一种新型数字液压缸的研究

　　随着计算机技术的日益发展,/模拟0技术正逐渐被/数字0技术所取代。液压领域也不例外,传统的液压控制主要是开关控制、比例控制和伺服控制。其中伺服控制一般采用闭环控制方式,计算机需要使用A/D采集信号和通过D/A输出信号。目前国内外液压领域的数字化研究主要是直接数字控制阀的研究。这种直接控制主要分为两类:一类是采用PWM技术的高速开关阀或比例阀的控制技术;一类是通过步进电机直接驱动液压阀阀芯的控制技术。这种直接控制技术的出现,不能不说是液压控制技术的一大进步,它解决了液压系统计算机控制的两大问题:一是控制脉冲直接作用于液压元件,不需要中间的D/A转换,实现了真正意义上的/数字0控制;二是解决了模拟信号在传输过程中的干扰问题,使控制系统更加稳定。

　　但是,这种直接控制阀,控制的是阀口的开度大小。而在实际的液压系统中,阀门往往还要控制液压缸等执行机构,最终控制的是液压缸的位置和速度。为此需要采集液压缸的位置和速度信号,通过一定的控制算法后输出脉冲信号来控制阀的开度达到所需要的液缸位置和速度。这一闭环系统带来的系统复杂、滞后和非线性等问题,使直接控制技术带来的好处大打折扣。

　　本文介绍一种新型数字液压缸,这种数字缸将数字阀、反馈机构、缸体等作为一个整体进行集成。数字脉冲控制的是液压缸的位置、方向和速度,而不是数字阀的阀口,使控制系统大大简化,可靠性提高,从而实现了终点目标控制。

　　1 结构原理

　　数字液压缸是一种带机械反馈的液压伺服机构,其结构如图1所示,原理如图2所示。它由步进电机、四边滑阀、液压缸、反馈机构组成。步电机的输入转角Hv经阀芯端部的螺杆螺母副变成阀芯位移xv,使阀芯与阀套间形成开口,控制进出液压缸的液压油的流动方向和流量,液压缸按相应的方向运动,液压缸活塞行程xp通过齿条齿轮带动反馈螺母旋转,通过螺杆使阀芯移动复位。这样,液压缸的行程完全跟踪阀芯输入转角(步进电机转角)运动。但是液压缸的输出力要比转动阀芯所需要的驱动力大得多。所以这种数字缸有两个作用,一个作用是将步进电机的旋转运动变成了液压缸的往复运动;另一个作用是将输入力(矩)进行了充分的放大。液压缸的行程与步进电机的输入脉冲成正比,运动方向由步进电机的转动方向控制,而其运动速度与输入脉冲的频率成比例。因此可将非常复杂的液压伺服闭环控制问题变为简单的步进电机开环控制。

　　2 数字缸的数学模型

　　步进电机输入脉冲与输出转角的关系为: