无缝厂伺服系统的控制特性分析

　　0引言

　　2007 年，包钢无缝厂将原有液压缸控制系统升级为HGC(液压缸辊缝控制) 伺服系统。该系统是通过伺服阀控制五机架连轧机的轧辊液压缸位置来控制轧机的辊缝和压力，进而在线控制钢管的壁厚。无缝厂伺服系统属于位置随动系统，是控制系统的一种。在这种系统中，输出量(机械位移) 能够快速而准确地反映输入量(位置给定) 的变化规律，因此，它是带有负反馈的闭环控制系统。因为传递的力矩和功率很大，具有信号的功率放大作用，所以它也是一个功率放大装置。

　　该轧机所用的美国MOOG 公司的D791 伺服阀本身又是自带闭环控制的控制阀。HGC 系统把从位置传感器测得的电气信号实际值与液压缸位置的设定值进行比较，其偏差值作为液压缸位置调节量输出到位置调节器，达到准确控制液压缸位置的目的。由于HGC 系统的动力源为液压拖动装置(液压泵) ，因此，HGC 本质上是一个阀控电液伺服系统。伺服阀是该系统的核心控制元件，而实现闭环控制的计算机系统则是HGC 的主要控制机构。升级后的HGC 具有响应速度快，硬件通用性强，软件功能强大，维护效率高等特点。因此，了解伺服阀及其控制系统的特性才能更好地使用并且维护该伺服系统。

　　1 D791 伺服阀在HGC 系统中的使用

　　1.1 D791 伺服阀的工作原理

　　伺服阀是伺服系统中最重要，最基本的组成部分。伺服阀的阀芯性能、额定流量、频率特性等参数是选用的重要标准。HGC 系统中使用了电反馈式、带喷嘴挡板系统的D791 伺服阀。其主阀芯的换向不是靠电磁铁来推动，而是靠前置级先导阀输出的液压力来推动，它的前置先导阀是动态特性比较好的喷嘴挡板阀。当不进行辊缝设定时，主阀芯应在中间位置，当设定辊缝时，电气信号(±10 mA 之间的给定值) 施加到伺服阀内的集成控制放大器上，由放大器驱动前置先导阀动作，喷嘴挡板偏离中间位置，造成主滑阀两端的压力发生变化，驱动主滑阀运动，伺服阀内的位移传感器检测到主阀芯的位置后，将此实际值由解调器整流后反馈给控制放大器并与指令值比较，控制放大器驱动力矩马达，直到指令电压与反馈电压相等。而主阀芯的位移实现了对流量的调节进而控制了液压缸的移动。根据液压系统的控制原理可知，力矩马达产生的电磁力矩为：

　　T=K×I

　　式中：T——电磁力矩，N·m;

　　K——力矩马达的力矩系数，N·m/A;

　　I——输入电流，A。

　　图1 HGC系统工作原理方框图

　　当阀芯处于动态平衡位置时， 其电磁力矩与挡板组件的阻尼力矩、阀芯两端不平衡压力所产生的力矩相平衡，如果忽略挡板组件的阻尼力矩，则马达电磁力矩与阀芯两端不平衡压力产生的力矩相平衡。由上面公式可知，力矩马达的电磁力矩和输入电流成正比，所以阀芯的位移与输入的电流成正比，也就是通过滑阀的流量与输入电流成正比，并且电流的极性决定液流的方向，这样便满足了对电液伺服阀的功能要求。