数字闭环液压同步实验系统研究

　　1　引　言

　　同步系统是实现多个执行器以相同位移、相同力或相等速度运动的回路。大型设备因负载力很大或布局的关系,需设多个液压执行器同时驱动一个执行机构。例如液压机中的上液压缸,压桩机中的机身升降液压缸,装载机中动臂缸和铲斗缸,铲运机机中斗门液压缸和铲斗升降缸,推土机中铲刀升降缸和松土器升降缸,挖掘机中动臂缸,开斗缸和斗杆缸,摊铺机中熨平板升降缸和料斗液压缸等。本文主要讨论固定负载下的液压缸速度同步和位置同步实验系统。

　　2　数字闭环液压同步实验系统的组成及特点

　　同步运动包括力同步、速度同步和位置同步3类。力同步指输出给各执行器的力相同;速度同步指各执行器的运动速度相同;位置同步则需保证各执行器在运动中和停止时位置处处相等。整个系统由泵站、步进电机、数字伺服阀、油缸、光栅、C8051F120单片机、4×4键盘和20×2液晶屏及其他辅助元件组成。其系统硬件组成框图见图1。

　　2·1　基于步进电机的数字控制系统动力源

　　步进电机是一种离散运动的装置,它和现代数字控制技术有着密切的联系。因为具有可靠性高、成本低、易于实现计算机控制、控制质量高的优点被广泛用在国内的数字控制系统中。该系统采用85BYGH201步进电机作为控制系统的动力源,这样可以在不同的频率下产生不同的速度,实现转速可调且旋转角度可数字化控制及数字伺服阀的按脉冲计量供油的功能。其转矩特性如图2所示。从图中我们可以看出,步进电机在低频时其转矩较大,可以带动较大的负载,但随着频率的增加,特别是在频率高达1 000 Hz以上时,其转矩随频率增加下降趋势明显,在高频时转矩较差,系统动力小。

　　2·2　基于数字伺服阀的数字控制系统执行机构

　　本系统采用自行研究的排量为400 mL的数字伺服阀作为系统的执行机构,将其与步进电机直接连接或者是减速连接。系统油路组成如图3所示。其工作原理是将步进电机的转动转变为对液压缸的供油,电机正传, A口出油, B口回油,油缸前进;电机反转, B口出油, A口回油,油缸后退。数字伺服阀转轴每转一圈将对油缸排出400mL油,设数字伺服阀的排油量为V,输入到步进电机的脉冲数为N,步进电机步距角为θ,在不对步进电机进行细分的情况下则有如下关系式:

　　由于步进电机是可以数字化控制的,这样就实现了对液压油缸的按脉冲计量的数字化供油。该数字伺服阀具有以下的主要特点:

　　(1)控制方法简便,使用方便。采用数字脉冲信号直接控制住电机即可达到控制伺服系统的目的,因此还可以采用电子计算机对系统进行控制。