基于高速开关阀控制的液压制动伺服系统研制

　　高速开关阀早期主要应用在一些要求快速换向的液压系统.其后,由于其简单开关控制的数字化特征使其在计算机控制的液压系统中受到重视.高速开关阀与脉冲宽度调节(PWM)控制相结合后,人们发现只需控制一定频率的脉冲宽度,高速开关阀就能像其它的数字流量阀一样,对流量或压力进行连续的控制.由于结构简单,价格低廉(只有比例阀的十分之一,伺服阀的几十分之一),能方便地通过接口与计算机连接,抗污染能力强,使用维护容易,工作可靠,对电子控制回路要求低等诸多优点而使高速开关阀成为一种有前途的数字阀[1].

　　dSPACE实时控制系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及测试的工作平台,实现了和MATLAB/Simulink的完全无缝连接.dSPACE实时系统具有高速计算能力的硬件系统,包括处理器、I/O等,还拥有方便易用的实现代码生成/下载和试验/调试的软件环境[2].

　　1 液压制动系统构成

　　液压制动系统构成与工作原理如图1所示.电机带动齿轮泵转动,经过网式滤油器过滤后,将油箱中的油液吸入泵内,被齿轮泵增压的油液经高速开关阀进入液压缸;当液压缸中需要泄压时,油经高速开关阀溢出,通过冷却器冷却和网式滤油器过滤后返回油箱.可调压的螺纹插装溢流阀,用于调节系统的压力.当工作压力达到溢流阀的设定压力时,油从溢流阀返回油箱使系统压力保持在设定的压力值,同时,电机不再工作;当压力下降时,蓄能器释放压力能,当压力下降到一定的值,电机再次工作.

　　系统采用2个二位二通常闭高速开关阀分别控制液压缸中的进油流量和出油流量,来控制液压缸中的压力.当高速开关阀V1通电、V2断电时,输入液压缸的流量大于溢出制动缸的流量,制动缸的压力升高.液压源的液压力克服液压执行器的弹簧力,使摩擦块右移而与制动盘接触;V1与V2均断电时,液压缸保持原有压力不变;当高速开关阀V2通电,V1断电时,输入液压缸的流量小于溢出制动缸的流量,在液压执行器回位弹簧力的作用下,使推杆和摩擦片左移.液压缸中的实际压力大小,用安装在液压管路上的压力传感器测量.通过对V1和V2高速开关阀各自占空比的控制,实现对制动压力的控制.

　　2 高速开关阀液压制动系统响应特性

　　采用高速开关阀控制的液压制动系统,液压缸压力的变化率与控制器两端压力差之间有下列关系:

　　式(1)、式(2)中pw为液压缸压力,Bs为油液体积弹性模量,Vs为制动液压缸容积,Cd为阀口流量系数,Ap为阀的最大开口面积,D为脉宽调制信号占空比,为阀口压力差,为油液密度.高速开关阀控制系统的压力变化率与容腔压力、容腔容积、油液弹性模量、阀的流量及占空比等因素有关,而系统一旦确定后,容腔容积、油液弹性模量、阀的额定流量等影响因素便均确定,只需改变控制高速开关阀的占空比,便可使液压缸的压力按高速开关阀占空比大小而变化.