司如、等都有成熟的产品可供客户选用,、等国外大型工程机械厂商和我国的一些大型工程机械厂商都有实际应用。典型的液压回路主油泵一般是双向泵,油在泵和马达间循环,并通过补油泵补偿液压泵和马达的泄漏。循环油和双向泵可以实现输出换向,表现在车辆上就是前行和后退。液压伺服系统一般包括位置伺服系统、速度伺服系统和力或扭矩伺服系统。伺服系统一般考虑的是系统稳定性、快速响应特性和伺服精度,一般是伺服阀控制作动器,简称为阀控系统。阀控伺服系统的控制位置、速度或
4、力 扭矩能够达到很高的精度。液压泵只提供压力源,压力保持在高位,并通过溢流阀溢流,在纠偏调节过程中,很大部分能量或流量被溢流阀、伺服阀中的节流功能和开关功能损耗掉,效率低。如何利用直驱系统高效性同时又能满足伺服带来的精度特性要求,一直是研究的难点。由于直驱高效节能特性,国内展开了很多这方面研究,主要研究单位有北京航空航天大学、广东工业大学、太原理工大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等。在船舶舵机、升降机、注塑机、锻机、等方面都取得不错的进展,采用了现代控制方法如大偏差时的 控制、模糊控制理论和 的神经控制元和自学习控制,、模糊控制、速度位置复合控制、双泵系统等的创新应用,但是规范化的设计应用依然受
5、限于泵内部泄漏,在高压下内部泄漏使得泵的最低速度受限,国内外品牌的泵生产商会标记最低转速(左右);以及伺服控制稳定阶段的微调阶段需要克服最低转速的双向转动,使得 在位置伺服精度控制系统中受限。具有高压、超 低 泄 漏 和 小 启 动 扭 矩 的 泵 是 这 个 技 术 的关键。二元控制方法的提出基于目前数控阀理论和同步伺服电机调节机制,结合直驱泵控和伺服阀控的各自优势,提出二元控制理论。第一元是步进电机形成的数控阀和执行器之间通过机械负反馈形成闭环控制的跟随系统,这个系统执行伺服控制的精度要求。第一元控制也可以称为内核控制。第二元是系统通过数据链协调,根据数字阀控制的步进电机的速率,执行器加速
6、、减速的时间,通过同步伺服电机实现电机速度控制和系统所需的流量控制。第二元电机驱动的泵控也可称为外核控制。在偏差大时,控制阀开度大,基本是泵直接驱动作动器,是 驱动;在偏差小时,同步伺服电机给蓄能器充压到一定范围内,同步伺服电机在压力信号驱动下停止工作,并通过系统中单向阀把压力油保留在蓄能器、数字阀和作动器之间,在数字阀调节系统趋近控制目标时,由蓄能器供油,数字阀调节作动器到指定位置。新的设计利用蓄能器的存储功能避开泵的低速低效区,同时实现精度微调。这里通过对比典型的伺服阀控系统(图)和二元控制系统的原理(图),分析不同,以便于具体的设计。图 伺服阀控制系统原理.图 含数字伺服系统的二元控制原
7、理.()伺服控制系统的核心控制阀是伺服阀,二元控制系统核心控制阀是数字阀。伺服阀服从各种控制算法,实现优化;此项目中位置伺服系统是机械闭环,是随动系统,一旦设计完成,调整空间小,但是使用方便。()伺服控制系统中电机是一般电机,二元控制系统中泵是由更高效率的同步伺服电机控制。()伺服控制系统中,泵出口没有单向阀,二元控制系统泵出口有单向阀。单向阀可以保持蓄能器能量用于系统微调。本文作者提出的二元控制理论是利用蓄能器储能原理,绕开了泵的低速低效区,利用阀控灵活性和数字控制的可传输性实现系统可协调性控制来节能。利用数字阀自身的机械反馈特性,实现跟随的伺服控制,具有很好的鲁棒特性,系统性能稳定,精度有
8、保证。第一元数控阀控制作动器实现文中涉及的项目主要指标:大于 的驱动扭矩,重复精度.,系统效率不小于。其控制原理如图 所示。数字阀控摆动缸系统是机械负反馈系统,步进电机给定目标信号是角度信号,这个角度信号和负反馈的角度信号通过阀内部机械装置转化为阀位移信号,一旦阀设计完成,角度信号差和阀位移成线性比第 期郭大勇 等:一种高效直驱液压角度位置伺服控制系统的研究和实现 例关系,其线性度定义为角度阀芯位移系数;阀位移和被控制的摆动缸系统就组成了一个阀控摆动缸系统。这里先推导出阀控摆动缸系统传递函数,其形式和阀控马达类似;然后基于传递函数,根据精度要求,确定反馈比例系数,并通过稳定性要求,确定各个环节
9、中的设计参数。这里先推导阀控摆动缸的线性化传递函数。.阀的线性化流量方程()式中:为控制阀流量系数;为阀位移,;为控制阀压力系数;为负载压力,。一般阀都是三位四通阀,压力进入阀体流量方程:()()式中:为节流系数,由流体的节流特性决定,一般取为.;为阀的开度,一般取阀芯的周长,为阀芯直径,特殊情况可以不全开。由执行机构通过阀体回油的流量方程:()阀体内部泄漏很小,文中执行机构摆动缸内部和一般活塞 活塞杆缸体一样,几乎没有泄漏。为了线性化,按照传统的方法取平均值为负载流量,负载压降。()()()由于流体的压缩量相对较小,泄漏较小,可以忽略。假定系统压力 在相对时间内不变,。阀压降 和 是动态的,
10、一般阀设计的阀压降是.左右,线性计算中可定义为。对式()和式()线性化,可得滑阀两个节流口流量方程:()()()()把式()和式()代入到方程()(),可得到线性化的流量方程:()定义流量增益()和压力增益()可得到式()。.连续性方程 ()式中:为等效摆动缸排量,;为阀和摆动缸内部泄漏系数;为阀和摆动缸及其管路内液压油一侧体积;为等效体积弹性模数(包括液体、混入油中空气及腔体的机械刚性),;为摆动缸角度位置。.力矩平衡方程假定负载完全刚性或不考虑负载弹性,力矩平衡方程:()式中:为摆动缸理论扭矩;为摆动缸活塞、活塞 杆 和 负 载(折 算 到 摆 动 缸 上)的 总 惯 量,;为 负 载 和
11、 摆 动 缸 的 黏 性 阻 尼 系 数,;为负载力矩。.阀控摆动缸的传递函数根据阀线性化流量方程、流量连续性方程、力矩平衡方程,阀控摆动缸传递函数如下:|()()式中:为总的流量压力系数,由于,式()可以简化为|()进一步定义()()把式()和式()代入到式()中机床与液压第 卷|()从式()可以看出负载扭矩是摆动缸角度控制精度的负载,根据式(),可以看出,在数控阀不出现超调的情况下,阀开度是 时,是趋近 的,由于摆动缸和阀内部泄漏极小,也趋近,总的液压刚性系数式()也趋近于,负载引起的偏差极低。摆动缸的转角对阀位移信号的传递函数可写成:|()|().第一元位置闭环系统的精度和稳定性分析根据
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