馬聞宇 王鳳琴 趙 林 劉子英 郭 薇 張喜榜

液壓伺服系統(tǒng)可使系統(tǒng)的輸出量（如位移、速度和力等）自動、快速、準確地跟隨輸入量的變化而變化，同時，大幅度放大輸出功率。液壓伺服系統(tǒng)以其響應速度快、控制功率大和負載剛度大等獨特的優(yōu)點在工業(yè)控制中得到了廣泛應用[1-2]。液壓伺服系統(tǒng)通過使用電液伺服閥，可將小功率的電信號轉(zhuǎn)換為大功率的液壓動力，從而實現(xiàn)了一些重型機械設備的伺服控制。液壓傳動中具有隨動作用的液壓自動控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，大功率的液壓元件（包括液壓伺服閥和液壓執(zhí)行元件）跟隨小功率的指令信號元件動作[2-3]。執(zhí)行元件所控制的通常是位置和速度等機械量。指令信號元件又稱參考信號元件，它發(fā)出代表位置、速度或其他量的指令信號。大功率與小功率之比可以達幾百萬倍以上。液壓伺服系統(tǒng)是反饋控制系統(tǒng)，反饋回來代表實際狀態(tài)的信號與指令信號比較，得到誤差信號，若誤差不為零，則進行調(diào)節(jié)。液壓伺服系統(tǒng)通常應包括實際狀態(tài)的測量反饋元件、小功率指令信號的傳遞元件和大功率液壓執(zhí)行元件、期望狀態(tài)和反饋狀態(tài)的比較元件以及差值信號的放大元件。液壓伺服系統(tǒng)分為機械液壓伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)和氣液伺服系統(tǒng)[3-4]。它們的指令信號分別為機械信號、電信號和氣壓信號。電液伺服系統(tǒng)因電氣控制靈活而得到廣泛的應用；氣液伺服系統(tǒng)用于防爆的環(huán)境或容易獲得氣壓信號的場合；液壓伺服系統(tǒng)應具有工作穩(wěn)定、對指令信號反應快、穩(wěn)態(tài)誤差小以及對干擾不敏感等必要的性能。液壓伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)中應用最廣泛的一種[5-6]。在精密加工的定位系統(tǒng)中，液壓伺服系統(tǒng)能保證小于0.1μm的加工誤差。世界上許多巨大天文望遠鏡的動作都是用星光作為伺服系統(tǒng)的指令信號，通過液壓伺服系統(tǒng)和執(zhí)行元件進行跟蹤的。本文主要將某電機伺服系統(tǒng)改成液壓伺服系統(tǒng)，介紹了設計過程和部分元器件的選型。

1.設計要求

我國最近幾年在電機伺服系統(tǒng)取得了突飛猛進的成果，但同時也遇到了許多的難題，如某動力系統(tǒng)采用西門子交流伺服電機驅(qū)動，該系統(tǒng)在實際使用中就暴露了電磁方面的嚴重問題，該系統(tǒng)在運行過程中對總靜壓信號和天平信號造成了比較強的電磁干擾，導致附近流場精確控制極其困難，測量信號的可靠性顯著降低。為此，本文的研究方向就是將現(xiàn)有的交流電機驅(qū)動裝置改造為液壓伺服裝置（見圖1）。

圖1 交流電機驅(qū)動裝置

交流電機的工作參數(shù)如下：

型號：1FT6105-88C71-1AHO-Z；

功率：16kW；

額定轉(zhuǎn)速：1500 r/min；

最大輸出轉(zhuǎn)矩：65 N·m；

額定轉(zhuǎn)矩：55 N·m；

負載轉(zhuǎn)動慣量：0.01 kg·m2。

2.回路設計

圖2 液壓伺服系統(tǒng)回路

由圖2可見，液壓伺服系統(tǒng)回路是一個定量泵-變量馬達式容積調(diào)速回路，主要由液壓泵、溢流閥、節(jié)流閥、電液伺服閥和液壓馬達等輔助設備組成。系統(tǒng)正常工作時，溫度計1可以顯示油箱內(nèi)液壓油的溫度。粗過濾器2可以將輸入液壓泵的液壓油進行初步過濾，從而有效保護液壓泵?？諝膺^濾器3可以保證油箱與大氣相通，從而保證油箱內(nèi)的壓力與大氣壓保持恒定，同時可以防止空氣中的雜質(zhì)進入。液位計4用于顯示油箱內(nèi)液壓油的位置，進而確定油量是否充足。液壓泵5主要為系統(tǒng)提供動力，將油箱里的液壓油輸入到系統(tǒng)中。精過濾器6對液壓油進一步進行過濾，從而使液壓油內(nèi)的雜質(zhì)得到有效地濾除，避免油內(nèi)的雜質(zhì)對系統(tǒng)的元器件的損害。溢流閥7起保護作用，保證系統(tǒng)的最高壓力不至于過高，當液壓泵的輸出壓力過高時，液壓油可以通過溢流閥流回油箱。液壓指示器8可及時顯示液壓泵的輸出壓力，對系統(tǒng)的油壓進行有效地監(jiān)測。冷卻器9可以對回到油箱的液壓油進行冷卻保證油溫不至于過高。電液伺服閥10通過改變液壓油的流動形式使液壓馬達處于不同的工作狀態(tài)。流量計11可有效監(jiān)測進入液壓馬達的油量。2個液控單向閥12，13構(gòu)成了一個鎖緊裝置，當電液伺服閥處于中位時，液壓油則通過伺服閥直接回到油箱。這時，液控單向閥12，13不允許液壓油逆向通過，使得液壓馬達保持靜止，并且達到很高的精度。液壓馬達14是主要的執(zhí)行元件，直接為動力裝置提供動力。液壓指示器15對液壓馬達的輸入壓力進行有效監(jiān)測。

當系統(tǒng)工作時，液壓油經(jīng)過粗過濾器2、液壓泵5、精過濾器6、電液伺服閥10的左側(cè)、流量計11和液控單向閥12到達液壓馬達14，然后通過液控單向閥13電液伺服閥10的左側(cè)和冷卻器9回到油箱。當不需要液壓馬達14工作時，可以選擇電液伺服閥10的中位，從而使液壓油直接回到油箱。此系統(tǒng)具有體積小、重量輕、慣性小、可靠性好、輸出功率大、快速性好、剛度大(輸出位移受外負載影響小)、定位準確以及自動化程度高等優(yōu)點。同時，伺服元件的加工精度高，價格昂貴，特別是液壓伺服系統(tǒng)對油液的污染比較敏感。因此，可靠性受到影響；在小功率系統(tǒng)中，液壓伺服系統(tǒng)不如電氣控制靈活，且存在加工難度高、抗污染能力差、不易維護和成本較高等缺點。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，液壓伺服系統(tǒng)的缺點將被不斷克服。

3.液壓元件的選型

3.1 馬達的選型

馬達的主要類型有齒輪馬達、葉片馬達、擺線馬達、軸向柱塞馬達、徑向柱塞馬達和內(nèi)曲線柱塞馬達等。本次設計選擇了齒輪馬達，其應用范圍包括鉆床和通風設備等，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易和噪聲限制不嚴等特點。具體的型號則根據(jù)原電機裝置的相關參數(shù)進行選擇，要使其工作能力高于或至少等于原電機裝置。

3.2 液壓泵的選型

液壓泵的主要類型有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵等。本次設計選擇了齒輪泵，其應用范圍包括機床、通風設備、工程機械、航空和船舶等，具有體積較小、結(jié)構(gòu)簡單、對油的清潔度要求不高和價格較便宜等特點。液壓泵的具體型號根據(jù)泵的最高供油壓力和泵的最大供油量來選定的。

3.3 閥類元件的選型

各種閥類元件的規(guī)格型號按液壓系統(tǒng)原理圖和系統(tǒng)工況圖中提供的情況從產(chǎn)品樣本中選取。各種閥的額定壓力和額定流量一般應該與其工作壓力和最大通過流量相近，必要時可允許其最大通過流量超過額定流量20%。注意溢流閥應該使其能夠通過液壓泵的全部流量。

3.4 輔助元件的選型

輔助元件的選型主要是過濾器的選型、冷卻器的選型和其他輔助元件的選型（見表1）。

4.仿真模型的建立與應用

該液壓伺服系統(tǒng)的參數(shù)如下：

開環(huán)增益：10451/s；

伺服閥的固有頻率：1700 rad/s；

伺服閥的阻尼比：0.7；

液壓馬達-負載的固有頻率：348 rad/s；

液壓馬達-負載的阻尼比：0.7。

表1 各液壓元件的型號

根據(jù)系統(tǒng)方框圖在matlab中建立仿真模型（見圖3）。

所建立的液壓伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：Y(s)為該函數(shù)輸出量；U(s)為函數(shù)輸入量；s為函數(shù)變量。

系統(tǒng)穩(wěn)定性是系統(tǒng)正常工作的必要條件，所以對系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析非常必要。由于系統(tǒng)參數(shù)在工作過程中會經(jīng)常發(fā)生變化，所以用系統(tǒng)開環(huán)伯德圖進行系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析非常方便（見圖4）。

由圖4可見，系統(tǒng)的幅值裕量為 -9.07dB，對應的相位穿越頻率為303rad/s，相位裕量為-42°，因此系統(tǒng)無論從幅值裕量還是從相位裕量來說都是不穩(wěn)定的，需要對其進行校正。

為增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，通常需要進行系統(tǒng)校正，所謂校正就是給系統(tǒng)增加一些具有某種典型環(huán)節(jié)特性的網(wǎng)絡、運算部件、測量裝置或者適當調(diào)節(jié)調(diào)整參數(shù)等。通過適當?shù)男Ｕh(huán)節(jié)可以有效改善整個系統(tǒng)的控制性能。針對液壓伺服系統(tǒng)，穩(wěn)定系統(tǒng)的幅值裕量最好應大于1，相位裕量最好應大于30°。

首先，可以采用超前校正，即在前向通路的直流部分串聯(lián)一個超前校正網(wǎng)絡。網(wǎng)絡在正弦信號作用下的穩(wěn)態(tài)輸出電壓，在相位上超前于輸入，所以成為超前網(wǎng)絡。超前校正環(huán)節(jié)可以使系統(tǒng)的相位超前（見圖5）。

通過計算，對超前校正網(wǎng)絡設置參數(shù)為：

R1C=T=1/60

α=1/10

各式中：T為周期系數(shù)；α為校正網(wǎng)絡參數(shù)。

超前校正網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)G(s)為：

G(s)=(αTs+α)/αTs+1

圖3 建立的液壓伺服系統(tǒng)方框圖

圖4 建立的液壓伺服系統(tǒng)開環(huán)伯德圖

圖5 超前校正網(wǎng)絡

式中：s為變量。

用matlab分析，可得到增加超前校正網(wǎng)絡后的液壓伺服系統(tǒng)開環(huán)伯德圖（見圖6）。

由圖6可見，增加超前校正網(wǎng)絡后，液壓伺服系統(tǒng)的幅值裕量變?yōu)?.36，相位裕量變?yōu)?9°，滿足穩(wěn)定性要求，故本系統(tǒng)用超前校正可以達到要求。

從簡便易操作的角度考慮，可將開環(huán)增益減小為原來的1/10，用matlab分析得到新的液壓伺服系統(tǒng)伯德圖（見圖7）。

由圖7可見，減小開環(huán)增益后，液壓伺服系統(tǒng)的幅值裕量變?yōu)?4.39，相位裕量變?yōu)?2°，滿足穩(wěn)定性要求。同時，適當?shù)靥岣唏R達排量可以得到新的系統(tǒng)伯德圖（見圖8）。

由圖8可見，提高馬達排量和降低增益后，液壓伺服系統(tǒng)的幅值裕量變?yōu)?.6，相位裕量變?yōu)?5°，滿足穩(wěn)定性要求。

綜上所述，通過增加超前校正網(wǎng)絡、減小開環(huán)增益和增加馬達排量等均可使液壓伺服系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求。

5.結(jié)語

本文主要介紹了此次液壓伺服系統(tǒng)設計的具體要求以及原系統(tǒng)的相關參數(shù)等，并根據(jù)相關要求設計了1 套滿足要求的液壓伺服系統(tǒng)回路。同時對回路的整體功能、各液壓元件的功能和選型等，相關細節(jié)進行了介紹。通過建立液壓伺服控制系統(tǒng)仿真模型，確定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并進一步確定了增加超前校正網(wǎng)絡和改善相關參數(shù)等，可進一步增進系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過設計合理的液壓伺服系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對電機伺服系統(tǒng)的替代。

圖6 增加超前校正網(wǎng)絡后的液壓伺服系統(tǒng)開環(huán)伯德圖

圖7 減小開環(huán)增益后的液壓伺服系統(tǒng)開環(huán)伯德圖

圖8 提高馬達排量后的液壓伺服系統(tǒng)開環(huán)伯德圖