（机械电子工程专业论文）一种数字阀调节系统及其plc控制的研究.pdf

兰州理工大学硕士论文 v7 2 0 9 9 6 摘要 本文介绍多路阀的数字化改造原理，将原手动多路换向阀的操作手柄改造成步进 电机和传动环节，给出了其传递函数。提出了对步进电机进行控制的p l c 控制方法， 对其p l c 控制软件设计进行了研究，给出p l c 控制的程序流程图。并分析了数字阀 调节系统的控制特性，对数字阀也进行了理论分析和仿真研究。 步进电机带动随动机构作为多路换向阀的先导控制环节，使主阀芯严格跟随先导 机构的运动而移动，消除了液动力、摩擦力等对主阀芯的影响。并可以进行程序直接 控制，使成本大大降低，又因为步进电机的重复精度高，所以阀的可靠性和静态控制 精度得到提高。 本文对z s l 2 5 e 多路换向阀进行了改造，增加了自动控制部分。 关键词：数字式多路阀p l c 步进电机随动机构 兰州理工大学硕士论文 a b s t r a c t am e t h o do fi n n o v a t i o no fam u l t i - w a yd i r e c t i o nv a l v ei si n t r o d u c e di nt h i s p a p e la s t e p p i n gm o t o r a n dt r a n s i t i o np a r tw a sa d d e dt ot h eo r i g i n a lv a l v e ，a n di t sp a s s i n gf u n c t i o n i sp r e s e n t e d ak i n do fp l c c o n t r o lt os t e p p i n gm o t o ri si n t r o d u c e d ，t h es o f t w a r ed e s i g n d i s c u s s e d ，t h ep r o g r a mf l o wc h a r tg i v e n ，a n dt h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c a n a l y z e d a l s o a n a l y z e dt h ed i g i t a ls y s t e mi nt h e o r ya n d i ne m u l a t i o n s t e p p i n gm o t o rd r i v e st h es e r v om e c h a n i s ma c t i n ga sg u i d ec o n t r o lp a r to f m u l t i w a y , s ot h em a j o rv a l v ee l e m e n tm o v ea tt h es a m ew a yw i t hg u i d em e c h a n i s m ，e l i m i n a t et h e e f f e c to ff l o w i n gf o r c ea n dt h ef o r c eo ff r i c t i o n t h e nm a k et h ep r o g r a md i r e c t l yc o n t r o l p o s s i b l e ，a n dg r e a t l yd e c r e a s et h ec o s t b e c a u s et h e s t e p p i n gm o t o rh a sh i g hr e p e a t p r e c i s i o n ，t h ev a l v e sr e l i a b i l i t ya n ds t a t i cc o n t r o lp r e c i s i o ni si m p r o v e d t h i sd i s c o u r s er e c o n s t r u c tt h ez s - l 2 5 e m u l t i - w a yv a l v e ，a u t o c o n t r o lp a r tw a sa d d e d t ot h eo r i g i h a lv a l v e k e y w o r d s ：d i g i t a lm u l t i - w a yd i r e c t i o nv a l v e ；s t e p p i n gm o t o r ； p l c ；s e r v om e c h a n i s m l i 兰州理工大学硕l ：论文第一章绪论 第一章绪论 随着数字技术和数字信号的发展，给液压控制技术也提出了新的思路和挑战， 数字液压元件因为能够直接接收数字信号，易于与计算机接口【1 】【2 1 ，已开始运用到 各个工业领域。步进电机可以把电脉冲信号转换成角位移或直线位移，是一种电一 机械转换元件，也是数字控制元件之一【。步进电机的位移量与输入脉冲数严格成 e 比，转速和脉冲频率和步进角有关。步进电机须使用专用的步进电机驱动器，对 步进电机的控制就是对其驱动器的控制。 1 1 数字元件的研究背景和意义 随着我国工业现代化建设步伐的加快，能源缺乏使得能源的合理利用变得更加 重要。在流体传动及控制技术领域，节能技术同样必不可少。开展流体传动节能技 术的研究不仅可从现有液压设备的节能技术发行中获得巨大经济效益，而且也是开 发高效液压气动元器件，赶超国际先进水平的需要。从这个意义上说，数字元件是 节能技术的产物。 另外，随着微机及数控技术在国民经济各部门应用日益广泛，液压和电予技术 结合已成为必然趋势。而且，机器工作精度、响应速度和自动化程度的提高，对液 压控制系统也提出了更高的要求。自8 0 年代以来，逐步完善和普及的计算机控制 技术和集成传感技术为电子技术和液压技术的结合创造了条件。计算机控制在液压 控制系统中的应用大大提高了控制精度和自动化程度，使得以往难以解决的控制难 题有了突破的希望。在对数字元件的研究工作中，通过液压与电子技术的有机结合， 达到了精度控制、自动化、省能这样三个目的，使液压技术与电子技术的优点得以 相互补充。因此，积极开展数字元件的研究是液压系统数字控制的一个十分重要的 课题。 我国在这方面的研究与国外相比还存在着一定的差距，为了尽快的赶超国际先 进水平，开发研制符合我国工业现代化建设需求的机电液一体化产品，积极的开展 液压数字元件的研究是开发机电液一体化产品及系统的一个重要课题。 1 2 国内外液压数字元件的研究及发展现状 对液压数字元件的研究开发主要包括：液压数字阀、数字缸、数字马达及数字 泵。根据控制方式的不同，电液数字阀主要分为增量式数字阀和快速开关式数字阀 ( 又称脉宽调制式数字阀) 1 4 l 【“。增量式数字阀是指以步进电机作为机、电转换元 件的数字阀，对它的研究、开发和应用发展较快，国外已有系列化产品，而对开关 式数字阀尚处于研究阶段。其具体分类如图i - 1 所示。 兰州理工夫学硕：l 论文 第章绪论 r -压力阀 i j 增量娟流量阀 l 方向流量阀 r 盘式电磁铁+ 锥阀 i 快速开关 螺管电磁铁+ 锥阀、球阀 f力矩- 5 达+ 球阀 压电晶体+ 滑阀 图1 - 1 数字阀的分类 电液数字阀的历史并不长，但发展较快。国外自上世纪7 0 年代后期开始研制， 以日本较为领先【6 】。8 0 年代初日本开始推出系列产品，如1 9 8 2 年前后日本东京计 器公司首先推出了直动数字式压力阀、数字式流量阀、数字式方向流量阀，并在机 床、成形机械、试验机、工程机械、汽车、冶金机械等工业控制中得到广泛应用。 1 9 8 7 年，日本高谷技术公司研制成新型r c v 旋转式数字方向流量控制阀，该阀结 构简单、制造容易、造价低廉1 7 1 。目前，日本已经开发出规格齐全，性能稳定的增 量式数字产品。另外，德国、美国、加拿大等国在不同时期也相继有不同的产品问 世。 上世纪8 0 年代中后期，国内的许多大专院校及研究所如；浙江大学、重庆大 学、上海大学、哈尔滨工业大学、广州机床研究所等也相继开展了电液数字阀的研 究。如：浙江大学研制了由全盘式电磁铁与锥阀组合而成的快速开关式数字阀，并 于1 9 8 6 通过技术鉴定1 8 1 。上海大学对步进式数字溢流阀及基于二进制原理的气动数 字流量阀进行了研究【9 】【1 0 】。九十年代后期，浙江工业大学有关于2 d 电液数字换向 阀的实验报告，并开发出了步进电机连续跟踪控制算法，实验表明该阕具有良好的 控制特性。尽管如此，目前国内尚未形成系列产品，应用还局限于很小范围。 液压数字缸、数字马达是六、七十年代开始出现的。1 9 5 9 年日本富士通公司研 制出了一种由步进电机控制的电液脉冲马达，它的出现标志着增量式数字元件的诞 生。1 9 7 0 年，西德力士乐公司利用螺纹伺服机构研制出了液压脉冲缸，是三通阀控 制差动缸的机液伺服机构，这种数字缸零件少，结构紧凑，但加工困难【1 1 1 。日本东 京计器公司在“1 9 7 7 年液压、气动国际展览会”上展出了电液脉冲缸，是利用位置 反馈把丝杆装在活塞杆里，使活塞位置直接机械反馈到阀芯，其特点是结构简单， 定位精度高【“l 。国内浙江大学液压研究所和江西第二机床厂联合研制了高速数控步 进液压缸，它由步进电机、伺服阀和液压缸组成，并采用内控型刚性反馈l 矧。 2 厂，、ll 阀字数液电 兰州理工大学硕士论文捧一章绪论 下表是数字阀与电液比例阀和伺服阀的性能比较【1 4 】【1 5 】。由此表看出，电液比例 阀和伺服阀虽都为模拟型，但在性能上有较大差异，因而应用场合亦有较大差别。 表1 - 1 数字阀与电液比例阀和伺服阀的性能比较表 数字阀电液比例阀伺服阀 工作简易程度容易较容易难 负载敏感度好好好 成本低中等高 响应阶跃响应0 1 0 2 s1 0 h z2 0 3 0 h z 滞后、重复度误 o 1 3 7 3 差 温度漂移 2 ( 2 0 6 0 c )6 8 ( 2 0 6 0 )2 3 ( 2 0 6 0 ) 抗污染能力很强颇强差 功率消耗8 w3 1 5 w0 0 5 5 w 1 3 多路阀的发展概况 在液压元件试用教材中对多路阀是这样定义的：多路阀是一种集中布置的 组合式手动换向阀。多路阀的主体是几个手动换向阀。根据不同的工作要求，还可 以将安全( 溢流) 阀、单向阀、补油阀等也组合在阀块内。多路阀主要用在各种工 作机械、起重运输机械等行走机械上，进行多个工作机构的集中控制。它具有便于 操作、结构紧凑、通用性好、流通阻力损失小等特点。 按照多路阀所构成的液压系统性质，有并联、串联、顺序三种形式。下图分别 表示这三种多路阀的组合形式。在此图上只画了三个手动换向阀，根据需要还可以 将更多的手动换向阀组合在一起。 并联式多路阀的主泵同时向多路阀控制的各个执行器件( 液压缸、液压马达) 供油，各换向阀进口压力等于主泵的供油压力。几个阀同时操纵来完成复合动作时， 负载小的执行器件先动作，并且，复合操纵时各执行机构的流量之和等于泵的总流 量。所以复合操纵时的动作速度比单独动作时的速度低。 串联式多路阀的主泵依次向多路阀组控制的各个执行器件供油。只要压力足 够，就可以实现多个动作的复合操纵，每个执行器件只占用主泵的部分供油压力， 因此这种形式适用于高压系统。 顺序式多路阀的主泵按顺序单独向每一个执行器件供油，因此只能按多路阀中 的换向阀排列次序单个动作。操纵前一个阀时，后面的阀被切断油路，从而可以避 免各执行器件的动作干扰，具有互锁功能，防止误操作。 兰州理t 大学硕士论文第一章绪论 图1 - 2 多路阀组合形式 并联式油路的多路阀由两个三位六通手动换向阀和一个单向阀、一个溢流阀所 组成，阀芯为弹簧自动复位式。 而随着液压技术的发展，对多路阀的定义也发生了变化。 多路阀是一种带有辅助功能的集中控制装置，它减少了连接管路和流阻的损 失，提高了工作的可靠性。从阀体结构看，多路闽有整体式和组合式两种。整体式 多路阀结构紧凑，但对阀体铸造要求较高，比较适合于相对稳定的液压设备上使用。 组合式多路阀可按不同的使用要求组装，通用性较强。 对多路阀的研究侧重于对结构的研究，控制形式一般为手动。 其实，多路阀的比例方向流量控制是由操作者借助于一定的控制形式实现的。 所以，多路阀的控制形式和多路阀的控制性能，是多路阀设计中两个最重要的问题。 多路阀是靠其换向阀阀杆的移动而控制液流方向的，过去的多路阀的阀杆大部 分都是用手通过械杆直接搬动的，随着液压技术的发展，近年来出现了一些新的操 纵方式，总的趋向是将多路阀的换向阀由手动向液动再向自动发展。采用较多的有 以下几种： ( 一) 用减压阀式先导阀操纵换向阀 4 兰州理工大学硕+ 论文第一章绪论 ( 二) 双节流式先导阀 ( 三) 随动机构控制先导阀 随着电子与液压技术的结合，又出现了用比例式或数字式电机械转换器 ( 常用比例电磁铁) 操纵。由以上数字阀、电液比例阀和伺服阀的比较分析， 可知其各有优缺点，如果能将数字与随动机构相结合，即能够体现伺服阀的精 确控制，又可以进行直接的数字控制。本文对这一方面进行了探讨。 1 - 4 数字式多路换向阀组成原理 电液比例控制已经是比较成熟的技术，采用电液比例阀的传统电流比例控制技 术，在各领域已得到广泛的应用。但其价格高，维护较困难，而电液数字阀具有许 多优点，如对负载变化、各种干扰以及非线性因素不敏感等。其最大优点是可利用 微机通过编制合适的软件直接控制，实现对液压招待机构的直接数字控制。不必在 编码与模拟量之间作往复转换，也无需采用昂贵的线性放大器，而成本大为降低； 可靠性与静态控制精度得到提高，这在开环系统中更为突出。 数字多路换向阀工作原理 数字式多路换向阀在原手动换向阀加上步进电机、传动环节组成。步进电机接 受电机驱动器的信号将电信号转变为圆周运动，传动环节采用控制螺杆，将圆周运 动转换成直线运动从而带动多路换向阀的阀芯运动，进而控制进入系统的流量。 数字式多路换向阀及其控制系统的组成框图： 图1 - 3 数字式多路换向阀组成框图 数字多路阀的控制框图： 图1 - 4 数字多路阀的控制框图 兰卅f 理工大学硕士论文 第一章绪论 1 - 5 p l c 控制 可编程序逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 1 1 6 1 1 1 7 1 是专为工业环境下 应用而设计的工业计算机，由控制器、存储器、输入输出接口等组成。 通用计算机p l c 工作目的科学计算，数据管工业自动控制 理 工作环境要求较高要求较低，可在恶劣的 工业现场工作 工作方式中断处理方式循环扫描方式 系统软件需配备功能较强的只需简单的监控程序 系统软件 采用特殊措施掉电保护等一般性采用多各抗干扰措施， 措旌自诊断，断电保护 编程语言汇编语言，高级语梯形图，助记符语言， 言s f c 语言 操作人员需专门培训一般技术人员稍加培训 即可 内存要求容量大容量小 价格价格高价格较低 其他机种多，模块种类多 它能够完成各种逻辑运算、顺序控制、定时、记数、步控和算术操作及在线监 控等功能。同时还具有数字量或模拟量输入输出控制的能力。特别是p l c 除具有 逻辑指令外，还具有较强的功能指令。正确使用这些指令，可以达到事半功倍的效 果。p l c 以其较高的可靠性能经受恶劣环境的考验并具有控制灵活，使用方便等优 越性，在工业控制领域获得广泛地应用。与通用计算机相比较，可编程序控制器在 工业自动控制方面有其独特的优势，这主要体现在表1 - 1 的十个方面： 本课题中，可编程序控制器对数字多路阀的控制是通过对步进电机控制1 1 8 1 1 9 1 实现的。以软件控制的办法代替了原来的控制。根据需要，可随时通过微机对程序 进行修改，有很强的适应能力，使数字多路阀能够更好地应用到实际的液压系统中。 1 6 本课题的主要任务及主要内容 本课题提出了一种新型的步进电机驱动的数字控制多路阀，它具有如下特点： 1 ) 结构简单、紧凑、分辨率高： 兰州理工人学硕士论文第一章绪论 2 ) 采用螺旋伺服机构，螺纹顶部既能控制油路的切换，又可以完成伺服机构 所必须的位置检测。因此，既使是开环控制，也能达到较高的控制精度。 3 ) 选用了双轴伸步进电机，为处理应急情况提供了方便； 4 ) 操作方便，通过改变p l c 内部定时器设定值，即可改变阀的响应速度，通 过改变输入的脉冲数直接控制阀的流量； 5 ) 控制螺杆( 即伺服阀阀芯) 由步进电机直接驱动，避免了因油液不洁造成 卡死现象，可靠性好。 所研究的数字阀控制系统主要由三大部分组成：1 控制放大器。它由可编程序 控制器和放大器两个部分组成：2 传动部分。它是由步进电机、控制螺杆和变量活 塞组成一个整体；3 主阀体。即为普通的手动多路换向阀。 本课题的主要工作即是对传动机构的合理设计和软件编制，对阀进行控制。主 要工作包括： 1 、数字阀传动机构设计。 2 、数字阀控制系统硬件设计、软件设计。 3 、数字阀控制系统理论分析及仿真。 第二章 数字式多路换向阀 第二章数字式多路阀 2 - 1 多路换向阀控制系统 2 1 1 概述 多路阀是一种带有辅助功能的集中控制装置，它减少了连接管路和流阻的损 失，提高了工作可靠性。从阀体结构看，多路阀有整体式和组合式两种。整体式多 路阀结构紧凑，但对阀体铸造要求高，比较适合于相对稳定的液压设备上使用。组 合式多路阀可按不同的使用要求组装，通用性较强。 由于多路阀的比例方向流量控制是由操作者借助于一定的控制形式而实现的。 所以，多路阀的控制形式和多路阀的控制性能，就成为多路阀设计中两个最重要的 问题。 2 1 2 多路阀的控制形式【加】【2 1 】 为了实现多路阀的方向和流量控制，需要对多路阀的各联阀芯进行位置控制。 实现主阀芯位置控制的基本方法有两种：不带主阀芯位置反馈的开环型和带主阀芯 位置反馈的闭环型。开环型可满足多数液压系统的要求，闭环型则用于控制精度要 求高的场合。 常见的多路阀的控制方式分为直动型和先导型两大类。 一、直动型 直动型一般是指用手柄直接操纵主阀芯而使其动作的形式，它一般用于工作压 力和流量较小的场合。直动型属于开环型，这种形式必须将多路阀布置在操纵者周 围。 二、先导型 先导型是指先导阀控制先导油液，先导油液再控制主阀的形式。这种形式已经 过功率放大，可用于工作压力和流量较大的场合。它可以是开环型或闭环型。 先导型阀分类 先导型又分为机液先导型和电液先导型两种。 ( 1 ) 机液先导型指的是用手柄操纵先导阀，先导油作用于主阀芯并使其动作的形 式。这种形式允许将多路阎布置在高操纵者有一定距离的地方( 随动式多路阀 除外) 。 ( 2 ) 电液先导型指的是用比例式或数字式电机械转换器( 常用比例电磁铁) 操纵 先导阀，先导油液再控制主阀芯动作的形式。这种形式允许将多路阀布置在离 操纵者有相当距离的地方，可用于遥控场合。 先导型阀形式 8 第二章 数字式多路换向阀 用于多路阀先导级控制的阀通常有以下几种： n 1 先导减压阀它用三通减压阀输出一个与输入信号( 一般为手柄位置) 成比例 的先导油压力来控制主阀。 f 2 1 先导溢流阀它用比例溢流阀及固定液阻输出一个与输入信号成比例的先导油 压力来控制主阀。 ( 3 1 双节流阀它用手动或比例电磁铁来改变两个a 型液压半桥的节流开度，从而 获得一个与输入信号成比例的先导油压力来控制主阀。 ( 4 ) 高速电磁阀开关阀它用二位两通型高速开关阀及固定液阻获得一个与输入信 号( 如脉宽占空比) 成比例的先导油压力信号来控制主阀。另外，也可用三通 高速开关阀。 ( 5 ) 随动式先导阀它用手动、比例电磁铁或步进电机控制先导随动阀，采用随动 机构使主阀杆严格地随先导机构移动，相当理想地消除了液动力、摩擦力等对 主阀杆的位移影响，减小了操作力。本文研究的数字多路阀即为此种形式。 除第4 种外，它们可做成机液式先导级。而这5 种均可做成电液式先导级， 前4 种是通过对先导输出压力进行控制( 前2 种可带有先导输出压力对输入力的 反馈) 而实现对主阀芯的位置进行控制，第5 种带位置直接反馈。 先导型阀反馈形式 当液压执行机构控制精度要求较高时，常利用主阀芯位置反馈，构成主阀芯位 置闭环控制。 主阀芯位置对先导级或输入量的反馈有多种形式： ( 1 ) 位置机械( 直接) 反馈的形式，先导阀可以是机液型或电液型。其中机液型需 将先导阀及主阀布置在操纵者周围；而电液型布置较灵活，电机械转换器可用 比例电磁铁或步迸电机，但目前这种机械反馈型多路阀应用都较少。本课题研 究的即为使用步进电机的电一机械反馈型多路阀应用。 ( 2 ) 位移电反馈形式，通常采用电感式位移传感器来检测主阀芯位置的实际值，它 与设定值进行比较，并按此偏差去控制先导阀。先导阀可以是比例阀或高速开 关阀。这种形式控制精度高、价格较贵，有应用实例，但不很普遍。 ( 3 ) 位移力反馈的形式，通常采用检测弹簧将主阀芯位移转换成力，再反馈至先导 阀，先导阀一般为比例阀，因而稳态时反馈弹簧力与比例电磁铁输出力相平衡， 这样就实现了以较短行程的比例电磁铁操纵较大行程的主阀。该形式价格适中， 主阀芯位置控制精度较高，在多路阀中得到了一定的应用。 2 1 3 多路阀的控制性能 多路阀的功能是实现多路方向和比例流量控制。多路阀所控制流量的比例特性 或调速特性，是由多路阀的结构和所构成的液压系统所决定。 9 第二章数字式多路换向阀 液压系统的调速方法( 流量控制方法) 有节流调速和容积调速两类，两者分别 与阀控液压系统和泵( 马达) 控液压系统相对应。节流调速的特点是结构紧凑、动 特性好，但传动效率低；容积调速的特点是传动效率高，但动特性较差。 由于多路阀构成的液压系统所采用的调速方法，大多属于节流调速( 包括带与 不带压力补偿阀两种) 。这样，当多路阀所控制的执行机构功率较大时，就会出现 较大的功率损失。为克服这一缺点，7 0 年代初国外学者在车辆液压系统中，首先 提出了将节流调速和容积调速相结合的多路控制系统一负载敏感系统。相应地，出 现了负载敏感泵和负载敏感多路阀。 要使液压系统效率高，除了使其在工作时效率高外，还要使其在待用状态时( 即 多路阀各联阀芯均在中位时) 能耗低。为此，在待用状态应使泵输出油液的流量和 压力尽可能的低( 即泵就卸荷) 。对定量泵来说，可使输出油液的压力较低( 一般 无法降到零) ；对变量泵来说，可使输出油液的流量和压力都较低。卸荷有两种方 式，一是主油路通过主阀卸荷；二是先导油路通过卸荷( 或由阀在中位时先导电信 号使泵卸荷) 。对多路阀而言，由于任一联要工作时泵源就不能卸荷。因此卸荷必 须通过各联阀。 根据调速和卸荷的需要，已经设计出了六通型和四通型两种多路阀结构。 六通多路阀如图2 1 ( a 1 所示： 根据执行机构的同时或顺序动作要求，六通型多路阀各联之间可采用并联、串 联、串并联和复合连接方式。 b 2 a 2 b 1 a 1 a - 仁蕾i舭r 匿i 一母一t | 7 单一| 图2 - 1 ( a ) 六通多路阀图2 - 1 ( b ) 四通多路阀 一种为并联型六通阀。当某一联阀芯离开中位进入工作状态时，中位回油通道 逐渐关小，到工作口a 或b 的通道逐步增大，因而，是一种进油节流和旁路节流 同时起作用的形式，有一定的调速性能。同时，这里系统溢流阀用作途安全阀，一 般不打开，泵输出压力只比负载高出阀芯进油口的压降部分( 一般很小) ，因而压 力基本上与负载适应，是一种较节能的系统。这种阀一般不适宣同时控制几个执行 1 0 第二章 数字式多路换向阀 机构；若在微调范围内同时操作几个阀芯，则有可能使几个执行机构同时动作，但 动作特性受到各个负载的干扰，可控制性能较差。 这类阀的缺点是： ( 1 ) 微调特性与负载有关。随着负载压力的增大，微调范围变窄。 ( 2 ) 操纵力与负载压力有关。财政开支液动力与负载压力有关，使操纵力也发 生变化。而且操作力的不规则性使微调控制更加困难。 ( 3 ) 泵卸荷通过各阀的中位通道，回油路较长，存在定的压力损失。 ( 4 ) 通常一个时间只能有一个执行机构动作。 四通型多路阀如图2 1 ( b ) 所示： 四通型多路阀因只有四个主流道，其连接方式只有并联、串联和串并联。 还有一种为并联四通型多路阀，它的基本功能是换向节流。当各联阀在中位时， 主溢流阀先导油路经过各联阀中位与回油路接通而使主泵卸荷。工作时，工作阀芯 切断先导回油路，进入换向状态。这种阀的调速形式是进油节流调速，系统能耗较 大。且在切断先导回油路时，主溢流阀工作压力突然升高，易产生液压冲击。因此， 这种阀工作性能较差。 负载敏感多路阀 鉴于上述六通型和四通型多路阀存在的缺点，近年来出现了多种形式的负载敏 感多路阀。它属于四通型，通常为并联连接，可同时操纵几个执行机构。这种阀的 关键是设置了感知各联阀所控制的执行机构负载压力大小的负载敏感通道。其中的 梭阀选择出最大的负载压力，用于控制泵输出油液的压力。多路阀的各联阀芯提供 方向节流功能，各联阀可有不带和带压力补偿器两种类型。 2 - 2 数字式多路阀的结构特点和工作原理 本课题所研究的数字式多路阀将原手动多路阀的手柄改造成先导数字控制结 构( 先导减压阀、传动环节、步进电机组成) 。步进电机接受电机驱动器的信号将 电信号转变为圆周运动，传动环节用齿轮齿条，将圆周运动转换成直线运动从而带 动先导减压阀阀芯的运动，先导油液控制多路阀主阀芯运动来控制进入系统的流量 2 2 1 1 2 3 1 。 所研究的数字阀的基阀为z s l 2 5 e 型手动多路阀，工作原理图如图2 2 所 示。取其一片结构如图2 3 所示进行研究，通过改变主阀芯的位置来改变多路阀的 流量。利用控制螺杆和先导阀组成一个机，液伺服机构，代替原来的操作手柄。控制 原理如图2 - 4 所示，利用步进电机输出的脉冲角位移作为指令操纵控制螺杆转动 2 4 1 ，通过控制螺朽转动来控制先导活塞的移动，带动主阀芯往复移动，从而使多路 阀流量改变或换向。 第二章 数字武多路换向阀 a 3 a 2 a 1 一：j 怂 i i l r f t l l l 、jiil ! i _ x h 叫ulr 1 高寻 ； 叫l t ll蛩 。n 一 广 l 二d j _ p io b 2 b 1 图2 - 2z s l l 2 5 e 多路阀原理图 图2 - 3 手动多路换向阀结构图 对手动多路阀进行改造，将控制螺杆直接和步进电机相连，与主阀芯组成随动 系统i “。其控制原理如图2 - 4 所示。 d 0 图2 4 数字阀控制原理图 第二章数字式多路换向i 圜 其调节过程如下： 由可编程序控制器p l c 发出需要的脉冲序列，使步进电机按信号动作。步进 电机每得到一个脉冲，它便沿着控制信号给定的方向转一步，即一个步距角。如果 p l c 给步进电机一定数量的脉冲，则可以使先导阀芯移动，从而改变多路阀的流量。 其结构原理如图2 5 所示： 98a7b65b0 4 c32 】_ 步进电机2 一上嫡盛3 一推力轴承4 一控制螺秆5 一闷套6 一变量活塞t 一壳体 8 一销9 一主阈葛 a 一回油腔b 一压力油腔c 一控制油腔 r 压力油控制口 b 一回油控制口 图2 。5 数字阀控制原理结构示意图 控制螺轩直接与步进电机相连，其轴向位置由两个推力轴承来限制，其螺旋部 分插入调节活塞端部孔内与阀套滑动配合。在阎套圆柱表面上开有四个控制口，其 中三个控制口作为控制腔与回油之间的控制口。在阀套的径向位置上，控制油口a 和b 轴向相隔半个螺距，控制压力油可由a 口经控制螺杆的螺旋槽到控制腔c ， 控制腔的油可以经螺旋槽到b 口与回油相通，平衡位置时，螺纹的凸起部分将两 个控制孔口遮盖，使只a ，= 只a 。，活塞于某一平衡位置。 控制过程如下： 由可编程序控制器p l c 发出需要的脉冲序列，使步进电机按信号动作。步进 电机每得到一个脉冲，它便沿着控制信号给定的方向转一步，即一个步距角。 系统启动后，来自压力油口的控制压力油进入调节活塞的b 腔，并作用在活 塞的环形面积上，再通过内部孔道到达由梯形螺纹和阀套组成的控制油口a 。如果 给步进电机输入一定数量的正向脉冲，步进电机就会带动控制螺杆顺时针旋转，使 梯形螺纹顶部左移，控制油口a 被打开，形成正开口，控制压力油自控制口a 进 入，经螺纹槽的通道进入控制油腔c ，使得控制腔c 的压力升高，活塞的受力平 衡被破坏，在液压差动力的作用下向左移，直到控制油口a 被关闭，活塞稳定在 第二章数字式多路换向阀 一个新的平衡位置。同理，若可编程序控制器输出一定数量的负脉冲，步进电则带 动控制螺杆反向旋转，梯形螺纹顶部右移，控制油口a 处的上侧形成正遮盖而保 持封闭状态。这时控制油口b 被打开，控制腔c 内的压力油经螺纹槽从控制油口 b 排出，再至回油孔。结果控制腔c 的压力下降，活塞在液压差动力的作用右移， 直至控制油口b 关闭，最后，活塞稳定在又一平衡位置。由上面对工作过程所作 的分析可看出，活塞的运动始终跟随螺纹顶部的位置而变化，而活塞的左右移动带 动了主阀芯的运动，改变阀的开口大小。 2 3 数字阀参数列表 数字阀的主阀为z s l 2 5 e 型手动多路阀： 公称通径：2 5 m m ： 公称流量：1 6 0 i _ m i n ； 公称压力：2 1 m p a ； 阀芯总行程：2 4 r a m ： 阀芯开口量：6 5 m m ： 封油长度：5 5 m m ； 调节机构参数列表： 调节活塞的大径d ：d = 4 5 m m ； 调节活塞的小径d 1 ：d 1 = 3 2 m m ； 调节活塞的最大行程l ：l = 2 7 5 m m ； 调节活塞内控制油道直径d 0 ：d o = 4 m m 压力油控制直径d l ：d l = 3 m m ： 回油控制口直径d 2 ：d 2 = 4 m m ： 控制螺杆的螺距p ：p = 1 2 m m ： 控制螺朽槽深b ：b = 3 m m ： 步进电机的步距角a 0 ：a 0 = 1 5 0 。 1 4 第三章数字阀的p l c 控制 第三章数字式多路换向阀的p l c 控制 3 1 概述 可编程序控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 通常也可简称为可编程控制 器，它以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来 的一种通用的工业自动控制装置 2 6 】【2 7 】。它具有体积小，功能强，程序设计简单，灵 活通用，维护方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环 境的能力，更是得到用户的好评。 第台可编程控制器产生于上本世纪六十年代，它以减少重新设计和更换继电 器控制系统及接线，减少时间，降低成本为目的。经过近二十年的发展，p l c 的功 能不断增强，其应用范围已涉及各个领域，主要表现为以下几种类型： 一、顺序控制 这是当今p l c 应用最为广泛的领域，它可取代传统的继电器顺序控制。p l c 具 有强大的逻辑运算能力，可以实现各种复杂的逻辑顺序控制。 二、位置控制 利用p l c 发出的脉冲信号。来驱动步进电机，进行开环或闭环的位置控制。目 前p l c 制造商已提供了拖动步进电机的位置控制模块，其脉冲序列不论是脉冲数 还是脉冲频率都是可编程的。在性能指标要求不是很高的前提下，也可采用普通的 具有频率实时刷新功能的p l c 对步进电机进行位置控制。本文中p l c 对步进电 机的控制即是属于这一类型。 三、过程控制 p l c 能控制大量的物理参数，例如：温度、压力、速度和流量。p i d 控制模块 的提供使p l c 具有了闭环控制的功能，即一个具有p i d 控制能力的p c 可用于 过程控制。当由于控制过程中某个变量出现偏差时，p i d 控制算法会计算出正确的 输出，把变量保持在设定值上。 四、数据处理 现代p l c 都具有数据处理能力。它不仅能进行算术运算，数据传送，而且还能 进行数据比较、数据转换、数据显示和打印及数据通信等。 五、通信和联网【冽 p l c 的控制已从单机控制发展到了多机控制，实现了工厂自动化。这是由于现 代的p l c 一般都有通信的功能，它既可以对远程i o 进行控制，又能实现p l c 与p l c ，p l c 与计算机之间的通信。从而可以方便可靠地搭成“集中管理，分散 控制”的分布式控制系统。 3 - 2 步进电机 1 5 第三章 数字阀的p l c 控制 3 - 2 - 1 步进电机的工作原理 步进电动是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移 ( 或线位移) 的电磁机械转换装置，是一种输出与输入数字脉冲相对应的增量式数 字元件【2 9 】【3 0 】。它可以被看作是一种特殊运行方式同步电动机。 步进电机具有快速启动和停止的能力，当负荷不超过步进电机所能提供的动态 转矩值时，它就可能在一瞬间实现启动和停转。它的步距角和转速不受电压波动和 负载变化的影响，也不受环境条件如：温度、气压、冲击和振动等影响，仅与脉冲 频率有关，它每转一周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会 长期累积。这些特点使它完全适用于数字控制的开环系统中作为伺服元件，并使整 个系统大为简化而又运行可靠。当采用了速度和位置检测装置后，它也可以用于闭 环系统中。 本课题选择最常见的一种小步距角的三相反应式步进电机，其剖面示意图见图 3 。1 。 1 1 定予2 转子 图3 - 1 步进电机示意图 电机的定子上有六个等分的磁极，a ，a ，b ，b ，c ，c ，相邻两个磁极间的夹角 为6 0 度。相对的两个磁极组成一相( a a ，b b ，c c ) 。当某一绕组有电流 通过时，该绕组相应的两个磁极立即形成n 级和s 级，每个磁极上各有5 个均 匀分布的矩形小齿。电机的转子上没有绕组，而是由4 0 个矩形小齿均匀分布在圆 周上，每个齿的齿距为9 度。当某组绕组通电时，对应的磁极就产生磁场，并与 转子形成磁路。如果这时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下， 转子转动一定的角度，使转子某小齿与定子某小齿对齐，其余齿可不对齐。由此可 见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。 如在单相三拍控制方式中，a 相通电，b ，c 相都不通电，在磁场的作用下， 第三章 数字阀的p l c 控制 转子上某- - j , 齿与a 相的定子小齿对齐。设与a 相磁极中心对齐的转子齿为0 号齿，由于b 相磁极与a 相相差1 2 0 度，且1 2 0 9 = 4 0 3 不为整数，所以，此 时转子齿不可能与b 相定子齿对齐，只是第1 3 号小齿最靠近b 相磁极的中心 线，与中心线相差3 度，如果此时b 相通电，而a 、c 两相不通电，则b 相磁 极在磁场作用下迫使1 3 号转子小齿与之对齐，整个转子就转动3 度，即步进电 机走了一步( 步距角) 。同理，若断开b 相控制绕组，而接通c 相控制绕组，这 时电机中产生沿c 极轴线方向的磁场。转子在磁场的作用下，又转动3 度，使定 子c 极下的齿与转子齿对齐。依此类推，当控制绕组按a b c a 顺序循环通 电时，转子就沿某一方向以每个脉冲转动3 度的规律转动起来。若改变通电顺序， 即按a c b a 顺序循环通电时，转子便按逆时针方向同样以每个脉冲转动3 度的规律转动，这就是单三拍通电方式。若采用三相单、双六拍通电方式运行，即 按a a b b b c c c a a 顺序循环通电，步距角将减小一半，即每个脉冲 转过1 5 度。 3 - 2 - 2 步进电机的驱动电源 步进电机的驱动电源有多种形式【3 1 l 【3 2 ，相应的分类方法也很多。按脉冲的供电 方式来分，有单一电压型电源：高、低压切换型电源：电流控制的高、低压切换型 电源；细分电路电源等。 单一电压型电源是最简单的驱动电源，其原理如图3 2 所示。 直漳高压电源 图3 2 单一电压型电源图图3 3 高、低压切换型电源 当信号脉冲输入时，晶体管导通，电容c 在起始瞬间相当于将电阻r 短接， 使控制绕组电流迅速上升。当电流达到稳定状态以后，利用串联电阻r 来限流。 在整个工作过程中只有一种电源供电。步进电机的每一相控制绕组只需由一只功率 元件供出电脉冲。这种线路的特点是：结构简单，电阻r 和控制绕组串联后可以 减小回路的时间常数。但由于电阻r 上要消耗功率，引起电源的效率降低，用这 种电源供电的步进电机其起动和运行频率都不会太高。 1 7 第三章数字阀的p l c 控制 高、低压切换型电源，其原理如图3 3 。步进电机的每- , f l 控制绕组需要有两 只功率元件串联，它们分别由高压和低压两种不同的电源供电。高压供电是用来加 速电流的上升速度，改善电流波形的前沿，而低压是用来维持稳定的电流值。低压 电源中串联一个数值较小的电阻r ，其目的是为了调节控制绕组的电流值，使各相 电流平衡。这种电源效率较高，起动和运行频率也比单一电压型要高。 在兼顾步进电机控制性能并尽量使驱动电源结构简单，成本低的情况下，选用 了前一种驱动电源。其他两种这里不再介绍。 3 - 2 - 3 步进电机的工作方式 目前，三相步进电机最常见的工作方式有三种： 单三拍：a 、b 、c 、a 双三拍：a b 、b c 、c a 、a b 、 岁拍：a 、a b 、b 、b c 、c 、c a 、a 这三种基本工作方式都能满足步进电机正常运行的要求，其区别在于：电机绕 组的通电、放电时间不同。单三拍的通电时间最短，双三拍的允许放电时间最短， 六拍工作时的通电时间和放电时间最长。因此，同一台电机用不同的工作方式，在 相同的工作频率下，注入电机绕组的最大电流幅值是不同的，六拍的最大，单三拍 的最小。这就决定了同一脉冲频率时，六拍工作方式出力最大。同时，这种差异随 着工作频率的提高而逐渐加大。可以看出，这三种工作方式中，电机的频率特性以 六拍最好，双三拍次之，单三拍最差。因此，本课题中选用三相六拍的工作方式， 在这种控制方式下工作，步进电机的运行特性较好，阀的分辨率最高。 3 3p l c 控制步进电机 一、对步进电机控制的典型应用 步进电机需要一个控制器来使其绕组按适当的顺序励磁而实现转动，就必须有 一个脉冲信号源。典型的步进电机控制系统如图3 4 所示。 图3 4 步进电机典型应用1 变频信号源是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续变化的信号发生器，它为 第三章 数字阀的p l c 控制 脉冲分配器提供脉冲序列。脉冲分配器则根据方向控制信号把脉冲信号按一定的逻 辑关系加到脉冲放大器上进行放大，以驱动步进电机的转动。在这种控制方案中， 控制步进电机运转的时序脉冲完全由硬件产生，对于不同相数的步进电机及同一型 号电机的不同控制方式需要不同的逻辑部件。所以通用性差，成本高。 步进电机的另一种典型应用如下图所示。 图3 - 5 步进电机典型应用2 图中，输入信号是由伺服系统中的传感器产生的。指令脉冲控制器决定于具体 的伺服控制过程。可采用专用逻辑电路，目前多用单片徽型计算机及接口电路组成。 环形分配器是将输入的单一脉冲串按工作方式和转向分别依次向连接到步进电机 各相绕组的功率放大器分配脉冲，以便形成旋转磁场。环形脉冲分配器多采用专用 集成电路如c h 2 5 0 等构成。由此形成的各相微弱信号经各相的功率放大器放大，产 生足够的电磁转矩使电动机旋转。图中各部分的设计、造型、连接往往要求控制系 统的设计者花费大量的精力和劳动。接口信号的匹配以及元器件的质量等对整个系 统的可靠性影响很大【3 3 j 。 二、用p l c 直接控制步进电机的方法1 3 4 】 本文提出一种用可编程序控制器( p i _ c 1 直接控制步进电机的方法，如下图所 示。 图3 - 6p l c 直接控制步进电机 这条技术线路的优点是：大大减少系统设计的工作量，不存在各部分接口信号 的匹配问题，提高系统的可靠性。整个控制系统由p l c 和步进电机组成。作为一种 1 9 第三章数字阀的p l c 控制 工业控制计算机p l c 的功能越来越强。不仅仅可用于开关逻辑控制，还可用于闭环 过程控制，并可与其它计算机组成多级控制系统。有了p l c 的强大功能的支持，各 种不同控制系统的不同指令脉冲控制器的任务均可用p l c 的不同控制程序来完成。 对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对p l c 提出两个特性要求。一是 在此应用的p l c 最好是具有实时刷新功能的p l c ，使输出信号的频率可以达到数 千赫兹或更高。其目的是使环形脉冲分配能有较高的分配速度，充分利用步进电机 的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是p l c 本身的输出口应该采用大功 率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。 应该指出的是采用继电器或可控硅做输出端口的p l c ，既使软件环形脉冲分配能达 到调整要求，但由于输出端口器件难以高速导通和判断直流电源，不能向步进电机 各相绕组提供驱动脉冲电流，故不能用于步进电机的p l c 直接控制。应该注意的 是，当p l c 的输出为晶体管时，阻断状态也有漏电流通过，为了避免对负载的影 响，可并联电阻r ，把漏电流i 减小为i ，如图3 7 所示： 图3 7 减小漏电流对负载的影响 3 3 1 p l c 控制系统硬件设计 一、型号选择 在满足控制要求的前提下，选择型号时应选择最佳的性能价格比，具体从以下两个 方面考虑： 1 性能与任务相适应 本课题所研制的数字阀，属开环控制，p l c 的输入中不含模拟量，可选用小型 p l c ，通过合理编制程序，缩短扫描周期，能够满足要求。 2 p l c 结构合理，机型统一 结构分整体式和模块式两种。模块式给p l c 功能扩展、i 0 点数增减提供了方 便。整体式结构则把p l c 的i o 和c p u 放在一块印刷电路板上，省去插接环节， 体积小，每一i o 点的平均价格比模块式便宜，适于控制要求较简单的系统。本课 第三章 数字阀的p l c 控制 题中选用了整体结构。 综合考虑以上两点，并估计所需加点数，选择型号为三菱f x 2 系列的p l c ， 输出模块选用晶体管输出型。 二、步进电机控制的p l c 接线图 根据对步进电机的控制要求，p l c 对步进电机控制的接线图如图3 -