广义脉码调制液压伺服控制理论及其应用

　　开关阀实现伺服控制需要经过调制控制,最常用的调制方式是脉宽调制(PWM)和脉码调制(PCM), PWM控制要求阀具有很高的响应频率,且它的控制输出流量较小,限制了它的使用。脉码调制的特点是能将脉冲调制的周期大大缩短,使得系统对阀响应的频率要求降低,使采用普通开关阀实现液压伺服控制成为可能。

　　PCM控制对组成阀的响应频率要求比PWM控制的高速开关阀的频率低,使得采用普通开关阀实现液压伺服控制成为了可能。但PCM控制是一种有级控制, PCM调制控制的输出流量是有级差的。二进制脉码控制信号的位数与开关阀的个数相同,对应于阀的个数有2n级流量,会产生量化误差。系统的稳定性取决于系统的最小控制流量,当确定了最小节流流量Q0,阀的组成数目就决定了最大控制流量为2^n-1Q0。系统控制精度取决于阀的最小控制流量,这样当控制精度要求较高时,要求较小的最小控制流量,系统的综合过流面积就变小,控制的输出流量相应减小,系统的工作速度降低。在保持最小控制流量的前提下,如要求有大流量,则必须增加阀基元的个数。由于受计算机输出接口位数和系统成本的限制,基元的数量不宜太多,否则会使阀的结构复杂且体积变大,增加了制造成本。因此传统的按二进制编码的PCM流量控制,存在控制精度与流量调节范围、稳定性与响应速度之间矛盾。为使用普通开关阀实现伺服控制的目的,而又降低或解决PCM控制存在的矛盾,对脉冲编码规律进行了研究,提出了广义脉码调制(Generalization pulse code modulation, GPCM)液压伺服控制理论[1]。

　　广义脉码调制(GPCM)控制是一种利用开关阀实现液压伺服控制的方式,具有成本低、抗污染能力强的优点,适用于对控制精度要求不高而工作环境恶劣的液压伺服控制场合。

　　1 广义脉码调制控制理论

　　一个二位二通电磁换向阀与一个节流阀组成一个节流控制单元,将这样的单元作为GPCM控制阀的基元,就构成了GPCM控制的数字阀。GPCM控制数字阀通过控制一组不同流量的节流单元的启、闭组合,来实现阀的流量控制。

　　GPCM控制阀的各基元之间通过并联构成一个整体,第i个基元阀的流量为:

　　式中:Ai--第i个基元节流口面积;

　　Cq--节流口的流量系数;

--节流口前后压降;

--液压油密度。

　　采用GPCM控制时,通常将各基元通过集成阀块组合,可以极大地简化PCM阀的结构,使系统组成尽可能简单。在液压集成块中,通常连接油液的管路较短,液流在管路中引起的沿程阻力损失与通过阀的节流口的能量损失相比很小,分析时通常忽略,则作用于阀上的压降仅由节流作用产生,因此可以将压力油通过各基元节流口时的压降视为相同,这样就可以通过调节节流口面积的方法来设定各基元的流量。与电路中总电流等于各并联支路电流之和相类似,油路中总的油液流量等于各支路基元流量之和: