數字技術在液壓系統中的應用

 關鍵詞：液壓數字技術，

數字技術在液壓系統中的應用

一、引言

隨著計算機技術的發展，液壓系統中數字技術的應用領域得到不斷拓展。從20世紀90年代開始，人類已進入了數字化、信息化、知識化時代。數字技術的數學基礎——離散數學、邏輯數學等，早在17、18世紀就已經出現。但是發展成為數字技術并付諸實用，則是在微電子技術和器件的發展之后。20世紀60年代是以使用電子管為主的時期，這時要在液壓系統中大量采用數字技術是有困難的，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足要求。隨著半導體器件、集成器件和超大規模集成器件的出現， 數字技術在液壓系統中的應用迅速而又普遍地發展起來。

 近幾年，由于微型計算機的發展和提高，特別是單板機、單片機低廉的價格，為液壓系統的數字化提供了必要的條件，使數字技術已應用于液壓的諸多方面，并且還不斷地在開拓著新的應用領域。數字技術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把電子控制裝置安裝于傳統閥、缸或泵內，并進行集成化處理（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、步進式數字閥及高速開關閥等類型。

模擬式閥需要進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電壓放大后的二進制電壓信號，省去了昂貴的 D/A 轉換裝置。

步進式數字閥是采用步進電動機作為電—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，這類閥具有重復精度高、無滯環、無需采用D/A轉換和線性放大器等優點，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。

快速開關閥采用脈沖調制法來達到流量控制的目的。 產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，而開關閥常用時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，即一種將控制步進電動機的電信號轉換為機械位移的轉換元件。步進電動機可以采用微計算機或可編程控制器（PLC）進行控制。其工作原理是微機發出控制脈沖序列信號，經驅動電源放大后驅動步進電動機運動；微機通過控制脈沖來控制步進電動機的轉速，從而就控制了電液步進液壓缸的運動。電液步進液壓缸的位移與控制脈沖的總數成正比；而電液步進液壓缸的運動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，由步進電動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，是普通步進電動機的幾百至一千倍。其中，液壓扭矩放大器是一個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電動機在輸入脈沖的作用下轉過一定的角度時，經齒輪帶動滑閥的閥芯旋轉，由于液壓馬達此時尚未轉動，因此使滑閥的閥芯產生一定的軸向位移，閥口打開，壓力油進入馬達使馬達轉動，同時反饋螺母的轉動使滑閥的閥芯退到零位，馬達停止運動、如果連續輸入脈沖，電液步進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、響應快等多重優點。

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展而發展起來的一門新興技術，簡稱CAD技術。CAD技術包括建模、仿真、優化、設計和繪圖等。它是利用計算機來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，更為方便地進行各種方案的分析比較，從而獲得最優的設計方案，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方面。

1.         從數學模型出發，對已有的液壓系統進行仿真研究，通過不斷修改數學模型和改變仿真參數，使仿真更接近于實物實驗結果。從而可以比較仿真結果與實驗結果的差別，來驗證理論的準確程度，并將確定的數學模型作為系統的理論依據，有助于進一步的研究和開發。

2.         在實際的應用系統調試時，通過仿真實驗，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，通過仿真驗證系統控制方案的可行性，研究系統結構參數對動態性能的影響，由此獲得最佳的控制方案和最優的系統結構參數。

虛擬樣機技術的逐漸成熟，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，一方面可以節約人力和資金，降低產品成本，避免不必要的浪費，另一方面也可以縮短設計周期，并提供設計質量可靠的系統，同時可供客戶直接瀏覽樣機運行情況。其數字化的特征表現在產品開發過程中的不同階段， 直至成品出現之前，都是以數字化方式存在，稱之為產品的數字化模型；在產品開發過程中，開發過程的管理采用數字化的方式， 開發網絡的任務是以數字化方式確定和分配的；在產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，產品信息的交流采用數字化方式，基于數字化模型實現無紙化設計。

四、計算機輔助測試（CAT）

隨著液壓傳動裝置對液壓元件的技術特性、技術參數的測試要求越來越高，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。

            1.           有關靜態特性的測試技術

 CAT 簡化了靜態特性的測試系統，操作方便，同時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，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，進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，可實現靜態特性的流量測試。

            2.           有關動態特性的測試技術

對液壓元件的動態特性測試一直是測試領域的重要課題之一。在動態測試中，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，對信號的發生和采集有同步要求；是動態性能測試中的難點。CAT可采用自適應尋優正弦信號測試方法測試元件的動態特性；或采用小波消噪方法。對測量過程中的高頻噪聲進行了去噪處理，提高了測試結果的精確性。以及以性能先進的VXI總線儀器為主要測試設備組成液壓元件動態特性測試系統。具有高速、高精度、易組建，易擴展，易更新換代等特點。

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

            3.           綜合性能的測試技術

利用計算機和相關軟件建立的液壓元件特性測試系統； 實現了液壓元件動、靜態特性的自動測試。采用虛擬儀器技術VICAT系統。產生低頻的三角波、正弦波、鋸齒波等用于靜態特性實驗需要，產生隨機信號、正弦掃頻信號用于動態特性實驗需要；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、減少測試時間、減輕實驗人員負擔無疑起到了巨大的作用。

五、液壓數字系統發展實例

(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和壓力脈動要求更高。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)，通過調整節流閥的輸出流量來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的作用。該閥以二相混合式步進電機為電-機械轉換元件，針對試驗機的特點，專門設計了步進電機的連續細分控制技術，實現了直接數字方式控制，消除了閥的滯環，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,該閥由步進電機、齒輪傳動機構節流閥（主閥）和等差減壓閥（先導閥）組成。傳動機構由一對齒輪組成，傳動比i=6，設計這樣的結構，不僅解決了步進電機與主閥閥芯直接連接時同軸度的要求，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系，設計中采用了對稱開口結構，在閥芯上開有一對與泵出口相通的P口和一對與油箱相通的T口，在閥套上開有一對與工作液壓缸相通的A口。先導閥采用滑閥式全開口結構，有效地降低了系統的壓力脈動，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，節流閥的A口與T口、A口與P口均處于截止狀態，此時先導閥的閥口打開，泵的輸出流量通過先導閥流回油箱。當步進電機從零位開始順時針進給，P口與A口導通，同時，先導閥開始工作，步進電機帶動主閥閥芯調節主閥閥口的過流面積，通過控制輸出流量來控制液壓缸負載腔的壓力。當步進電機從零位開始逆時針進給，P口與T口導通，泵的輸出流量直接通過T口回油箱，此時先導閥處于關閉狀態。主閥在小開口區域設計了非線性開口，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，先導閥的壓力補償功能，使得閥口的過流流量不受負載變化的影響，保證了主閥節流口過流面積和輸出流量的線性關系。

            3.           步進電機的控制原理

利用一種基于PWM的多倍細分技術，實現了步進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電機控制器中。

在步進電機的控制中，在每次輸入脈沖切換時，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也只會是原有步距角的一部分，額定電流分成多少個級別進行切換，轉子就以多少步來完成原有的步距角。因此，通過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完成。

步進電機細分后的步距角：

式中：N為細分步數；為步進電機步距角。

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系可表示為：

　從上式可以看出，步進電機轉子兩個周期之間的輸出角位移可以通過完成個步距角和個細分步數來實現。

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

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，每次控制器開機時即自動對閥芯進行初始化，此時閥芯處于零位，對應的步進電機也處于零位，等待讀取輸入角位移信號。

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

            4.           閥的靜態特性

圖4所示為閥的流量-壓力特性曲線，圖4a為閥在小流量工作區域的流量-壓力特性曲線，圖4b為閥在大流量工作區域的流量-壓力特性曲線，從試驗曲線可以看出,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為不帶齒輪傳動機構間隙補償功能的輸入輸出曲線，圖5b為帶間隙補償的輸入輸出曲線。

從圖5中可以看出，在小流量區域,其流量呈非線性變化，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,閥的輸入輸出曲線明顯存在滯環，這種現象的出現，主要是因為在閥的齒輪傳動機構中存在間隙，圖5b為進行齒輪間隙補償后閥的輸入輸出曲線。

            5.           性能特點和技術參數

步進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，且具有誤差不長期積累的特點采用步進電機作為驅動元件，與傳統的模擬量控制元件相比，具有重復精度高、無滯環和直接數字控制等特點。同時，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　在控制器打開電源的瞬間，節流閥閥芯自動到零位；

2)        斷電保護功能　在控制器突然斷電時，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對傳動機構中的間隙進行補償。

            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，完全能夠滿足恒應力壓力試驗機要求。目前,該閥已實現了產業化，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機。實際使用時通常經齒輪減速后帶動負載，在系統中作執行元件，因此伺服電機又稱執行電動機。近年來，工業快速發展，伺服電機廣泛應用于化工、光纖等工業領域。

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，能實現模擬量控制不能實現的控制要求。例如，實現復雜的控制算法，如復雜的積分控制，就可以方便地通過數字量控制來實現。隨著大型企業自動化程度越來越高，對伺服電機的要求也在提高，電機作為自動控制系統中的一類重要元件，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節。因此，伺服電機的DDC有著很高的應用價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器的方法，應用時間長。但它的可靠性不高，存在一定程度的零漂。同時考慮到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器通信，工控機通過串行通信將數字量傳送給伺服電機驅動器，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，無需購買A/D模塊，降低了成本。目前許多廠家出產的伺服電機驅動器都配有通信端口及通信協議。通信協議簡單可靠，用戶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

1)        利用通訊控制，驅動器直接得到的是數字信號，不需要進行模/數轉換，節約了一個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)        在工控機上對驅動器進行控制，通訊時間最多需要80 ms。時間很短,驅動器接收到數據后可以馬上驅動電機，符合實際生產要求。

4)        根據廠家的實際工藝要求，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。通過通訊，可以人為地控制積分過程，很好地實現控制要求。

5)        伺服電機的DDC可以方便實現復雜的控制算法，通過模擬量控制是無法實現的。伺服電機的直接數字控制可廣泛應用于各個領域，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

數字技術的飛速發展，極大地帶動液壓行業開辟了諸多新興的研究領域。為了實現信號檢測、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，通過仿真驗證系統控制方案的可行性，研究系統結構參數對動態性能的影響；或運用虛擬樣機技術，使數字化模型實現無紙化設計；在液壓系統的性能測試方面，利用計算機和相關軟件，實現了元件的動、靜態特性的自動測試，減少了元件的測試誤差和周期，有利于液壓產品的開發和維護。 

 關鍵詞：液壓數字技術，