浅谈液压传动与液压控制技术

浅谈液压传动与液压控制技术

自动化工业的发展主要依靠两个基本技能、能源压力工程和能源压力工程。在某种程度上，发达国家利用这两个技术完成了他们的工业生产。其中,流体传动技术又以液压传动技术为主,在大量的工业主机和自动化作业线中,液压传动和液压控制技术应用极为广泛。传统液压技术是一种模拟量控制技术,主要是结合各种自动化控制算法的开关控制、比例控制和伺服控制,这种系统结构复杂、可靠性差、价格昂贵、易出故障,需要专门的自控专业人员才能掌握,不利于大规模的推广应用。如今数字技术、计算机技术和信息技术的高速发展,在全世界已引起轰动效应,我们正应抓住这个机遇,跨越国外模拟技术的发展历程,直接大规模采用数字技术,实现中国工业的数字化革命。而数字液压系列产品的出现,正好适应了这一发展潮流,改变了中国液压技术长期落后国外的被动局面。自上世纪80年代以来,计算机控制技术和集成传感技术发展得越来越完善,这为微电子技术和液压技术的结合创造了良好的条件。近几年来,随着计算机的日益普及,数控技术在国民经济各部门的广泛应用,液压技术和微电子技术的结合已成为一种必然趋势。于是各种各样的数字液压元件不断涌现,满足了不同用户的需求,但还没形成一定的规模,没有明确的标准出现,还有待于人们进一步的研究与实践。本文将从数字液压控制系统和数字液压元件两大方面总结数字液压技术的发展状况,其中数字液压元件又以数字泵、数字缸、数字马达和数字阀为代表来分别介绍。1式或称假设备数字化控制早在20世纪80年代已被开始研究和应用,在液压元件与系统方面的应用也在逐步扩大,液压系统也逐渐从传统开关型控制方式向数字式控制方向发展。数字式控制是指控制信号的主要部分是以数字量的形式来进行的控制形式。随着微型计算机的价格不断下降,尤其是单片机、单板机的价格低廉,为液压系统的数字控制提供了必要的条件。数字式控制系统按信号的处理方式来分,可分为数模混合式数字控制和脉冲调制式控制,脉冲调制式又可分为脉宽调制(PMW)、脉幅调制(PAM)、脉频调制(PFM)、脉码调制(PCM)和脉数调制(PNM)等。按控制方式可分为间接式数字控制和直接式数字控制。(1)间接式数字控制需使用D/A和A/D转换器,一般采用闭环控制方式,将液压执行机构的位移、速度等信号反馈给计算机系统,计算机通过比较运算,把校正后的值输出给系统,从而可以对执行机构达到很精确的控制。系统框图如图1所示,其中伺服阀、比例阀是模拟量控制,所以由计算机发出的数字信号需要经过D/A转换,然后经过伺服放大来控制伺服阀或比例阀,进而驱动液压执行机构动作,带动负载工作。该系统控制精度高、频率响应快,但成本高,因为伺服阀、A/D或D/A转换器往往比较昂贵。(2)直接式数字控制是目前国内外研究较多的数字液压控制方式,无需使用D/A和A/D转换器,一般采用开环控制,不过视具体情况而定,也可采用数字式传感器构成反馈回路,从而达到更高的控制精度。具体又可分为两种类型:一是微机脉宽调制,如图2a所示,用计算机来控制脉宽调制器,脉宽调制器(PWM)可以将数字信号变成模拟电压值,起D/A转换器的作用,调制信号经功率放大后,直接控制高速开关阀工作,通过阀来控制油路通断,进而控制液压执行机构(比如液压缸或液压泵等)工作,二是由步进电机直接驱动液压元件,系统框图如图2b所示,计算机发出控制脉冲序列,经驱动器放大后,控制步进电机动作,步进电机的转动经由滚珠丝杠或凸轮机构转换为直线位移,直接驱动阀芯移动。其中步进电机可以采用微机或可编程控制器(PLC)进行控制,PLC以其通用性强、可靠性高、体积小、指令系统简单、易学易掌握、现场接口安装方便等一系列优点,目前广泛应用于大型组合机床、自动生产线和加工中心。该系统重复性好、无滞环、抗污染能力强,省去了D/A转换器和线性放大器,因而价格低廉。但由于步进马达及其驱动的机械系统往往具有较大的惯量,所以响应速度较慢,对于要求快速响应的高精密系统,需要采用模拟量控制方式。2元件液压阀一般来说,液压元件按照液压传动系统中各个部分功能的不同,主要分为动力元件液压泵、执行元件液压缸或液压马达、控制元件液压阀等。为了能使液压系统实现高速、高效、高可靠性及液压系统的数字化控制,需研制将电信号输入转换为液压输出的性能良好的数字元件。这种数字液压元件通过把电子控制单元安装于传统泵、缸、马达或阀内,并进行集成化处理(如把传感器集成于液压缸的活塞杆上),便形成了种类繁多的数字元件,如数字泵、数字缸、数字马达、数字阀等。下面将逐一进行介绍。2.1机电液一体化系统数字泵通常由变量泵和微机控制器两部分组成,因泵的变量机构接受微机发送的数字信号而得名。它具有抗介质污染强、滞环误差小、重复精度高、调节灵活、节能、便于与液压设备主机组成机电液一体化系统等特点,引起人们的广泛关注。根据变量机构执行元件的不同,可归结为4种:基于组合缸控制的数字泵,基于高速开关阀控制的数字泵,基于步进电机控制的数字泵和基于变频器控制的数字泵。2.1.1数字变量泵组成这是一种以组合式数字缸作为变量驱动机构的变量泵。图3是利用这种泵构成的容积式调速系统。该系统由液压缸7、三位四通电磁阀6、溢流阀5及数字变量泵组成,数字变量泵又由阀组2、变量机构3和变量泵4构成。其中变量机构3就是组合式数字液压缸,其活塞杆的状态由阀组2(即4个二位三通电磁阀)的通电状态决定。图中所示活塞杆的位置(全部伸出)对应着4个二位三通电磁阀的得电状态(即编码为1111),这时活塞杆在压力油作用下完全伸出;若编码为0000,则4个电磁阀全部失电,活塞杆全部缩回。如果变量缸3由n级组成,则可以得到2n个油泵排量变化。2.1.2制系统原理这里介绍一种由中南工业大学的刘忠等人提出的一种基于高速开关阀控制的恒压变量泵系统,如图4所示是恒压变量泵的电液控制系统原理图,该系统中,以高速开关阀作为先导控制阀,压力传感器采样得到的压力信号通过数据采集卡(带A/D、I/O)传输给计算机,计算机(单片机)经过比较计算产生的PWM矩形调制波控制高速开关阀,高速开关阀产生的先导压力信号又直接作用于恒压变量泵的调压变量机构,因此,可根据高速开关阀输出先导压力的不同来达到调节恒压变量泵的输出压力的目的。2.1.3机电一体化泵这种数字泵的变量机构的执行元件是步进电机,步进电机可接受微机脉冲指令,直接由微机进行控制,因此通过步进电机这个接口,数字泵可直接由计算机控制。变量机构将步进电机的转动转换成伺服阀芯或变量活塞的位移,伺服阀芯或变量活塞驱动配流盘转动从而改变泵的排量。山东省煤炭科学研究所与北京华德液压泵厂联合开发了A7V78NC型斜轴式数字泵,它是以步进电机做执行元件的机电一体化泵。如图5是这种斜轴式数字泵工作原理框图,微机经过反馈比较处理后,将指令发送给步进电机,步进电机的旋转经一对齿轮副和滚珠丝杠副传递到变量活塞,进而驱动配油盘在泵盖弧形轨道里滑动并使缸体摆动,实现排量的变化。2.1.4改变泵转速以南华大学的李岚、马晓军设计的一种双作用变量叶片泵自动控制系统为例,该系统的工作原理是在不改变传统调速回路中液压元件和液压系统的结构的情况下,靠改变液压泵的转速来调节液压泵输出流量以满足执行元件所需要的速度。当负载所需油量增大时,通过流量传感器的反馈、加法器的比较运算、计算机的分析处理,得出调节值,进入变频器,变频器输出频率改变,从而改变电机转速,叶片泵转速改变,达到输出油液量的改变的目的。变频器线性度比较好,经变频器调节,液压油流量基本达到设定值。2.2国内研究现状有关数字液压缸的研制,国外早在上世纪六七十年代就开始了,相比之下,国内的起步较晚。1970年,德国力士乐公司研制出一种基于螺纹伺服机构的液压脉冲缸,但它在本质上还属于机液伺服机构,利用三通阀来控制差动缸,这种缸零件少,结构紧凑,但加工难度较高,不利于大规模推广应用。1977年,日本东京计器公司推出一种电液脉冲缸,其原理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。但这些国外产品的价格十分昂贵,还达不到工业应用的要求,所以没有得到广泛的应用。国内研究人员对该技术的研究,则起步于上世纪70年代末,一直在进行不断的研究与改善,尤其是2002年纳入国家“十五”攻关项目后,更进一步的促进了该技术的发展。其中,以北京亿美博有限公司为代表,该公司承担了“十五”国家科技攻关计划(课题名称:数字液压缸系列产品的研究与开发,编号:2002BA208B03),于2003年12月2日在北京通过专家组验收。据有关专家介绍,该公司生产的数字缸已领先国际先进水平。这种数字液压缸实质上是一种增量式电液步进液压缸,具有结构紧凑、可靠性高、使用维护简单等优点,只需一般的技术人员便可掌握,调试十分方便,发展潜力巨大。它的基本思想是将油缸、数字阀、传感器设计成一个整体,全部封装在缸内,实物图如图6所示,控制器是独立于缸体之外的部分,具有智能性,操作简单易懂。目前开发出的数字缸及其智能型傻瓜控制器,已经可以完成从公斤级到千吨级的所有精确控制,其速度范围可以实现0.1~500mm/s,可以满足工业控制领域中绝大部分自动控制的要求。此类步进液压缸的控制原理图如图7所示,数字阀靠步进电机驱动,步进电机可以由微机或可编程控制器(PLC)发出的脉冲序列来进行控制。利用阀来控制油路的通断进而达到控制油缸运动的目的,油缸的运动方向由步进电机的转动方向控制,油缸的运动速度和位移与步进电机的转速和角位移是一一对应的正比关系,而步进电机的转速和角位移与控制脉冲的频率和个数也是一一对应成正比的,所以通过给微机或PLC输入一些简单的设定值,就可以完成缸的全部控制。同时由于缸体内置传感器可将运动信息反馈给数字阀,就极大地提高了控制精度,也简化了缸体外部的控制系统,由原来非常复杂的液压伺服闭环控制变成简单的开环控制,这也是其最突出的一点。2.3步进电机的工作原理早期,日本富士通公司就研制出一种由步进电机控制的电液脉冲马达,它又被称为步进液压马达或液压扭矩放大器,它在数控机床的进给传动中得到了广泛的应用。它是一种阀控马达位置伺服机构,主要组成包括步进电机、液压马达、控制滑阀、螺杆螺母副和减速齿轮副,其中螺杆螺母副主要起位置反馈作用,使液压马达总能紧跟步进电机动作。其组成原理方框图见图8所示。其工作原理是:当步进电机接收控制脉冲信号而转过一定角度时,经减速齿轮副使阀芯旋转,由于阀芯端部的螺杆螺母副的作用,使阀芯产生轴向位移,于是阀口打开,压力油进入马达使马达转动,马达主轴旋转时,带动螺母转动,螺母转动方向与螺杆转动方向相同。此时,当步进电机连续转动时,螺母和螺杆保持相对静止转动,即阀口保持一恒定开口量。当步进电机停止转动时,螺杆停止转动,由于液压马达此时尚未停止转动,即螺母仍在转动,于是使阀芯轴向移动恢复原位,阀口重新关闭,液压马达也停止转动。2.4计算机在电液系统中的应用用数字信息直接控制的阀,称电液数字阀,简称数字阀。数字阀可直接与计算机接口,不需要D/A转换器。与伺服阀、比例阀相比,这种阀结构简单,工艺性好,价廉,抗污染能力好,重复性好,工作稳定可靠,功耗小。它的应用也最为广泛,将其与普通的液压缸、泵、马达组合起来,就可以得到不同的数字缸、数字泵、数字马达等。在微机实时控制的电液系统中,它已部分取代了比例阀或伺服阀,为计算机在液压系统中的应用开拓了一条新的道路。目前数控液压系统中应用的数字阀按控制方式的不同大致可以分为3种:二进制组合阀,步进式阀和高速开关阀。2.4.1监督的节点保护二进制组合阀的驱动信号是二进制驱动信号,可方便的与计算机或其他数字式控制装置直接连接。这种数字阀是由多个按二进制排列的阀门组成的阀组。每个阀门的流量系数按二进制序列设计,即按2的幂次设计,例如2-2、2-1、20、21、22、23等设计。例如,8位数字阀由8个二进制信号驱动,当这8个二进制数取不同的值时,可以得到0~255的数值,可调比达255∶1,增加数字阀的位数,可提高可调比。组成数字阀的各阀是开关阀,即只有开和关两种状态。因此,对它们的控制可采用电磁阀或带弹簧返回的活塞式执行机构实现。该阀的特点是分辨率高(数字阀的位数越多,可控制的流量分辨率越高)、精度高、响应速度快、关闭特性好、复现性好、跟踪性好,但缺点是结构复杂,价格贵,数字阀位数越多,控制元件越多,结构越复杂,价格也越贵,因此影响了其使用范围。2.4.2增量控制plc步进式数字阀是利用步进电机作为电—机械转换器的,步进电机接收脉冲序列的控制,输出位移转角,转角与输入的脉冲数成正比。然后通过机械转换装置,一般为齿轮减速的凸轮机构或螺杆机构,把转角变成阀芯的阀位移,使阀口开启或关闭。步进电机转过一定的角度相当于数字阀的一定开度。因此,这种阀可以控制相当大的流量和压力范围。其实,该数字阀的控制主要在于步进电机的控制,步进电机则可采用微计算机或可编程控制器(PLC)来进行控制。实际上,由于步进电机的控制方式为步进的,对输入的脉冲数有记忆作用,所以每一采样周期的步数是在原有采样周期步数的基础上增加或减少一些步数来实现,即增量控制法。用这种方法进行控制的阀,又被称为增量式数字阀。步进式数字阀按其结构可以分为滑阀式、锥阀式、转阀式和喷嘴挡板式,按其功能