數字技術(shù)在液壓系統中的應用

 關(guān)鍵詞：液壓數字技術(shù)，

數字技術(shù)在液壓系統中的應用

一、引言

隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，液壓系統中數字技術(shù)的應用領(lǐng)域得到不斷拓展。從20世紀90年代開(kāi)始，人類(lèi)已進(jìn)入了數字化、信息化、知識化時(shí)代。數字技術(shù)的數學(xué)基礎——離散數學(xué)、邏輯數學(xué)等，早在17、18世紀就已經(jīng)出現。但是發(fā)展成為數字技術(shù)并付諸實(shí)用，則是在微電子技術(shù)和器件的發(fā)展之后。20世紀60年代是以使用電子管為主的時(shí)期，這時(shí)要在液壓系統中大量采用數字技術(shù)是有困難的，主要是因為設備龐大、功率損耗很多，系統可靠性和穩定性也不易滿(mǎn)足要求。隨著(zhù)半導體器件、集成器件和超大規模集成器件的出現， 數字技術(shù)在液壓系統中的應用迅速而又普遍地發(fā)展起來(lái)。

 近幾年，由于微型計算機的發(fā)展和提高，特別是單板機、單片機低廉的價(jià)格，為液壓系統的數字化提供了必要的條件，使數字技術(shù)已應用于液壓的諸多方面，并且還不斷地在開(kāi)拓著(zhù)新的應用領(lǐng)域。數字技術(shù)在液壓系統的應用主要在直接數字控制（DDC）、計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助測試（CAT）等方面。

二、數字液壓元件

為了能使液壓系統實(shí)現高速、高效及高可靠性，需研制將電信號轉換為液壓輸出的且性能好的數字元件。這種數字液壓元件通過(guò)把電子控制裝置安裝于傳統閥、缸或泵內，并進(jìn)行集成化處理（如把傳感器集成于液壓缸的活塞桿上），形成了種類(lèi)繁多的數字元件，如數字閥、數字缸、數字泵等，由數—模轉換元件直接與計算機相連，利用計算機輸出的脈沖數和頻率來(lái)控制電液系統的壓力和流量。

1.         數字控制閥

液壓系統中采用的數字控制閥可分為模擬式閥、組合式數字閥、步進(jìn)式數字閥及高速開(kāi)關(guān)閥等類(lèi)型。

模擬式閥需要進(jìn)行數模和模數的反復轉換，也常采用脈寬調制式控制，是一種間接式的數字控制。

組合式數字閥是由成組的普通電磁閥和壓力閥或流量閥組成的數字式壓力或流量閥。 電磁閥接受由微機編碼的經(jīng)電壓放大后的二進(jìn)制電壓信號，省去了昂貴的 D/A 轉換裝置。

步進(jìn)式數字閥是采用步進(jìn)電動(dòng)機作為電—機械轉換元件，將輸入信號轉換為與步數成比例的閥輸出信號，這類(lèi)閥具有重復精度高、無(wú)滯環(huán)、無(wú)需采用D/A轉換和線(xiàn)性放大器等優(yōu)點(diǎn)，但由于它的響應速度慢，對于要求快速響應的高精密系統，需要采用模擬量控制方式。

快速開(kāi)關(guān)閥采用脈沖調制法來(lái)達到流量控制的目的。 產(chǎn)生脈沖調制法有如下幾種：控制脈沖寬度的脈寬調制法（PWM），控制脈沖交變頻率的脈沖頻率調制法（PFM），脈沖數調制法（PNM），控制脈沖振幅的脈沖振幅調制法（PAM），以及用1或0將PNM的脈沖數分段并符號化的脈沖符號調制法（PCM）等，而開(kāi)關(guān)閥常用時(shí)間比率式脈寬調制的方法。

2.         數字液壓執行元件

數字液壓缸是增量式數字控制電液伺服元件，即一種將控制步進(jìn)電動(dòng)機的電信號轉換為機械位移的轉換元件。步進(jìn)電動(dòng)機可以采用微計算機或可編程控制器（PLC）進(jìn)行控制。其工作原理是微機發(fā)出控制脈沖序列信號，經(jīng)驅動(dòng)電源放大后驅動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機運動(dòng)；微機通過(guò)控制脈沖來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機的轉速，從而就控制了電液步進(jìn)液壓缸的運動(dòng)。電液步進(jìn)液壓缸的位移與控制脈沖的總數成正比；而電液步進(jìn)液壓缸的運動(dòng)速度與控制脈沖的頻率成正比。

數字式液壓馬達是增量式數字控制電液伺服元件，由步進(jìn)電動(dòng)機和液壓扭矩放大器組成，其輸出扭矩可達幾十至上百 N·m，是普通步進(jìn)電動(dòng)機的幾百至一千倍。其中，液壓扭矩放大器是一個(gè)直接反饋式液壓伺服機構，由四邊滑閥、液壓馬達和反饋機構組成。其工作原理是當步進(jìn)電動(dòng)機在輸入脈沖的作用下轉過(guò)一定的角度時(shí)，經(jīng)齒輪帶動(dòng)滑閥的閥芯旋轉，由于液壓馬達此時(shí)尚未轉動(dòng)，因此使滑閥的閥芯產(chǎn)生一定的軸向位移，閥口打開(kāi)，壓力油進(jìn)入馬達使馬達轉動(dòng)，同時(shí)反饋螺母的轉動(dòng)使滑閥的閥芯退到零位，馬達停止運動(dòng)、如果連續輸入脈沖，電液步進(jìn)馬達即按一定的速度旋轉，改變輸入脈沖的頻率即可改變馬達的轉速。

還有一種新型的液壓控制元件——數字化的電液集成塊，以此作為基本元件構成的電液集成控制系統在電控功率上與微機輸出易于匹配，且成本低。因此，使得液壓控制系統廣泛采用微機控制成為可能。其數字控制系統兼有電氣系統對信號檢測、處理快捷方便，計算機控制方式靈活，液壓控制功率大、結構緊湊、響應快等多重優(yōu)點(diǎn)。

三、液壓系統的數字仿真與（CAD）

    液壓系統的計算機輔助設計是隨電子數字計算機的高速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)CAD技術(shù)。CAD技術(shù)包括建模、仿真、優(yōu)化、設計和繪圖等。它是利用計算機來(lái)輔助設計人員設計較為復雜的控制系統的一種新方法， 它不僅可使控制系統的設計周期大為縮短，并且可以利用計算機仿真技術(shù)，更為方便地進(jìn)行各種方案的分析比較，從而獲得最優(yōu)的設計方案，提高設計水平。液壓系統的數字仿真和設計應用在以下幾個(gè)方面。

1.         從數學(xué)模型出發(fā)，對已有的液壓系統進(jìn)行仿真研究，通過(guò)不斷修改數學(xué)模型和改變仿真參數，使仿真更接近于實(shí)物實(shí)驗結果。從而可以比較仿真結果與實(shí)驗結果的差別，來(lái)驗證理論的準確程度，并將確定的數學(xué)模型作為系統的理論依據，有助于進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)。

2.         在實(shí)際的應用系統調試時(shí)，通過(guò)仿真實(shí)驗，可以確定調整參數，提供系統調試的理論依據，從而縮短調試周期和避免損壞設備。

3.         對于新設計的系統，通過(guò)仿真驗證系統控制方案的可行性，研究系統結構參數對動(dòng)態(tài)性能的影響，由此獲得最佳的控制方案和最優(yōu)的系統結構參數。

虛擬樣機技術(shù)的逐漸成熟，為系統的數字化設計提供了強有力的工具和手段。運用這項技術(shù)，一方面可以節約人力和資金，降低產(chǎn)品成本，避免不必要的浪費，另一方面也可以縮短設計周期，并提供設計質(zhì)量可靠的系統，同時(shí)可供客戶(hù)直接瀏覽樣機運行情況。其數字化的特征表現在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的不同階段， 直至成品出現之前，都是以數字化方式存在，稱(chēng)之為產(chǎn)品的數字化模型；在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)過(guò)程的管理采用數字化的方式， 開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )的任務(wù)是以數字化方式確定和分配的；在產(chǎn)品設計制造的全生命周期中，同一階段或不同階段之間，如設計單位內部或設計與制造單位之間，產(chǎn)品信息的交流采用數字化方式，基于數字化模型實(shí)現無(wú)紙化設計。

四、計算機輔助測試（CAT）

隨著(zhù)液壓傳動(dòng)裝置對液壓元件的技術(shù)特性、技術(shù)參數的測試要求越來(lái)越高，傳統的測試方法顯得不夠完善。為提高其測試精度，加快測試速度，更快地為裝備提供安全?？煽康囊罁?，就需要設計較完善的液壓元件計算機輔助測試技術(shù)。

            1.           有關(guān)靜態(tài)特性的測試技術(shù)

 CAT 簡(jiǎn)化了靜態(tài)特性的測試系統，操作方便，同時(shí)在對液壓元件的額定流量（大流量）和泄漏流量（小流量）測試時(shí)，將測頻法（對大流量的測試）與測周法（對小流量的測試）結合起來(lái)，進(jìn)行寬范圍的流量測試。另外，由于光柵傳感器采用脈沖量；分辨率高、抗干擾能力強，也提高了系統的測試精度，用光柵傳感器測量流量的裝置，可實(shí)現靜態(tài)特性的流量測試。

            2.           有關(guān)動(dòng)態(tài)特性的測試技術(shù)

對液壓元件的動(dòng)態(tài)特性測試一直是測試領(lǐng)域的重要課題之一。在動(dòng)態(tài)測試中，要求測試系統硬件（如傳感器。放大器等）對信號的響應速度快，對信號的發(fā)生和采集有同步要求；是動(dòng)態(tài)性能測試中的難點(diǎn)。CAT可采用自適應尋優(yōu)正弦信號測試方法測試元件的動(dòng)態(tài)特性；或采用小波消噪方法。對測量過(guò)程中的高頻噪聲進(jìn)行了去噪處理，提高了測試結果的精確性。以及以性能先進(jìn)的VXI總線(xiàn)儀器為主要測試設備組成液壓元件動(dòng)態(tài)特性測試系統。具有高速、高精度、易組建，易擴展，易更新?lián)Q代等特點(diǎn)。

利用偽隨機信號的譜分析法在閥的某一個(gè)工作點(diǎn)附近進(jìn)行測試，不但避免了非線(xiàn)性的影響，而且可以在試驗信號幅值很小的情況下完成在線(xiàn)測試。

            3.           綜合性能的測試技術(shù)

利用計算機和相關(guān)軟件建立的液壓元件特性測試系統； 實(shí)現了液壓元件動(dòng)、靜態(tài)特性的自動(dòng)測試。采用虛擬儀器技術(shù)VICAT系統。產(chǎn)生低頻的三角波、正弦波、鋸齒波等用于靜態(tài)特性實(shí)驗需要，產(chǎn)生隨機信號、正弦掃頻信號用于動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗需要；兩路模擬量輸出和四路模擬量輸入等接口，對提高測試精度、減少測試時(shí)間、減輕實(shí)驗人員負擔無(wú)疑起到了巨大的作用。

五、液壓數字系統發(fā)展實(shí)例

(一)       新型數字控制流量閥的研究

            1.           引言

電液式恒應力壓力試驗機主要用于材料抗壓強度的測量，抗壓試驗要求試驗機必須具備恒應力加載的能力，并且要求工作液壓缸從零壓開(kāi)始均勻加載，對系統的控制精度要求很高，尤其對系統的流量脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)要求更高。針對壓力試驗機液壓控制系統的上述要求，我們設計了一種試驗機專(zhuān)用的數字控制流量閥，該閥由一只節流閥和一只等差減壓閥組合而成(如圖1所示)，通過(guò)調整節流閥的輸出流量來(lái)控制液壓缸的輸出壓力，取得了非常好的效果。節流閥為三通轉閥式結構，采用等差減壓閥對節流口進(jìn)行補償，不僅提高了流量的控制精度，還起到消除系統壓力脈動(dòng)的作用。該閥以二相混合式步進(jìn)電機為電-機械轉換元件，針對試驗機的特點(diǎn)，專(zhuān)門(mén)設計了步進(jìn)電機的連續細分控制技術(shù)，實(shí)現了直接數字方式控制，消除了閥的滯環(huán)，提高了控制精度和抗干擾能力。

            2.           結構原理

圖2所示為閥的結構原理圖,該閥由步進(jìn)電機、齒輪傳動(dòng)機構節流閥（主閥）和等差減壓閥（先導閥）組成。傳動(dòng)機構由一對齒輪組成，傳動(dòng)比i=6，設計這樣的結構，不僅解決了步進(jìn)電機與主閥閥芯直接連接時(shí)同軸度的要求，減小了加在電機上的有效負載轉矩，保證了電機的輸出特性，同時(shí)還有效地減小了閥芯的位置誤差，提高了控制精度。

主閥為三通轉閥式結構，考慮到徑向力平衡關(guān)系，設計中采用了對稱(chēng)開(kāi)口結構，在閥芯上開(kāi)有一對與泵出口相通的P口和一對與油箱相通的T口，在閥套上開(kāi)有一對與工作液壓缸相通的A口。先導閥采用滑閥式全開(kāi)口結構，有效地降低了系統的壓力脈動(dòng)，提高了系統壓力補償的精度，先導閥前腔與主閥P腔相通，后腔與主閥A腔相通。當主閥閥芯處于零位時(shí)，節流閥的A口與T口、A口與P口均處于截止狀態(tài)，此時(shí)先導閥的閥口打開(kāi)，泵的輸出流量通過(guò)先導閥流回油箱。當步進(jìn)電機從零位開(kāi)始順時(shí)針進(jìn)給，P口與A口導通，同時(shí)，先導閥開(kāi)始工作，步進(jìn)電機帶動(dòng)主閥閥芯調節主閥閥口的過(guò)流面積，通過(guò)控制輸出流量來(lái)控制液壓缸負載腔的壓力。當步進(jìn)電機從零位開(kāi)始逆時(shí)針進(jìn)給，P口與T口導通，泵的輸出流量直接通過(guò)T口回油箱，此時(shí)先導閥處于關(guān)閉狀態(tài)。主閥在小開(kāi)口區域設計了非線(xiàn)性開(kāi)口，提高了閥零位附近小流量區域的控制精度。當主閥處于工作位置時(shí)，先導閥的壓力補償功能，使得閥口的過(guò)流流量不受負載變化的影響，保證了主閥節流口過(guò)流面積和輸出流量的線(xiàn)性關(guān)系。

            3.           步進(jìn)電機的控制原理

利用一種基于PWM的多倍細分技術(shù)，實(shí)現了步進(jìn)電機輸出角位移的連續跟蹤控制，該控制算法被固化在步進(jìn)電機控制器中。

在步進(jìn)電機的控制中，在每次輸入脈沖切換時(shí)，如果只改變對應繞組中額定電流的一部分，則轉子相應的每步轉動(dòng)也只會(huì )是原有步距角的一部分，額定電流分成多少個(gè)級別進(jìn)行切換，轉子就以多少步來(lái)完成原有的步距角。因此，通過(guò)控制繞組中電流的數值就可以調整電機步距的大小，也就可以把步距角分成若干細分步數來(lái)完成。

步進(jìn)電機細分后的步距角：

式中：N為細分步數；為步進(jìn)電機步距角。

第i周期的輸入角位移與第i-1周期的輸入角位移之間的關(guān)系可表示為：

　從上式可以看出，步進(jìn)電機轉子兩個(gè)周期之間的輸出角位移可以通過(guò)完成個(gè)步距角和個(gè)細分步數來(lái)實(shí)現。

利用這個(gè)方法，不僅提高了步進(jìn)電機的輸出精度，獲得步進(jìn)電機角位移的連續輸出，而且還不降低步進(jìn)電機的響應頻率。

圖3為控制程序設計框圖。為了保證主閥在初始位置始終處于零位，每次控制器開(kāi)機時(shí)即自動(dòng)對閥芯進(jìn)行初始化，此時(shí)閥芯處于零位，對應的步進(jìn)電機也處于零位，等待讀取輸入角位移信號。

當第一個(gè)周期的信號送到后，可以得到與零位比較后的m1和n1，當m1≠0時(shí)，首先送出m1，然后送出n1，當m1=0時(shí)，直接送出n1，第i個(gè)周期與第i-1個(gè)周期的情況也是一樣。

            4.           閥的靜態(tài)特性

圖4所示為閥的流量-壓力特性曲線(xiàn)，圖4a為閥在小流量工作區域的流量-壓力特性曲線(xiàn)，圖4b為閥在大流量工作區域的流量-壓力特性曲線(xiàn)，從試驗曲線(xiàn)可以看出,該閥具有較好的抗負載變化能力，具有非常小的穩定流量(8 mL/min)。

圖5為閥的輸入輸出特性，圖5a為不帶齒輪傳動(dòng)機構間隙補償功能的輸入輸出曲線(xiàn)，圖5b為帶間隙補償的輸入輸出曲線(xiàn)。

從圖5中可以看出，在小流量區域,其流量呈非線(xiàn)性變化，這主要是由于在該工作區域，閥口為圓弧形所致。從圖5a中可以看出，在大流量區域,閥的輸入輸出曲線(xiàn)明顯存在滯環(huán)，這種現象的出現，主要是因為在閥的齒輪傳動(dòng)機構中存在間隙，圖5b為進(jìn)行齒輪間隙補償后閥的輸入輸出曲線(xiàn)。

            5.           性能特點(diǎn)和技術(shù)參數

步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移信號的機電元件，頻響特性高，可靠性好，其步距角不受各種干擾的影響，且具有誤差不長(cháng)期積累的特點(diǎn)采用步進(jìn)電機作為驅動(dòng)元件，與傳統的模擬量控制元件相比，具有重復精度高、無(wú)滯環(huán)和直接數字控制等特點(diǎn)。同時(shí)，在該閥的設計中還引入了以下控制概念：

1)        零位初始化控制　在控制器打開(kāi)電源的瞬間，節流閥閥芯自動(dòng)到零位；

2)        斷電保護功能　在控制器突然斷電時(shí)，控制器中的蓄能元件在瞬間控制閥芯回零位；

3)        間隙補償功能　控制器內部固化程序自動(dòng)對傳動(dòng)機構中的間隙進(jìn)行補償。

            6.           結論

研究表明，該閥采用直接數字方式控制，具有良好的流量特性和較高的頻響特性，完全能夠滿(mǎn)足恒應力壓力試驗機要求。目前,該閥已實(shí)現了產(chǎn)業(yè)化，有1500多套在全國各地使用。

(二)       伺服電機的直接數字控制

            1.           引言

伺服電機是一種受輸入電信號控制、并作快速響應的電動(dòng)機。實(shí)際使用時(shí)通常經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)負載，在系統中作執行元件，因此伺服電機又稱(chēng)執行電動(dòng)機。近年來(lái)，工業(yè)快速發(fā)展，伺服電機廣泛應用于化工、光纖等工業(yè)領(lǐng)域。

伺服電機的直接數字控制，也就是控制方法中的DDC，它改變了常規的控制思路，不僅節約成本，而且提高了控制精度，能實(shí)現模擬量控制不能實(shí)現的控制要求。例如，實(shí)現復雜的控制算法，如復雜的積分控制，就可以方便地通過(guò)數字量控制來(lái)實(shí)現。隨著(zhù)大型企業(yè)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，對伺服電機的要求也在提高，電機作為自動(dòng)控制系統中的一類(lèi)重要元件，其可靠性、精度和響應快慢直接影響到控制系統的工作性能，是不容忽視的重要環(huán)節。因此，伺服電機的DDC有著(zhù)很高的應用價(jià)值和廣闊的應用前景。

            2.           伺服電機的傳統控制方法

由于外部給定的電機速度為模擬量，常常需要A/D模塊將模擬量轉換成數字量，伺服電機驅動(dòng)器接收到數字信號后再控制電機運轉。這種傳統的控制伺服電機驅動(dòng)器的方法，應用時(shí)間長(cháng)。但它的可靠性不高，存在一定程度的零漂。同時(shí)考慮到A/D模塊的費用，這種方法成本也就較高。

            3.           伺服電機的直接數字控制

伺服電機的直接數字控制就是直接利用工控機和驅動(dòng)器通信，工控機通過(guò)串行通信將數字量傳送給伺服電機驅動(dòng)器，從而達到控制電機運轉的目的。由于是數字信號直接控制，消除了零漂，可靠性得到了提高。而且，不需要將模擬量轉換成數字量，無(wú)需購買(mǎi)A/D模塊，降低了成本。目前許多廠(chǎng)家出產(chǎn)的伺服電機驅動(dòng)器都配有通信端口及通信協(xié)議。通信協(xié)議簡(jiǎn)單可靠，用戶(hù)可以方便地完成通信程序。這樣可直接在工控機上控制電機，根據工藝要求，方便地修改各種參數，從而改變電機速度等。

            4.           結語(yǔ)

1)        利用通訊控制，驅動(dòng)器直接得到的是數字信號，不需要進(jìn)行模/數轉換，節約了一個(gè)A/D塊，這種方法成本低。

2)        伺服電機的DDC的基本思想是直接采用數字量控制，可以徹底消除模擬量控制帶來(lái)的零漂影響，可靠性得到了很大的提高。

3)        在工控機上對驅動(dòng)器進(jìn)行控制，通訊時(shí)間最多需要80 ms。時(shí)間很短,驅動(dòng)器接收到數據后可以馬上驅動(dòng)電機，符合實(shí)際生產(chǎn)要求。

4)        根據廠(chǎng)家的實(shí)際工藝要求，在工控機上可以靈活地調整參數而且可以將電機控制得比傳統控制要好。通過(guò)通訊，可以人為地控制積分過(guò)程，很好地實(shí)現控制要求。

5)        伺服電機的DDC可以方便實(shí)現復雜的控制算法，通過(guò)模擬量控制是無(wú)法實(shí)現的。伺服電機的直接數字控制可廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域，控制效果好，提高了系統的可靠性、快速性，有很好的應用前景。

六、結論

數字技術(shù)的飛速發(fā)展，極大地帶動(dòng)液壓行業(yè)開(kāi)辟了諸多新興的研究領(lǐng)域。為了實(shí)現信號檢測、處理快捷方便，靈活可靠，結構緊湊、響應快等，對已有的液壓元件通過(guò)模擬流量控制或脈沖流量控制的方式，組成數字液壓元件，實(shí)現計算機直接或間接控制系統的壓力和流量；對于新設計的系統，通過(guò)仿真驗證系統控制方案的可行性，研究系統結構參數對動(dòng)態(tài)性能的影響；或運用虛擬樣機技術(shù)，使數字化模型實(shí)現無(wú)紙化設計；在液壓系統的性能測試方面，利用計算機和相關(guān)軟件，實(shí)現了元件的動(dòng)、靜態(tài)特性的自動(dòng)測試，減少了元件的測試誤差和周期，有利于液壓產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和維護。 

 關(guān)鍵詞：液壓數字技術(shù)，