關(guān)于電液運(yùn)動(dòng)控制器的闡述

運(yùn)動(dòng)控制是同時(shí)控制加速度、速度和位置以執(zhí)行有用的任務(wù)。這一表述中的關(guān)鍵概念是所有三個(gè)變量：加速度、速度和位置，都在控制之中。回顧一些基本的電液設(shè)計(jì)將有助于理解運(yùn)動(dòng)控制的概念。兩種傳統(tǒng)的液壓回路將用于說(shuō)明這一點(diǎn)：離散或所謂的 bang-bang 方向控制和開(kāi)環(huán)比例控制。

這兩個(gè)回路將引導(dǎo)我們找到最終的解決方案：電液位置伺服機(jī)構(gòu)。結(jié)果表明，當(dāng)電液伺服設(shè)計(jì)合理且控制系統(tǒng)適合該任務(wù)時(shí)，結(jié)果就是一個(gè)真正的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可滿(mǎn)足提高機(jī)器生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量的不同目標(biāo)，同時(shí)降低總體生產(chǎn)成本。

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)師應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期就意識(shí)到，為控制閥提供恒定壓力的動(dòng)力裝置適合運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。圖 1 顯示了恒壓源的 ISO 符號(hào)及其行為圖。圖 2 以示意圖形式顯示了現(xiàn)實(shí)世界的恒壓源。它通常由一個(gè)壓力補(bǔ)償泵組成，并配有大型蓄能器以適應(yīng)伺服或比例閥的突然流量需求，以及一個(gè)單向閥，以防止泵必須反轉(zhuǎn)以吸收任何可能被迫返回泵的流量。

圖 2 還顯示了傳統(tǒng)壓力補(bǔ)償泵的壓力-流量特性。在低壓下，它表現(xiàn)為定量排量泵，提供幾乎恒定的流量，忽略?xún)?nèi)部泄漏。當(dāng)壓力達(dá)到拐點(diǎn)值 PK 時(shí)，泵的壓力補(bǔ)償器開(kāi)始工作，排量會(huì)隨著壓力的升高而自動(dòng)減小。因此，在壓力高于 PK 時(shí)，壓力補(bǔ)償泵幾乎充當(dāng)恒壓源。使用閉中心閥使該泵空轉(zhuǎn)肯定是安全的，不會(huì)有過(guò)壓的危險(xiǎn)。

2. 實(shí)際的恒壓源由壓力補(bǔ)償泵、蓄能器和單向閥組成。這不是理想的恒壓源：壓力會(huì)根據(jù)組件的頻率響應(yīng)高于或低于平均壓力。

為了理解這些問(wèn)題，假設(shè)圖 3 中的限位開(kāi)關(guān) LS1 已關(guān)閉，左側(cè)電磁鐵通電，液壓缸以由供油壓力和閥門(mén)流量系數(shù)決定的速度將負(fù)載向右移動(dòng)。在某個(gè)時(shí)刻，負(fù)載接合限位開(kāi)關(guān)，這會(huì)導(dǎo)致方向閥居中并阻塞所有端口。負(fù)載將迅速減速，具體取決于其質(zhì)量、液壓缸尺寸以及控制閥的換向速度。在負(fù)載實(shí)際停止之前可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的沖擊和振動(dòng)，尤其是在負(fù)載質(zhì)量很大的情況下。

如果發(fā)生大沖擊，機(jī)器部件會(huì)承受高應(yīng)力水平，從而縮短其使用壽命。還會(huì)出現(xiàn)非常高的壓力峰值（或通常所說(shuō)的尖峰）。這些壓力峰值會(huì)使液壓部件（包括缸管和密封件）過(guò)度受力，導(dǎo)致過(guò)早泄漏和故障。外部振動(dòng)會(huì)使整個(gè)機(jī)器移動(dòng)，對(duì)管道施加機(jī)械應(yīng)力，從而導(dǎo)致配件故障。

在振蕩停止過(guò)程中，如果力、壓力

或速度傳感器的輸出可以顯示在示波記錄儀器上，通過(guò)記錄，則可以測(cè)量振動(dòng)的頻率。該頻率稱(chēng)為流體機(jī)械共振頻率 (HMRF)，可以使用多種方法中的任意一種來(lái)計(jì)算。

自毀的可能性可能是離散控制系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)。但是，停止點(diǎn)的可重復(fù)性差也可能是一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用限位開(kāi)關(guān)啟動(dòng)減速時(shí)，他們通常這樣做是因?yàn)閼?yīng)用程序需要將負(fù)載停止在某個(gè)可預(yù)測(cè)和受控的位置。不幸的是，在離散系統(tǒng)中，幾個(gè)隨機(jī)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致最終停止點(diǎn)發(fā)生相當(dāng)大的變化。實(shí)際停止時(shí)間是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)：

• 負(fù)載質(zhì)量的大小、

• 閥的換向時(shí)間、

• 閥芯重合位關(guān)閉的時(shí)間、

• 閥的泄漏、

• 液壓缸內(nèi)泄漏、

• 液壓缸和負(fù)載內(nèi)的摩擦、

• 流體粘度，

• 以及數(shù)字控制器（PLC）的掃描時(shí)間（如果使用）。

交流電磁閥產(chǎn)生的閥門(mén)換向時(shí)間受交流電源線 60 或 50 Hz 正弦波切換瞬間的影響。閥門(mén)換向時(shí)間的隨機(jī)變化至少為半個(gè)線路周期的時(shí)間（60 Hz 系統(tǒng)中為 8.3 毫秒，50Hz 系統(tǒng)中為 10 毫秒）。這增加了閥門(mén)換向時(shí)間的正常隨機(jī)變化。

負(fù)載和液壓缸摩擦也會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)變化。這些受系統(tǒng)溫度的影響，工藝流體的粘度也是如此，這會(huì)將其自身的變化強(qiáng)加到停止時(shí)間中。如果使用數(shù)字控制器，停止時(shí)間的隨機(jī)變化將至少等于一個(gè)完整的掃描間隔。數(shù)字控制器越慢，變化越大。最終結(jié)果是，當(dāng)對(duì)圖 3 中的系統(tǒng)進(jìn)行可重復(fù)性測(cè)試時(shí)，實(shí)際停止點(diǎn)將因試驗(yàn)而異。

控制器被描繪成一個(gè)數(shù)字設(shè)備，可以通過(guò)傳統(tǒng)鍵盤(pán)輸入減速點(diǎn)。作為數(shù)字設(shè)備，它在任何給定時(shí)刻只能關(guān)注一個(gè)項(xiàng)目或任務(wù)。也就是說(shuō)，當(dāng)它“查看"減速設(shè)定點(diǎn)時(shí)，它不能查看位置傳感器輸出。這兩個(gè)事件之間必然存在時(shí)間差。此外，PLC 可能還有許多其他任務(wù)會(huì)分散其注意力，例如監(jiān)測(cè)和控制溫度、油箱液位等。由此產(chǎn)生的延遲是控制器的掃描時(shí)間，它決定了系統(tǒng)的性能。

因此，我們看到每個(gè)任務(wù)實(shí)際上是定期執(zhí)行的。一個(gè)任務(wù)（例如，監(jiān)測(cè)位置傳感器輸出）的瞬間和再次執(zhí)行該任務(wù)的瞬間之間的總時(shí)間差是總掃描時(shí)間。此外，事件發(fā)生的瞬間與控制器實(shí)際查看和看到事件的瞬間不同步。這導(dǎo)致停止點(diǎn)隨機(jī)變化。

繼續(xù)繞圖 4 的循環(huán)，請(qǐng)注意，控制器的輸出由啟停信號(hào)組成，該信號(hào)是根據(jù)減速設(shè)定點(diǎn)與位置傳感器的實(shí)際位置之間的比較而生成的。還請(qǐng)注意，來(lái)自控制器的啟停信號(hào)不直接連接到閥門(mén)電磁鐵。相反，它是通過(guò)斜坡發(fā)生器連接的。

斜坡發(fā)生器是許多比例閥放大器的常見(jiàn)選項(xiàng)。如果命令輸入變?yōu)楦唠娖剑鼤?huì)將輸出斜坡上升，直到等于命令電壓。如果沒(méi)有斜坡，放大器輸出將幾乎與來(lái)自控制器的命令信號(hào)一樣快地跳升。但是使用斜坡發(fā)生器，即使命令是一個(gè)步驟（如圖所示），輸出也是緩慢變化的閥門(mén)線圈信號(hào)。這可以防止閥芯突然跳到比例位置。相反，閥芯會(huì)緩慢打開(kāi)或關(guān)閉，從而提供相當(dāng)大的加速度控制。

斜坡電路配有微調(diào)電位器，允許用戶(hù)調(diào)整輸出變化的速率，從而控制閥芯移動(dòng)的速率。這比離散方向系統(tǒng)中提供的開(kāi)關(guān)控制有了重大改進(jìn)，因?yàn)闆_擊大大減少。此外，斜坡的可調(diào)性使用戶(hù)能夠立即反饋調(diào)整的有效性。