何 謙 劉 忠

（湖南師范大學(xué)機(jī)電技術(shù)裝備研究所，湖南長沙 410081）

高速開關(guān)閥直控式閉環(huán)液壓同步系統(tǒng)*

何 謙 劉 忠

（湖南師范大學(xué)機(jī)電技術(shù)裝備研究所，湖南長沙 410081）

針對液壓同步系統(tǒng)不同的流量要求，采用高速開關(guān)閥直接控制的方式，設(shè)計了兩組共三種閉環(huán)控制回路?？紤]到結(jié)構(gòu)的差異，分別采用脈寬調(diào)制（PWM）、脈碼調(diào)制（PCM）以及復(fù)合脈寬的控制方式，結(jié)構(gòu)簡單，便于集成，能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的同步控制。

高速開關(guān)閥 閉環(huán)同步控制 區(qū)分流量設(shè)計

大型設(shè)備因負(fù)載力很大或布局的關(guān)系，往往需設(shè)多個液壓執(zhí)行器同時驅(qū)動一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此對同步的要求非常普遍。受液壓系統(tǒng)所固有的諸如液體壓縮、泄漏、負(fù)載不均勻及摩擦阻力差異等因素的影響，基于同步閥、節(jié)流閥或調(diào)速閥等液壓元件的開環(huán)同步系統(tǒng)，由于缺乏反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)抵抗外界干擾的能力薄弱，不能用于有較高同步精度要求的場合。而傳統(tǒng)的基于伺服閥或比例閥的閉環(huán)同步控制系統(tǒng)，盡管具有較高的控制精度，但由于其組成元件價格高昂且對油路的清潔程度要求很高，使得系統(tǒng)運(yùn)行成本居高不下［1］。高速開關(guān)閥作為一種新型的電液控制閥，具有數(shù)字接口，不需D/A轉(zhuǎn)換即可用計算機(jī)直接控制，并且還有閥體結(jié)構(gòu)簡單、抗污染和抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn)［2］，因而將高速開關(guān)閥應(yīng)用于液壓伺服控制，已成為當(dāng)前流體傳動及控制技術(shù)領(lǐng)域的一個重要的研究方向。

同步控制的核心目標(biāo)是保持各執(zhí)行元件間運(yùn)動（位移、速度等）的一致性，可供選擇的閉環(huán)控制策略有“同等”及“主從”兩種方式?！巴取狈绞绞侵付鄠€執(zhí)行元件共同跟蹤預(yù)先設(shè)定的理想輸出的驅(qū)動形式；而“主從”方式是指多個需要同步的執(zhí)行元件以其中一個的輸出為理想輸出，其余執(zhí)行元件跟蹤這一選定的理想輸出而達(dá)到同步的驅(qū)動形式。兩種控制策略的側(cè)重不同。相比而言，“主從”方式更側(cè)重于執(zhí)行元件之間運(yùn)動的同步，而不強(qiáng)調(diào)對同步過程中運(yùn)動規(guī)律的把握和限制，因此同步的實(shí)施相對簡單，適合大多數(shù)有同步要求的場合。

1 適用于小流量的同步回路

一般來說，單個高速開關(guān)閥的通流能力有限（小于10 L/min），不能直接用于功率較大的場合。但對于負(fù)載不大的小型系統(tǒng)而言，卻恰恰能發(fā)揮其響應(yīng)快、精度高且成本低的優(yōu)勢，從而有效彌補(bǔ)伺服閥和比例閥的不足。

圖1所表示的是基于“主從”方式控制策略的高速開關(guān)閥液壓同步控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)的執(zhí)行器為單出式液壓缸，高速開關(guān)閥為常閉式的二位二通閥?？紤]到高速開關(guān)閥所能承受的壓力限制，油路采用出口節(jié)流的控制方式。圖中系統(tǒng)將工況設(shè)定為活塞桿伸出，即只對活塞桿右移有同步的要求；如果回程亦有同步要求，只需將無桿腔的油路參照有桿腔的布置鏡像即可。同時，為方便控制，系統(tǒng)采用了主從回路對稱的結(jié)構(gòu)形式，此舉不僅有利于同步精度的提高，而且可使從回路的數(shù)量不受限制，從而拓寬該方案的適用范圍。

該系統(tǒng)的工作原理為：根據(jù)系統(tǒng)對執(zhí)行器速度的要求，控制器首先對主從兩回路的高速開關(guān)閥輸出一個相同的調(diào)制率D0（又叫占空比），從而限制液壓缸出口流量，系統(tǒng)穩(wěn)定后，活塞桿以一定的速度伸出。如果主回路和從回路因負(fù)載不一致等因素造成系統(tǒng)不能同步，布置在兩活塞桿上的位移傳感器3、4所傳出的電信號經(jīng)比較后送入回路的控制器，控制器據(jù)此調(diào)整高速開關(guān)閥2的調(diào)制率，加大或縮小從回路的通流量，以實(shí)現(xiàn)兩回路同步。

2 針對有大流量要求的改進(jìn)回路

對于有大流量要求的同步回路，如果單個高速開關(guān)閥的通流能力不能滿足要求，則可采用幾個高速開關(guān)閥并聯(lián)的方法予以解決?？晒﹨⒖嫉姆桨溉缦?。

（1）脈碼調(diào)制方式（PCM）

脈碼調(diào)制方式（PCM）是指把控制信號以二進(jìn)制的形式輸出，去控制一組開關(guān)閥［3］，如圖2所示。圖中只畫出了高速開關(guān)閥的組合部分，其它外圍結(jié)構(gòu)同圖1。為了實(shí)現(xiàn)輸出流量成比例變化，將每個高速開關(guān)閥的調(diào)制率D設(shè)置成一個固定的等差或等比數(shù)列，如D1∶D2∶D3∶D4=1∶2∶3∶4，綜合節(jié)流口的面積即為各開關(guān)閥節(jié)流口的面積之和。通過設(shè)定基準(zhǔn)開關(guān)閥的調(diào)制率，并用二進(jìn)制信號控制各開關(guān)閥的啟閉，便可實(shí)現(xiàn)對油路流量的比例調(diào)節(jié)。即，需大流量時，多個閥同時工作；系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，只需要小流量來補(bǔ)償泄漏的影響時，則可開啟其中的小流量閥以滿足要求。

脈碼調(diào)制能有效提高回路流量的調(diào)節(jié)范圍，但這種方式需要至少4個高速開關(guān)閥進(jìn)行組合，而要想獲得理想的成比例變化的流量，必須要同時調(diào)節(jié)基準(zhǔn)開關(guān)閥的調(diào)制率和用以控制各開關(guān)閥通斷的二進(jìn)制編碼，使得系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本都增加不少。

（2）復(fù)合脈寬調(diào)制

復(fù)合脈寬調(diào)制控制系統(tǒng)原理如圖3所示。圖中只畫出了高速開關(guān)閥的組合部分，其它外圍結(jié)構(gòu)同圖1。該系統(tǒng)采用兩個脈寬調(diào)制的高速開關(guān)閥，其中閥1為小流量閥，閥2為大流量閥。在需要大流量時，閥1和閥2都打開（或只打開閥2）；在需要小流量時，則只打開閥 1 或只打開閥 2［4］。

復(fù)合脈寬調(diào)制不僅能實(shí)現(xiàn)對較大流量的調(diào)節(jié)控制，而且系統(tǒng)的成本也較脈碼調(diào)制的方式為低。這種方式的缺點(diǎn)就是控制方式比較復(fù)雜。因為高速開關(guān)閥存在死區(qū)和飽和區(qū)，工作時應(yīng)盡量避免。但是如果所需的流量處于大流量閥飽和區(qū)之上，又處于大流量閥的飽和流量加小流量閥的死區(qū)流量之下，這種情況下要想實(shí)現(xiàn)線性調(diào)節(jié)，則必須試湊兩閥的調(diào)制率，才能保證兩閥都工作在線性調(diào)節(jié)區(qū)以滿足控制要求。

3 結(jié)語

上述幾種基于高速開關(guān)閥直接控制的閉環(huán)同步系統(tǒng)，小流量的方案的組成結(jié)構(gòu)簡單，控制方案也簡單易行，可以實(shí)現(xiàn)很高的控制精度。并且系統(tǒng)可以非常方便地擴(kuò)展到多缸同步，因此盡管單缸的通流量有限，如果多缸組合，仍然可以承受較大的載荷。多閥組合的大流量回路，可以有效解決高速開關(guān)閥的通流能力問題，配以恰當(dāng)?shù)目刂撇呗?，系統(tǒng)的快速穩(wěn)定性及精度都能得到保證。

［1］許梁，楊前明.電液元件數(shù)字化技術(shù)進(jìn)展［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2007（2）：65 －67.

［2］劉少軍，郭淑娟.高速開關(guān)電磁閥及PWM控制技術(shù)［M］.長沙：湖南省科協(xié)第二屆青學(xué)術(shù)年會論文集，1995（11）：217－221.

［3］王占林.近代電氣液壓伺服控制［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［4］張志義，孫蓓，黃元峰.高速開關(guān)閥位置控制方法［J］.機(jī)床與液壓，2005（5）：126 －128.

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Hydraulic Closed-loop Synchronous System Which is Directly Controlled by High-speed On-off Valve

HE Qian，LIU Zhong
（Institute of Mechanical&Electrical Technology，Hunan Normal University，Changsha 410081，CHN）

Aiming at the different current capacity requirements of hydraulic synchronous system，using direct control mode by high－speed on－off valve，two groups and altogether three kinds of closed－loop control hydraulic route have been designed.Considering the difference of their structure，Pulse Width Modulation（PWM），Pulse Code Modulation（PCM）and Compound Pulse Width Modulation have been chosen separately as their control mode.Each of them has simple structure and easy to integrate，and the high－precision synchronous control can be achieved at the same time.

High－speed On－off Valve；Closed－loop Synchronous Control；Current Differentiated Design

TH137.7 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

*2008年湖南省高等學(xué)?？蒲匈Y助重點(diǎn)項目：大功率機(jī)械臂電液驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計、建模與控制（08A047）

何謙，男，1971年生，碩士，講師，主要研究方向：機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計及仿真分析。

（編輯 蔡云生） （

2010－02－03）

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