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液壓伺服控制系統原理

更好的控制器和軟件也無法克服設計拙劣的液壓系統。完整的液壓伺服控制系統包括液壓運動控制器,高精度位移,壓力,載荷傳感器,伺服油缸,高精度液壓伺服閥,液壓站,管道等附件,如何選擇更合适的液壓伺服控制?
 
 
 
全球化競争要求我們的工廠運營者面臨着永無止境的讓設備更高效運行的任務之中。這常常要求我們的運動控制系統更高速,更精确。但是在一個閉環控制系統,更高的速度和精度必須始于良好的元件設計。無論你是多麼在意控制器和軟件,如果流體控制系統中的油缸和閥沒有得到很好的設計選型或者正确的安裝,系統的性能就會大打折扣。
 
油缸設計選型
 
上述所讨論的第一步首先計算油缸規格,可以确保系統有良好的動态響應,滿足加速、減速的要求。這也通常意味着需要計算系統所需的壓力。
 
下一步就是需要決定閥的規格(額定流量),在計算完油缸尺寸之後,這是直驅而入的一步。需要注意的是:伺服閥和伺服比例閥的額定流量通常是基于壓降ΔP = 70 bar (1,015 psi)而其它比例閥通常基于壓降ΔP = 10bar (145 psi)。這個差别是很大的。1000psi壓降的流量大約是150psi壓降的流量的2.65倍。然而,選擇合适的閥不隻是一個額定流量的選擇,因為大多閥還有很多功能選項需要考慮。(數據來源于無錫福艾德實驗室)
 
選擇什麼類型的閥
 
比例閥需要一個放大器,把運動控制器的輸出電壓轉化成高的電流信号,從而驅動閥芯。對于伺服比例閥,放大器比較由控制信号或參考信号與LVDT反饋過來的閥芯位置信号所産生的偏差。一些放大器用簡單的比例控制,而一些采用PI或者PID控制。如果放大器沒有很好的與閥适配,閥的性能就會打折扣。最好的辦法就是選擇帶集成電子的比例閥,有助于确保放大器得到很好的匹配。采購獨立的放大器卡需要額外的努力和知識來調整放大器增益,從而閥芯會相對于控制信号能夠快速響應。
 
 
另外一個事實就是并不是所有閥的制造商都在同一條件下測試伯德圖。不同的制造商在不同的閥芯位移定義其額定值。100%的控制信号與5%控制信号相比,閥芯行程響應通常會差很多。這也就意味着同樣定義為30Hz的兩個閥,假設一個閥額定值使用5%的控制信号而另外一個閥使用50%的控制信号,實際上其是不同的。許多伯德圖顯示頻率響應時使用5%或者25%的正弦信号。5%的額定值在對閥顫振約為0%的應用非常适用,諸如壓力和力控制系統。然而,它們并不适用于高速應用,因為此時閥工作行程将達到100%。一個好的原則就是取0~100%的上升時間,乘以4,然後除以1,從而得到全行程的頻率。
 
具有高頻響的線性閥對于高性能位置/壓力控制系統是必須的。當然,光有閥的性能是不夠的,也需要一個好的運動控制器來補償閥的響應以及執行器和負載的彈簧質量效應。為了最大化一個設計良好的液壓系統的性能,同時需要選擇一個合适的運動控制器。他們應該具有這樣的特征,諸如獨立的上升和下降增益調節,位置-壓力/力控制,同時也可以直接連接至磁緻伸縮位移傳感器等。
 
閥芯選擇
 
對于位置和壓力/力控制,選擇伺服比例閥。隻要通過閥的壓降保持不變,閥芯提供的流量與控制信号成正比例。這類閥擁有穩定的增益,因為響應是線性的。
 
正遮蓋閥芯
 
一些閥的流量增益随着控制信号改變。這些閥通常在控制信号接近零的區域流量增益低,當控制信号将近±100%的時候流量增益高。帶槽口或者雙增益的閥有着明顯的低增益和高增益區間,而非線性閥有着連續的變增益特性。對于手動操控系統,兩種類型的閥都可以提供精确調整,無論工作流量處于低速還是高速區間。

雙增益或變增益閥芯
 
一些閥的流量增益随着控制信号改變。這些閥通常在控制信号接近零的區域流量增益低,當控制信号将近±100%的時候流量增益高。帶槽口或者雙增益的閥有着明顯的低增益和高增益區間,而非線性閥有着連續的變增益特性。對于手動操控系統,兩種類型的閥都可以提供精确調整,無論工作流量處于低速還是高速區間。
 
對于手動或者開環控制這不是問題,但是非線性閥使得整個系統非線性和閉環控制更困難。當閥在高增益和低增益區間工作切換時,控制器必須能快速改變增益。理論上,閥的線性化(補償變增益時作為控制信号的函數)可以利用運動控制器來調節。然而,這需要匹配閥的具體特性,因此限制了它的應用。對于低增益區間給定的流量變化,閥芯必須移動更多,從而降低在該區間的響應,降低了系統性能。
 
帶開口槽的閥芯在閉環控制隻用于低速時,工作非常好。開環或者手動控制可以用在高速區間,此時閥處于高增益區間。這樣,閥在高增益和低增益兩個區間切換工作時,就沒有必要快速改變閉環控制器的增益。然而,對于大多的位置和壓力控制應用,最好避免采用帶開口槽的或者非線性閥。
 
更大也許更好?
 
金屬制造工業的制造商們面臨着這樣一個問題,就是伺服系統沒有達到設計的性能要求。液壓仿真認為油缸沒有提供足夠的力控制更大的負載,數學模型建議采用更大規格尺寸的油缸,并安裝适合的更大規格的液壓閥。
 
圖形分析也顯示,小尺寸的油缸是如何不能提供足夠的力,使大型負載加快減速。更小尺寸的油缸在油缸端蓋排油(壓力降為零),而有杆腔端壓力超出了系統壓力。系統無法控制,因為活塞杆端的油液流至供油單元,實際上使得減速降低。
 
大規格的油缸可以以同一速率加速負載,但是其更大的活塞面積意味着壓力改變不會太大。整個循環周期裡油缸壓力基本處于壓力範圍的中間,為保證良好控制,經過活塞的壓力損失很大。
 
提高油缸直徑也就是提高系統的自然頻率(剛度),讓運動控制器可以處理更快的加速和減速控制。當正确調試的時候,就會提高系統性能。然而需要記住的是,更大的油缸需要更大的閥和更多的油。過大的油缸成本會更高,并且更大的閥響應會

更慢,在某些情況,提高閥的規格尺寸并不能提高系統的響應。


 

選擇合适的運動控制器
 

液壓閉環控制所需要的很多參數,傳感器信号和算法在普通的伺服電機運動控制器裡是找不到的。DELTA的RMC運動控制器集成了這些功能,所以它除了适合電機控制,氣動控制還可以完成高性能液壓回路的閉環控制。


使用蓄能器

 

液壓油源泵的流量應該是系統所需的平均流量加上10%的餘度。使用了蓄能器後就沒有必要再按系統的峰值流量來選擇油源泵流量。


選擇正确的液壓管路

 

在經過多次沖洗之後的液壓伺服油源才可以被用作控制,否則會因為油液中的雜質導緻閥的損壞和堵塞。