電液比例閥控缸位置伺服電機(jī)的分析與處理

電液比例閥控缸位置伺服電機(jī)的分析與處理

近年來，隨著電液比例技術(shù)的發(fā)展，由于成本低、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，電液比較裝置在許多情況下逐漸取代了服務(wù)器進(jìn)行器。電液比例方向閥能同時實(shí)現(xiàn)流量和方向控制,并且可以方便地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。因此采用計(jì)算機(jī)控制的電液比例閥控缸液壓位置伺服系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好等優(yōu)點(diǎn),在各個領(lǐng)域尤其是工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通過對液動實(shí)驗(yàn)平臺的詳細(xì)分析,建立了電液比例換向閥控缸液動伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)處進(jìn)行泰勒級數(shù)展開,對模型進(jìn)行線性化,采用比例控制方法對模型進(jìn)行了仿真。1壓力傳感及位移傳感器該液動伺服位置跟蹤控制系統(tǒng)的硬件平臺,如圖1所示。主要由標(biāo)準(zhǔn)液壓缸9、葉片泵7、溢流閥6、電液比例換向閥3(配套放大器8)、負(fù)載2、位移傳感器1、壓力傳感器5和10、壓力表4、數(shù)據(jù)采集卡和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成。液壓缸為上海華申液壓件廠生產(chǎn)的單桿活塞標(biāo)準(zhǔn)液壓缸,液壓缸標(biāo)準(zhǔn)行程200mm,活塞直徑40mm,活塞桿直徑28mm,電液比例換向閥為意大利ATOS公司生產(chǎn)的DHZO-A-07-1-S型對稱閥,壓力傳感器是北京昆侖海岸傳感技術(shù)中心的JYB-KO-H,位移傳感器是該公司的WDL-200,A/D和D/A的實(shí)現(xiàn)則由研華公司的PCL-812PG數(shù)據(jù)采集卡來完成。油源供油壓力為6.3MPa。系統(tǒng)工作時,位移傳感器檢測出液壓缸活塞桿的當(dāng)前位置信號并通過A/D轉(zhuǎn)換反饋到計(jì)算機(jī)中與指定輸入進(jìn)行比較,得出偏差控制量,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換并經(jīng)放大器放大后驅(qū)動電液比例閥節(jié)流口開度,從而使活塞桿運(yùn)動到期望位置。2不考慮管道損失及管道的動態(tài)采用對稱四通比例閥控制非對稱(即單活塞桿)液壓缸。閥控單出桿液壓缸原理圖,如圖2所示。為了簡化討論,假定:(1)不考慮管道損失及管道的動態(tài);(2)恒壓油源供油,即Ps恒定,并且回油壓力Po=0;(3)對稱三位四通閥,四個矩形節(jié)流窗口工作時閥口處于紊流狀態(tài);(4)油的溫度和密度均為常數(shù);(5)不考慮閥的非線性影響。在液壓伺服系統(tǒng)中,人們大都從閥的負(fù)載壓力-流量特性、液壓缸負(fù)載流量方程和液壓缸的力方程三方面來建立數(shù)學(xué)模型。2.1流量系數(shù)比例閥的流量方程為:式中:Q1—液壓缸無桿腔流量,m3/s;Q2—液壓缸有桿腔流量,m3/s;Cd—閥的流量系數(shù),取0.70;W—窗口面積梯度,m;X—比例方向閥位移,m;Xd—比例方向閥的流量死區(qū)位移,m;P1—無桿腔壓力,Pa;P2—有桿腔壓力,Pa;PS—油源壓力,Pa;ρ—液壓油密度,kg/m3。由(5)代入(1)式得:由(7)式代入(8)式得:同理得:在工作點(diǎn)附近進(jìn)行泰勒級數(shù)展開,對流量方程線性化為:2.2有外泄漏,可液壓缸的流量方程為:式中:Cip—液壓缸內(nèi)部泄漏系數(shù),m5/(N·S);Cep—液壓缸外部泄漏系數(shù),液壓缸幾乎無外泄漏,可忽略不計(jì),m5/(N·S);!e—系統(tǒng)的有效體積彈性模數(shù)(包括液體、連接管道和工作腔體的機(jī)械柔度),取700Mpa;P1—液壓缸無桿腔的壓力,Pa;P2—液壓缸有桿腔的壓力,Pa;V1—無桿腔容積(包括閥、連接管道、工作腔的容積),m3;V2—有桿腔容積(包括閥、連接管道、工作腔的容積),m3。將(12)式代入(8)式得:2.3尼系數(shù)nsks-負(fù)載彈簧剛度式中:m—活塞及負(fù)載總質(zhì)量,kg;Bp—活塞及負(fù)載的粘性阻尼系數(shù),N·s/m;KS—負(fù)載彈簧剛度,N/m;f—作用在活塞上的任意外負(fù)載,N。將(4)式代入上式得:令式(11)、(16)和(17)三式聯(lián)立可得非對稱動力機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型:3系統(tǒng)模型的建立Matlab的Simulink工具箱是一個對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包,為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的接口,包括了眾多線性和非線性等環(huán)節(jié),并可以方便的擴(kuò)展,使系統(tǒng)模型建立非常容易。對以上得到的數(shù)學(xué)模型,代入本系統(tǒng)的具體參數(shù),在Matlab/Simulink模塊中進(jìn)行模型仿真。采用比例控制方法,對液壓缸跟蹤正弦信號的響應(yīng)進(jìn)行仿真,輸入信號為:(1)f=0.2HZ,幅值A(chǔ)=25mm;(2)f=0.3HZ,幅值A(chǔ)=50mm。輸入正弦信號(實(shí)線)和仿真輸出曲線(虛線)圖略。4系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)通過對電液比例閥控缸液壓位置伺服系統(tǒng)詳細(xì)分析,推導(dǎo)出對稱比例閥控不對稱缸位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行線性化處理。采用比例控制方法對系統(tǒng)的正弦響應(yīng)進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明,系統(tǒng)在低頻工作頻段內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)比較理想,為系統(tǒng)的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究提供了理論依據(jù)和準(zhǔn)備