基于新型数字阀的闭环液压系统研究

　　1　前言

　　随着现代工业技术的发展,越来越多的各种金属加工设备、冶金机械及工程机械等对高精度液压同步驱动技术的需求也越来越迫切。其中,由于液压同步驱动具有简单、组成方便、易于控制和适用于大功率场合,因此在同步驱动技术中占据非常重要的位置。液压系统实现同步控制一般有开环和闭环两种基本形式。开环控制依靠液压元件本身的精度来控制,而不对执行元件的输出进行检测与反馈,因此,依靠开环控制来获得高精度非常困难。闭环控制由于采用反馈回路对执行机构的状态进行检测,能够及时反馈误差并进行调整,以消除系统在运行当中不利因素的影响,可获得高精度的同步驱动。

　　目前,液压闭环控制系统所采用的控制元件主要有机液伺服阀、电液伺服阀、电液比例阀和数字阀等。如钢铁生产中使用的连铸机采用了电液伺服阀控制马达同步闭环控制技术[1],我国研制的30000 kN和35000 kN两种汽车纵梁液压机均采用了比例同步闭环控制技术[2, 3]。其中,数字阀与其他几种控制阀相比最大的优点就是能适应计算机控制的需要,直接用数字量来实现控制,省去了一般计算机控制系统中所必备的D/A转换器,减少了系统的中间环节,有利于提高系统的稳定性和可靠性。

　　本文以新型数字阀为控制元件组成的单通道闭环系统为研究对象,建立了单通道系统的数学模型,为新型数字阀作为控制元件的同步液压系统的开发奠定了基础。

　　2　新型数字阀工作原理

　　由新型数字阀组成的液压系统如图1所示,图中虚线框部分为数字阀原理图,其结构主要由驱动部分2、阀门开关部分3和计量部分4三大部分组成。

　　数字阀的驱动由步进电机提供,步进电机每旋转一步方向阀动作一次输出一定体积的液压油,输出的液压油的体积由计量部分控制,保证步进电机每转动一步输出的液压油的体积一定。当数字阀工作时,由脉冲源发出驱动步进电机脉冲信号给环形分配器,环形分配器按照一定的相序将脉冲信号传送到驱动器,驱动器将接受到的脉冲信号进行功率放大,然后驱动步进电机旋转,再驱动阀工作。步进电机的角位移和角速度分别决定了液压缸活塞的位移和速度,因此,调节步进电机的角位移和角频率,就能在一定范围内控制液压缸活塞的运动状态。由此种数字阀组成的液压系统能方便地实现计算机控制,很好地实现了机电一体化。

　　3　建立系统数学模型

　　图2所示为采用数字阀所建立的单通道数字闭环系统。其工作过程由计算机向系统输入数字指令脉冲信号,通过数字阀控制液压执行元件运动,系统的输出再通过编码器检测并反馈到输入端。