基于增量式数字阀的液压作动器设计及控制策略研究.pdf

液 压 气 动 与 密 ．．．,-r ／20 1 5年 第 0 3期 d o i l O ． 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 3 。 0 0 6 基于增量式数字阀的液压作动器设计及控制策略研究 何曦光 ， 彭利坤 ， 叶 帆 海军] 二 程大学 动力T程学 院， 湖北 武汉4 3 0 0 3 3 摘 要 该文针对传统的数字液压作动器机械反馈形式的频响低、 无法自动调节增益等问题， 设计了一种基于增量式数字阀的数字液 压作动器 ， 通过其核心元件D s P 对步进电机进行控制 ， 以实现数字阀阀芯开度的精确控制。从而实现对液压执行机构的精确位移控 制 ； 并 利用安装 在液 压作 动器上的光电编码器进行闭环位置反馈 ， 从而进一步提高控制精度和频响特性 。 关键词 增量式 数字 阀 ； 精确控制 ； D S P 中图分类号 T H1 3 7 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 3 0 0 2 4 0 4 De s i g n a n d Co n t r o l S t r a t e g y S t u d y o f Hy d r a ul i c Ac tua t o r wi t h I nc r e me n t a l Di g i t a l Va l v e HE Xi - gu an g， PENG Li - k u n， Y E Fa n C o l l e g e o f Ma r i n e P o we r , Na v a l Un i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g ， Wu h a n 4 3 0 0 3 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e f a u l t s o f t h e t r a d i t i o n a l h y d r a u l i c a c t u a t o r s t h a t i t h a s l o w f r e q u e n c y r e s p o n s e s a n d c a n’ t p r o v i d e e ffe c t i v e c o rn p e n s a t i o n t o i t s n o n - l i n e a r p a r t ． A n d ， i t s me c h a n i c f e e d b a c k s c a n ’ t a d j u s t i t s g a i n s a u t o ma t i c a l l y ． I n t h i s a r t i c l e ， w e h a v e d e s i g n e d a n e w t y p e of h yd r au l i c a c t ua t or wh i c h i s c omp os e d o f i nc r e m e nt a l d i g i t a l va l ve ， hyd r a ul i c c yl i n de r a nd p ho t o e l e c t ric d e c od e r ．By c o n t r ol l i ng t he s t e p mo t o r o f t h e d i g i t a l v a l v e ， we c a n ma k e t h e v a l v e c o r e o p e n o r c l o s e a n d i n o r d e r t o l e t t h e c y l i n d e r mo v e p r e c i s e l y ． As a r e s u l t ， b o t h t h e c o n t r ol l i ng p r e c i s i o n a nd t h e r e s po ns e f r e q u e nc y a r e i mpr ov e d． Ke y wo r d s i n c r e me n t a l d i g i t a l v a l v e ； p r e c i s e c o n tro l ； d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r 1 研究背景及意义 液压作动器是液压系统 中使用最为普遍 的装置之 一 。通过作 动器 ， 能将系统输人的液压 能转化为机械 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 9 作者简介 何曦光 1 9 8 2 一 ， 男， 湖北武汉人 ， 讲师， 硕士， 研究方向为机 电液一体化 。 - 一 - - 一 - 一 --- 一- - - - - - - - - - - 精度 ， 因此 当调速 阀内部 因磨损而使配合间隙增大时 ， 应当及时更换 。 4 结论 通过在建立 的风翼回转液压系统模 型中注人液压 系统常见故 障， 分别建立 了液压泵磨损 、 滤器堵塞和调 速阀内泄漏 的故 障模型 ， 并 分析 了不 同故 障对液压系 统运行参数 的影 响 ， 为液压系统 的故 障诊断提供 了故 障样本数据支持， 并为风翼的实船应用奠定基础。 参考文献 【 1 ] 王宏明， 孙培廷， 黄连忠， 等． 基于翼型理论的风帆助航技术 分析[ J ] ． 船舶T程， 2 0 1 1 ， 3 3 4 3 7 ． 【 2 ] 刘绪儒， 黄连忠， 林煜翔， 客振亚． 基于 A ME S i m船舶风翼回 转液压系统仿真分析I J J ． 液压气动与密封， 2 0 1 3 ， 4 3 0 3 4 ． 【 3 ] 汪宇亮． 基于A ME S i m的工程机械液压系统故障仿真研究 4 能输 出， 并拖动生产机械工作 。其在造船 、 钢铁 、 石油 、 机械等各工业领域 中有着广泛的应用⋯ 。 随着计算机及微 电子技术 的不断发展 ， 数字液压 作动器获得 了广泛 的应用 。目前 ， 我 国数字液压作动 器主要分 为两种 一种是能够输 出数字或者模拟信号 的内反馈式数字液压执行机构 ； 一种是使用数字信号 控制运行速度和位移 的开环控制数字液压执行机构 。 _ 上． [ D 1 _ 武汉 武汉 理工大学， 2 0 1 2 ． [ 4 】 赵志强 ， 马冉祺 ， 冯宝辉， 等． 基于 A M E S i m风翼回转液压系 统动态响应分析l J I _ 大连海事大学学报， 2 0 1 4 ， 4 0 1 6 6 6 9 ． [ 5 】 王森． 调距桨液压系统故障仿真与诊断技术研究【 D ] ． 哈尔 滨 哈尔滨工程大学， 2 0 1 3 ． [ 6 】 刘少辉， 林少芬， 陈清林， 董浩然， 刘国印． 液压系统压力波动 与冲击的动态仿真试验研究【 J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 1 1 1 9 5 1 9 8 ． [ 7 】 周小军． 基于A ME S i m液压系统泄漏仿真与故障诊断研究 [ D 】 ． 长沙 国防科学技术大学， 2 0 1 2 3 8 4 7 ． [ 8 】 魏太有． 履带起重机闭式液压系统故障分析及排除方法研 究[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 2 ， 4 4 卜4 4 ． 【 9 】 余佑官， 龚国芳， 胡国良． A ME S i m仿真技术及其在液压系统 中的应用【 J J ． 液压气动与密封， 2 0 0 5 ， 3 2 8 3 1 ． [ 1 0 】张月， 倪炳巍． 挖掘机液压系统的泄漏及预防措施l J I _ 中国 水运 下半月 ， 2 0 0 8 ， 1 2 1 4 2 1 4 3 ． Hyd r a u l i c s Pn e uma t i c s Se a l s ／ No． 0 3． 2 01 5 前者仅能够将液压执行机构运行 的速度 和位移信号传 递出来 ， 其运 动控制依靠外部的液压系统实现 ， 数字液 压执行机构本身无法完成运动控制 ； 后者虽然可 以通 过发送脉 冲完成对数字液压执行机构 的运动控制 ， 但 由于其采用机械反馈形式 ， 存在频响低 、 无法 自动调节 增益等问题 1 。 针对 以上问题 ， 本文设计 了一种 由增量式数字阀 、 液 压 行 机 构 和光 电编 码 器 构成 的新 型 数 字 液 压作 动器。 2 液压作动器的设计及工作原理 该 型作 动器 由增量式数字 阀 、 液压执行机构 以及 光 电编码器三部分组成 。其 中 ， 增量式数字 阀通过步 进 电机和滑 阀集成 ， 并通过油源 、 管路与液压执行机构 连接。上位机通过 D S P控制器 以及细分 驱动器与数 字 阀步进 电机连接 ， 组成如图 1 所示 。 阀 图 1 作动器 系统 工作原 理图 该作 动器的工作过程为 通过上位机 以及通讯 线 缆将编写的程序传送到D S P ， D S P 根据指令输出脉冲序 列和方向信号到细分驱动器。细分驱动器驱动数字阀 中的步进 电机产生精确 角位移 ， 并通过丝杆螺母使 阀 芯产生精确轴向位移 ， 阀芯打开。压力油从油源进入 液压执 行机 构的无杆 腔 ， 推动 活塞杆产生 直线位 移 。 执行机构内部的滚珠丝杠将活塞杆直线位移转化为旋 转角度， 并带动光电编码器旋转， 并将编码器角度信号 反馈 到 D S P 。 液压执行机构 的直线位移逐渐接 近 目标位移 时 ， D S P根据反馈信 号输 出反 向脉 冲序列 ， 控制步进 电机 反转使阀芯逐渐关闭， 当给定位移等于反馈位移时， 阀 芯归零而关闭 ， 液压执行机构不再产生位移输出。 为了能够实现液压作动器的快速响应与位移的精 确控制 ， 对于核心控制器的响应速度及运算能力提出 较高要求 。 本文选择德州仪器公司生产的T M S 3 2 0 F 2 8 3 3 5 S 型 D S P ， 其主频达 1 5 0 M H Z ， 芯片集成了2 5 6 K x 1 6 位的片 外 S R A M、 2 5 6 K x l 6 位的F L A S H、 1 6 路片内1 2 位A ／ D 模 式转换 、 l 2 路 的P WM输 出 、 2 路 e Q E P增强正交编码 脉 冲输入 、 1 路 U A R T 、 1 路 C A N、 1 路 高速 U S B、 外 扩 S D 卡 、 Mc B S P音频 、 串行 E E P RO M R T C实 时时钟 ， C P L D 及液晶显示等外设 ， 具体见图2 所示 。 所有 总线 外扩 插锯 引 】 驱 蜀 AN 驱i S I 卡 SR AM ．I z 5 6 Kl 6位I No r F L AS H l 2 5 6 K 1 6世l 丽F 面 C Y 7 C 6 8 0 0 1 I 叵 藤 主 。 液晶 I I L L t K t J MI I Z j I 图 2 T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5 S功能框 图 3 液压作动器控制策略的研究 液压作动器的输 出位 移与增量式数字阀的阀芯开 度成正 比 ， 而其阀芯开度与驱动阀芯的步进 电机的实 际接收脉冲数即脉冲控制量成正 比。为 了实现作动器 输出直线位移的精确控制， 必须对步进电机的脉冲控 制量进行精确控制 。控制策略流程图如图3 所示 。 图 3 控 制策略流程 图 在人为设定 给定 脉冲数后 ， 通过 与反馈脉 冲数进 行 比较 ， 输 出脉 冲控制量 。 当其为零 时 ， 阀芯应处 于 关 闭状态 ， 此 时没有液压 油进人作动器 ， 从 而不输 出 直线位移 。当其不 为零 时 ， 将其与给定 的阀芯最大开 度对应开度对应脉冲控制量进行比较 ， 若其大于等于 最大 开度脉 冲控制量 ， 控制器输出脉冲控制量即对应 阀芯最大开 度 ； 若 其小 于最大开度 脉冲控制量 ， 控制 器输 出脉冲控制量等于输人脉 冲控制量乘 以阀芯 增益 。 步进电机在接收到脉冲控制量后产生相应角位 移 ， 并拖动阀芯产生一定 的开度 ， 油源通过数字 阀给液 压执行机构供油 ， 并产生一定的直线位移。其内部的 5 一～一一 一一一一一一一一～ 一一一一～一～一一一一一一一 l Li J 液 压 气 动 与 罐p a 1 “ ／2 01 5年 第 0 3期 滚珠丝杠将活塞杆直线位移转化为旋转角度 ， 并带 动 光电编码器旋转， 并将编码器角度信号反馈到D S P 。 步进 电机接收的脉冲数是 实时变化 的。为了便于 分析和计算 ， 将数字 阀工作 时间 分为若 干个周 期 。 在每个周期 内根据实时脉冲控制量来计算对应 的阀芯 开度 ， 再计算出对应的步进电机旋转角度 ， 最后得到此 周期 内发送 的P WM脉冲个数 。循环往复 ， 直到反馈位 移等于 目标位移 I 。 具体方法为 在工作时间 内， 在 D S P 的每个采样 周期 内对反馈脉冲数进行采集 ， 并将采集量输入 D S P 控制 器 ， 经 过计 算得 出下 一周期 所需 发送 的脉 冲 数 。如此循 环往 复 ， 直 到液 压执行 机构 达到设 定 行 程 。设第 K周期 时间 需发送的脉冲数 Ⅳ k 计算方法 如下 设给定液压执行机构行程位移对应的脉冲数为Ⅳ， 光 电编码 器反馈 的液压执行机构 行程对应 脉冲数为 Ⅳ f ， 则液压执行机构给定行程 与反馈行程 分别为 L h 2 1 1if ‘ h 2 式中 ／ v T 光电编码器分辨率 ； 反馈丝杠导程。 设第 孔个采样周期内脉冲控制量为△ Ⅳ k ， 其计算公 式为 △ N k N Nf 3 第 个采样周期 内阀芯绝对开度为 k k6 k 一 1 4 式中 。第 时间的阀芯开度增量； 6 上一采样周期结束后的阀芯开度 ， 但是 由于滑 阀 阀芯 的位 移有 限 ， 因此对 阀芯开 度作 以下 规定 ㈥ 式中 阀芯开度 比例系数 。 △Ⅳ m 为阀芯最大开度 对应 的脉冲控制量 AN I ／ m a x 6 步进电机驱动阀芯轴向运动使阀芯打开 ， 设第 个采样周期内需发送的脉冲数Ⅳ k 与阀芯开度比例系数 为 K m ， 则 6 k6 k一 k l Nk Km 7 因此第 孔个采样周期 内需发送 的脉冲数为 N k - 8 根据上述 的控制策略。我们进行 了一次完整的原 理样机试验 ， 其各个参数 曲线变化规律如图4 } ifi示 。 图4 输入 、 反馈及发送脉冲数及 阀芯开度 曲线 由实验数据可知 ， 脉冲控 制量由输人值 与反馈值 之间的差值决定 ， 随着差值增大 ， 脉 冲控制量逐渐增 大 ， 阀芯开度也 随之增大 ； 当脉冲控制量达到阀芯最大 开度对应的脉 冲控制量△ ， v m 时 ， 阀芯开度也达到最大开 度 。反馈脉冲值越接近输入脉 冲 目标值时 ， 脉冲控 制量越小 ， 阀芯开度也相应减小 。 由此可知 ， 阀芯开度始终 与脉 冲控 制量成 比例 。 当有输入脉 冲时 ， 阀芯打开 ， 当反馈 脉冲数值逐 渐增 大 ， 阀芯开始往相反 方 向移动 ， 当反馈值 等于输人 值 时 ， 阀芯关闭。通过以上环节 ， 实现了反馈增益 的 自动 调节， 提高了控制精度。并且 ， 作动器采用光电编码器 代替 了机械反馈 ， 频率响应有所提高。 4 结束语 本文设计 了基于增 量式数字 阀 的数 字液压作 动 器 ， 并完成 了作动器控制策略的理论研究 。在后面 的 工作 中， 笔者基 于以上内容搭建 了实验平台 、 编写了程 序样 机并完成 了测试 。试验结 果表明 ， 控制策略基本 能够弥补提高作动器的控制精度以及频率响应 ， 符合 设计 目标 。 参考文献 李芝． 液压传动[ M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 0 ． 章宏甲， 黄谊， 王积伟． 液压与气压传动[ MI ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． 邢继峰 ， 曾晓华 ， 彭利坤． 一种新型数字液压执行机构的研 究『 J 1 ． 机床与液压， 2 0 0 5 ， 8 1 4 5 1 4 6 ． 肖志权， 彭利坤， 邢继峰， 等． 一种新型数字伺服液压步进缸 【 J 1 ． 工程设计学报， 2 0 0 5 ， 1 2 1 0 7 1 1 0 ． 吴文静， 刘广瑞． 数字化液压技术的发展趋势[ J ] _ 矿山机械， 2 0 0 7 ， 3 5 8 1 1 6 1 1 9 ． 吴根茂， 邱秀敏． 实用电液比例技术[ M】 ． 杭州 浙江大学出版 社 ， 1 9 9 3 ． 阮健． 电液 气 直接式数字控制技术【 M 】 ． 杭州 浙江大学出版 Ⅲ 嘲 Hy dr a ul i c sPn e u m a t i c s Se a 1 ．s．．／．．．．N． o． 0 3． ．2．．．．．0．．．．．．．15 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 0 7 调速型液力偶合器的可靠性研究 姜梓钧， 邵万珍， 林晓婷， 吴 岳 大连交通大学 机械工程学院 ， 辽宁 大连1 1 6 0 2 8 摘要 将在故障模式 、 影响及危害度分析 F M E C A 、 故障树分析 Z r A 的基础上综合的 F 方法， 运用于调速型液力偶合器的可靠 性分析。通过此种方法对调速型液力偶合器的故障模式进行定性分析， 从而确定关键故障模式及重要零部件并提出改进措施。 关键词 调速型液力偶合器； 正向 F 方法 ； 可靠性 中图分类号 T H1 3 7 ． 3 3 1 文献标 志码 A 文章 编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 3 0 0 2 7 0 4 Re l i a b i l i t y Re s e a r c h o f Va r i a b l e S pe e d Hy d r o d y na mi c Co u pl i n g J I ANGZi -j u n ， S HAO Wa n - z h e n ， L 1 NXi a o t i n g , WUY u e C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Da l i a n J i a o t o n g Un i v e r s i t y， Da l i a n 1 1 6 0 2 8 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e me t h o d o f F T F w h i c h i s b a s e d o n t h e f a i l u r e mo d e e f f e c t a n d c ri t i c a l i t y a n a l y s i s F ME A a n d f a u l t t r e e a n a l y s i s F T A i s u s e d i n t h e r e l i a b i l i ty r e s e a r c h f o r v a r i a b l e s pe e d h y d r o d y n a mi c c o u p l i n g ． T h e a r t i c l e u s e t h e me tho d o f FT F t o ma k e a q u a l i t a t i v e a n a l y s i s f o r f a i l u r e mo d e o f v a ri a b l e s p e e d h y d r o d y n a mi c c o u p l i n g ． T h i s me tho d i d e n t i f y t h e k e y f a i l ur e mo d e a n d i mp o r t a n t p a r t s t h e n p u t for wa r d t h e i mp r o v e m e n t me a s ur e s． Ke y wo r d s v a r i a b l e s p e e d h y d r o d y n a mi c c o u p l i n g ； f o r wa r d d i r e c t i o n me t h o d o f F TF ； r e l i a b i l i ty 0 引 言 调速型液力偶合器 与各类水泵 、 风机 、 传动带式输 送 机等设备 匹配 ， 具有起动性 能好 、 可无级调速 、 操作 简单 、 成本低 、 寿命长 、 调速时间短等优点u 。但是我 国 液力偶合器在使用过程中故障出现频繁、 可靠性低， 距 国外调速型液力偶合器仍有很大差距 。对调速型液力 偶合器进行可靠性分析， 意在可以通过此种分析方法 ， 对不可靠零件及故障模式在设计制造及维护过程中加 以重视 。提高产 品的可靠性 ， 不仅可 以减小维修率 ， 提 高使用率， 同时也将增强产品的市场竞争力 ， 提高经济 效益。 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 3 作者 简介 姜梓钧 1 9 8 9 一 ， 男 ， 黑 龙江佳木 斯人 ， 在读硕 士研究 生 ， 研究 方 向为机械 工程 。 -- 一- - - - - - - 社 ， 1 9 9 9 ． 【 8 】 魏祥雨． 闭环控制数字液压执行机构研究【 D 】 ． 重庆 重庆大 学。 2 0 0 5 ． [ 9 ] J e r o n y m o C E， Y a m a d a H， Mu t o T ． A p p l i c a t i o n o f U n i fi e d P r e d i c t i v e C o n t r o l t o o n ／ o ff C o n t r o l o f Hy d r a u l i c S y s t e m D r i v e n b y F a s t s w i t c h i n g S o l e n o i d V a l v e s [ J ] ． J S ME I n t e r n a t i o n a l J o u rna 1 ． S e r ． 1 9 9 6 ， 3 9 3 5 1 5 - 5 2 1 ． 【 1 0 】Me s s i n a A， G i a n n o c c a r o N I ， G e n t i l e A ． E x p e r i me n t i n g a n d Mo d e l i n g t h e Dy n a mi c s o f Pn e u ma t i c Ac t u a t o r s Co n t r o l l e d b y t h e P u l s e Wi d t h Mo d u l a t i o n P WM T e c h n i q u e [ J ] ．Me c h a t r o n 一 本文将故障模式 、 影 响与危害度分析 F ME C A 及 故 障 树 分 析 F T A 结 合 起 来 的正 向综 合 分 析 方 法 F 应用于调速型液力偶合器。将此种方法应用于 调速型液力偶合器进行可靠性分析 中， 对于 陕速 、 系统 的找 出故 障模式具有 良好的指导意义。 1 调速型液力偶合器 1 ． 1调速型液力偶合器工作原理 当液力偶合器输入轴通过电机驱动泵轮旋转时， 进入泵轮里的油在叶片的带动下 因离心作用 由泵轮 内 侧流向外缘 ， 形成高压高速液流冲向涡轮叶片 ， 使涡轮 跟随泵轮作同向旋转， 油在涡轮中由外缘流向内侧减 压减速 ， 然后 流人泵轮 。在这种循环过程 中泵轮将 电 机的机械能转变成油的动能和势能 ， 而涡轮将油 的动 能和势能又转变成输出轴 的机械能 ， 从而实现能量 的 柔性传递I 。 - - - - - - 十 i c s ， 2 o 0 5 。 1 5 7 8 5 9 - 8 8 1 ． [ 1 1 】T a g h i z a d e h M， G h a f f a r i A， N a j a f i F ． M o d e l i n g a n d I d e n t i f i c a t i o n o f a S o l e n o i d V alv e f o r P WM C o n t r o l A p p l i c a t i o n s [ J ] ． C o mp t e s R e n d u s M6 e a n i q u e ， 2 0 0 9 ， 3 3 7 3 1 3 1 1 4 0 ． [ 1 2 】L e i J ， Wa n g X， X u Z ， e t a1．P o s i t i o n C o n t r o l for A s y m me t r i c al H y d r a u l i c C y l i n d e r S y s t e m U s i n g a S i n g l e o o ff V al v e [ J ] ． J o u r n al o f S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y S c i e n c e ， 2 0 1 0 ， 1 5 6 6 5 1 6 5 6 ． [ 1 3 】魏祥雨， 王世耕 ， 胡捷 ， 等． 闭环控制数字液压执行机构及 实验研究[ J 】 ． 液压与气动， 2 0 0 5 ， 7 1 9 2 2 ．