数字液压缸跟踪误差特性仿真分析.pdf

2 0 1 5年 4月 第 4 3 卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAUL I C S Ap r ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 7 D 0I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 4 0 数字液压缸跟踪误差特性仿真分析 张乔斌 ，宋飞 海军工程大学动力工程 学院，湖北武汉 4 3 0 0 3 3 摘要为研究某型数字液压缸 的跟踪误差特性，根据数字液压缸 的具体结构及工作原理建立 了完整的数字液压缸 A ME S i m仿真模型，利用该模型对比研究了在不同幅值 、不同频率及不同类型的输入信号作用下数字液压缸的跟踪误差 ， 通过对仿真结果的分析得出了数字液压缸跟踪误差变化的具体规律及原因，研究结果对数字液压缸的实际工程应用及误差 控制具有参考意义。 关键词 数字液压缸；A M E S i m；跟踪误差 中图分类号T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 7 1 5 7 4 S i mul a t i o n An a l y s i s o n Tr a c ki ng Er r o r Ch a r a c t e r i s t i c s o f Di g i t a l Hy dr a u l i c Cy l i nde r Z H A N G Q i a o b i n ， S O N G F e i C o l l e g e o f P o w e r E n g i n e e r i n g ，N a v a l U n 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 H u b e i 4 3 0 0 3 3 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s t u d y t h e t r a c k i n g e r r o r c h a r a c t e r i s t i c s o f a t y p e of d i g i t a l h y d r a u l i c c y l i n d e r ， t h e c o mp l e t e AME S i m s i mu l a - t i o n mo d e l w a s b u i l t a c c o r d i n g t o t h e p r a c t i c a l s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f d i g i t a l h y d r a u l i c c y l i n d e r ． T h e t r a c k i n g e r r o r o f d i g i t a l h y d r a u l i c c y l i n d e r w a s s t u d i e d i n c o n t r a s t i n o p e r a t i o n a t d i f f e r e n t a mp l i t u d e s ，d i f f e r e n t f r e q u e n c i e s a n d d i f f e r e n t t y p e s o f i n p u t s i g n a l s w i t h t h e mo d e 1 ． T h e s p e c i fi c l a ws a n d t h e r e a s o n s o f t r a c k i n g e r r o r c h a n g i n g we r e o b t a i n e d t h r o u g h t h e a n a l y s i s o f t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s ． T h e s t u d y r e s u l t s c a n p r o v i d e s i g n i fi c a n t g u i d a n c e f o r t h e p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n a n d e r r o r c o n t r o l o f d i t M h y d r a u l i c c y l i n d e r ． K e y w o r d D i t M h y d r a u l i c c y l i n d e r ； A M E S i m； T r a c k i n g e r r o r 0前 言 早期的数字液压缸 由于机械结构不完善 ，导致 液压缸的行程短 ，速度不高，性价比不高，均没有得 到广泛的应用。9 0年代以来，随着微计算机技术及 步进电机细分驱动技术的迅猛发展 ，数字液压缸获 得了新的活力。现代数字液压缸可直接用数字脉 冲 信号进行控制 ，具有控制简单、定位精度高、抗污能 力强、维护容易等优点。美国 V i c t o r y C o n t r o l s 公 司、 V i c k e r s 公司、 德国H e r m a n n H e m s c h e i d t Ma s e h i n e n f a b r i k 海 姆 施 德 特 机 械 制 造 公 司、 R e x r o t h 力士乐公司、日本 I H I 石川 岛播磨重 工 公 司 、东 京计 器公 司均 有成 熟 系列 数字 液 压缸 产品提供 』 。国内亿美博科技有限公司解决 了数字 液压缸高速、长行程、廉价的难题 ，使其能够适用于 不同的需求∞ 。重庆大学机械工程学院在磁耦合传 动数字液压缸的理论与实验研究方面作 了大量工作， 积累了丰富的经验 。西南科技大学设计 了一种无 需液压站供油的新型 内循环数字液压缸 ，结构极为 简化 ] 。浙江工业大学研制了螺旋槽式数字液压缸， 并 申请了专利。 。 。 1 数字液压缸原理 数 字液压 缸结构如图 1 所示 ，其 工作 原理 为 在 正向脉冲信号的作用下步进电机旋转 ，阀芯与步进 电机之间为滑动连接 ，阀芯 随步进 电机 同步旋转 ，在 阀芯左端螺杆螺母 副作用下 阀芯的旋转运动变为轴 向左移 的直线运动 ，阀 口随之打开 ，压力油进入无杆 腔，活塞外伸。与此同时，与活塞刚性固定的反馈螺 母也一同运动 ，在滚珠丝杠的作用下 ，反馈螺母的左 移直线运动转化为丝杆的旋转运动，丝杠带动与其 固定在一起的螺母旋转，再通过螺杆螺母 副的作用 推动阀芯轴 向右移 ，阀口逐渐关闭，实现位置负反 馈。当输入连续正 向脉冲信号时，步进 电机连续旋 转 ，活塞杆随之外伸。反之 ，输入反向脉冲信号 ，步 进 电机反转 ，活塞反 向 内缩 。 1 一活塞杆 卜 滚珠丝杠3 一螺秆螺母副4 一阀芯s 一步进电机 图 1 数字液压缸结构简图 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 3 - 1 3 作者简介张乔斌 1 9 7 2 一 ，男，副教授，主要研究方向为液压系统控制及仿真。E - ma i l 1 3 3 9 7 1 9 1 9 7 2 1 6 3 ． c o m。 1 5 8 机床与液压 第 4 3卷 2 A M E S i m仿真模型 数字液压缸 A ME S i m模型如图 2 所示 ，由液压站 图 2中① 、非对称缸 图 2中② 、四通滑阀 图 2中③ 、螺旋传动机构 图 2中④ 四部分组成， 模型考虑了油液的可压缩性 、滑阀死区、螺纹间隙、 摩擦、泄漏等非线性因素。螺旋传动机构 即螺杆 螺母副和滚珠丝杠组成的机械反馈机构是建模 的 难点，由于螺杆螺母副与阀芯直接相互作用，其螺 纹间隙及摩擦不能忽略，需要 自建模型 图 2中④ 下方超级元件考虑间隙及摩擦的影响。滚珠 丝杠 的螺纹 间隙小 ，加 之 中 间经过 减速 齿 轮 的减 速 ，对 阀芯运动的影响甚微 ，可使用软件 自带的螺杆螺母 副模块 图 2中④上方元件来简单的表示 。 图 2 数字液压缸 A M E S i m模型 仿真中设定数字液压缸为中位启动，同时规定 负载随活塞位移线性变化，最大位移处 负载为 1 6 4 k N，模 型主要参数 如表 1 所示 。 表 1 系统主要参数 3 仿真分析 3 ． 1 输入信 号 幅值 对跟踪误 差 的影 响 仿真 中设定步进 电机角位移输入信号为频率 1 ／ 4 0 H z ，幅值分别为 4 8 0 。 曲线 1 、5 4 0 。 曲线 2 、 6 0 0 。 曲线 3 的三角波。各输入信号对应的液压缸 理论位移 可通过下式计算得到 0 ⋯0 0 S ti S 1 0 x 0． 0 5 一 3 6 0 一2 4 0 0 式中．s ． 为理论位移 m ； i 为减速 比，i 1 0 ； s为滚珠丝杆螺距 m ，取 S 1 5 m m； 0为步进 电机角位移 。 。 不同幅值的输入信号对应的液压缸理论位移曲 线为频率 1 ／ 4 0 H z ，幅值 分别 为 0 ． 2 r n 、0 ． 2 2 5 n l 、 0 ． 2 5 m的三角波，仿真得到的液压缸实际位移曲线 分别对应图 3中曲线 1 、2 、3 ，为与输入信号同频率 的三角波 ，正向最大位 移分别 为 0 ． 1 7 7 m、0 ． 1 9 9 m、 0 ． 2 2 0 m，反向最大位移为 0 ． 1 7 2 m、0 ． 1 9 2 m、0 ． 2 1 0 I n ，可见数字液压缸正反向运动特性存在差异，且随 着输入信号幅值的增加 ，液压缸位移也随之增加 ，但 并非绝对成 比例增加，造成上述情况是 由于非对称 缸 、阀芯死 区、负载、间隙 、泄漏等非线性因素引 起的 。 O 0 O 暴 。o 固 一0 蜒 。 o ．O ．0 ，O 图 3 活塞位移一 时间曲线 仿真所得的液压缸 跟踪 误差 曲线 如图 4所示 。 l ， 1 0 2U J 4 “ 5U 6 U 7 0 U 90 时 间 图 4 活塞跟踪误差 一 时间曲线 系统 的正 向跟踪误差分别为 2 8 ． 4 m m、3 2 ． 4 m m、 3 7 ． 1 m m，反向跟踪误差分别为 3 4 ． 6 m m、4 0 ． 5 m m、 4 7 ． 8 m m，最终的稳态误差都为 1 m lT l 。输入信号幅值 第 7期 张乔斌 等数字液压缸跟踪误差特性仿真分析 1 5 9 增加会导致系统跟踪误差增大 ，对稳态误差影响不 大。从单个液压缸运动过程来看 ，跟踪误差随着液 压缸位移 的增加 而 逐 渐增 大 ，这 主要 是 由于负 载 的 增加 引起 的 ；且 系统 的反 向跟踪 误差 大 于 正 向跟 踪 误差 ，这是由于缸的非对称性引起的。 3 ． 2 输入信号频率对跟踪误差的影响 其他参数不变 ，设定步进电机角位移输入信号 幅值为 5 4 0 。 ，频 率分 别 为 1 ／ 3 0 H z 、1 ．／ 4 0 H z 、1 ／ 5 0 H z ，各频率下的理论位移曲线及仿真所得的活塞实 际位移 曲线 如 图 5所 示 ，图 中 粗 线 为 理 论 位 移 曲 线 ，细线为实际位移曲线。从图中可以看 出，随着 输 入信号 频率 的降低 ，液 压 缸所 能达 到 的最 大 位移 略有增 大 。 时 间／ s 图 5 活塞位移一 时间曲线 由于输入信号频率不一致 ，这里使用跟踪误差 与液压缸位移 的对应关系曲线进行观察 ，仿真曲线 如图 6所示 。 ． u． Z 5- 4 1 0U - 0． I 5- 4 1 ． 1 U U ． U 5 U u． I 1 u． 1 0 U． 1 U． 2U UZ5 活塞 位移， m 图 6 活塞跟踪误差一 位移曲线 由图可知 对应 1 ／ 3 0 H z 、1 ／ 4 0 H z 、1 ／ 5 0 H z 输 入信号的正向最大跟踪误差分别为 3 8 11 7 1_ 11 1 、3 2 ． 8 m i l l 、 2 9 m m；反 向最 大跟踪误差分别 为 4 6 m m、4 0 ． 5 m m、 3 6 ． 5 m m。可见输入信号频率越低 ，液压缸的跟踪误 差越小 ，结 合 幅值 对 跟踪 误差 的影 响 ，可 知 本质 上 两者都是 由于改变液压缸运行速度 ，从而对跟踪误 差产生 了影 响 ，速度越慢 ，跟踪效果越好 。对于单个 频率来讲反向跟踪误差大于正向跟踪误差 ，主要原 因是由于反向运动时有杆腔为工作腔，为了承受 同 样大的负载有杆腔内压力较高，则其与供油压力压 差减小 ，较小的压差导致流量下降，进而造成跟踪误 差增 大。 3 ． 3输入信号形式对跟踪误差的影响 为探究适 合数 字液 压 缸 的控制 方 式 ，这里 选取 三角波信号和正弦信号两种不同的输入信号形式进 行对 比研究 ，频率都 为 1 ／ 4 0 H z ，幅值 皆为 5 4 0 。 ， 则两种输入信号对应的理论位移曲线为频率 1 ／ 4 0 H z 和幅值 0 ． 2 2 5 m都相 同三角波曲线和正弦 曲线，其实际位移曲线分别对应如图 7中曲线 1和 2 。由图可知三角波和正弦输入信号下 的活塞最大 位移分别为 0 ． 2 0 5 m和 0 ． 2 2 m，正弦信号在最大位 移处的误差极小 ，另外两位移 曲线都 出现 了 “ 削 顶”现象且正弦信号的更为明显 ，“ 削顶”现象的 出现 主要是 由于滑 阀死 区造 成 的 ，由于正 弦信 号 在 最大位移处的速率低 ，所以 “ 削顶”现象表现得更 加明 显。 基 目 鑫 椭 蝣 一 一 一 - U l U ZU jU 40 50 6U 70 8 0 90 时 间／ S 图 7 活塞位移一 时间曲线 图 8 和图 9分别为液压缸的跟踪误差及速度 曲 线，对 比图 8中两种信号下的跟踪误差可知正弦 信号对于液压缸起始及最大位移处的跟踪误差改善 效果明显 ，但是中间过程误差较大，由图 9可知这 是由于正弦信号下中间过程活塞运动速度较大引起 的 。三角波信 号下虽 然速 度始 终 较 为恒 定 ，但 由于 负载 的作用致 使最 大位 移处 的误差 较 大 ，其 值 与正 弦信号下的最大跟踪误差相当，输入信号的形式对 静态误 差影 响不 大 ，两 者 的最 终 静 态误 差 都 为 1 mm 置 目 藕 岱 蹬 0 1 0 2 0 3 0 4 0 ． Q 6 O 7 O 8 0 9 0 时 间， | 图 8 液压缸跟踪误差一 时间曲线 瑚瑚啪Ⅲ 0娜 瑚枷瑚 目 日、 椭蜉 1 6 0 机床与液压 第 4 3卷 e 目 瑙 确 蜒 。 如 。如 40时 ， 。6 u ’ 。 ＆ 0 9 U 图9 活塞速度一 时间曲线 根据上述 分析 ，液 压缸 的跟踪误 差 不 仅 和运 动 速度有关 ，而且和负载的大小也有关系 ，具体关系 为速度越大跟踪误差越大，负载越大跟踪误差越 大。针对不同的负载应采用不同的控制策略，基本 原则是大负载低速运行 ，小负载高速运行 ，而且必 须进行合理的匹配，这样才能将跟踪误差控制在较 小 的范围 内。 4结 论 通过研究数字液压缸输入信号幅值、频率、信 号形式对系统跟踪误差的影响 ，得 出如下结 论 1 当步进 电机输入信号幅值增加时，数字液 压缸位移随之增加 ，但 由于各种非线性 因素的存在 位移并非随幅值绝对成比例增加。 2 数字液压缸的正反向运动特性不同，当工 作腔为有杆腔时 ，活塞位置 的跟踪误差 比无杆腔为工 作腔时 的要大 ，且负载越大跟踪误差越大。 3 步进电机角位移输入信号幅值、频率降低， 液压缸运行速度下降，系统跟踪误差减小，液压缸所 能达到的最大位移增大。 4 由于滑 阀死 区的存在 ，数字 液压 缸在 换 向 过程中，位移曲线会 出现 “ 削顶”现象 ，且运行速 度越慢 ，“ 削顶 ”现象越显著 。 参考文献 [ 1 ]李 良福． 国外动力液压缸的发展状况[ J ] ． 机械工程师 ， 2 0 0 2 9 9 1 1 ． [ 2 ]邱法维 ， 沙锋强， 王刚， 等． 数字液压缸技术开发与应用 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 7 6 0 6 2 ． [ 3 ]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 ． [ 4 ]魏祥雨． 闭环控制数字液压缸研究[ D] ． 重庆 重庆大 学 ， 2 0 0 5 ． [ 5 ]张向英． 内循环数字液压系统的研究[ D] ． 绵 阳 西南科 技大学 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ]章海， 陈胜 ， 贾宝书， 等． 小行程数字液压伺服缸的特性 分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 6 4 4 4 6 ． [ 7 ]宋飞， 邢继峰， 黄浩斌． 基于 A ME S i m的数字伺服步进液 压 缸 建 模 与 仿 真 [ J ] ． 机 床 与 液 压 ，2 0 l 2 ， 4 0 1 5 1 3 3 1 3 6 ． [ 8 ]肖志权， 彭利坤 ， 邢继峰 ， 等． 数字伺服步进液压缸的建 模分析[ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 7 ， 1 8 1 6 1 9 3 5 1 9 3 8 ． 上接第 9 5页 试验 3模拟的是 由 2挡到 3挡 的换挡过程 ，如 图 1 2 所示 。 7 O O 6 O0 5 0 0 置 4 0 0 蘧 3 0 0脚 2 0 0 l0 0 O O l时 间， e 2 3 图 l 2 两个离合器变速接合试验曲线 在这一过程中，偶数挡离合器活塞位移逐渐减 小，使离合器接合压力逐渐减小，传递扭矩也逐渐 减小，活塞运动速度先慢后快 ，确保传递扭矩稳定 变化。在偶数挡离合器传递扭矩逐渐减小过程中的 某个恰当时机 ，奇数挡离合器活塞位移开始逐渐增 大，以较快速度通过空行程，进入滑摩阶段后 ，由于 该过程直 接影 响离 合 器接 合 的冲击 度 ，因而控 制 活 塞位移变化速度逐渐变慢，使传递扭矩稳定增加，且 不致出现较大冲击 ，满足换挡要求。 3结束语 对单个离合 器接合过程及两个离合器 的配合 进 行 了理 论分 析 ，建 立 了 E A S Y 5模 型 ，对 离 合 器 接合过程进行 了仿真分析 ，并 对控制规律 的制 定 进行了探索 ，最后 通过台架试 验验证 了仿真 的准 确性 ，为下一步换 挡策略及 控制算法深入研究 奠 定 了基础 。 参考文献 [ 1 ]吴光强， 杨伟斌， 秦大同． 双离合 自动变速器控制系统的 关键技术[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 7 ， 4 3 2 1 3 2 0 ． [ 2 ]牛铭奎， 高炳钊 ， 葛安林 ， 等． 双离合器式 自动变速器系 统[ J ] ． 汽车技术， 2 0 0 4 ， 3 5 6 1 - 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