电液比例阀控缸位置伺服电机的分析与处理

电液比例阀控缸位置伺服电机的分析与处理

近年来，随着电液比例技术的发展，由于成本低、抗污染能力强等优点，电液比较装置在许多情况下逐渐取代了服务器进行器。电液比例方向阀能同时实现流量和方向控制,并且可以方便地实现计算机控制。因此采用计算机控制的电液比例阀控缸液压位置伺服系统具有结构简单、可靠性好等优点,在各个领域尤其是工业领域得到了广泛的应用。通过对液动实验平台的详细分析,建立了电液比例换向阀控缸液动伺服系统的数学模型,并在稳态工作点处进行泰勒级数展开,对模型进行线性化,采用比例控制方法对模型进行了仿真。1压力传感及位移传感器该液动伺服位置跟踪控制系统的硬件平台,如图1所示。主要由标准液压缸9、叶片泵7、溢流阀6、电液比例换向阀3(配套放大器8)、负载2、位移传感器1、压力传感器5和10、压力表4、数据采集卡和工业控制计算机组成。液压缸为上海华申液压件厂生产的单杆活塞标准液压缸,液压缸标准行程200mm,活塞直径40mm,活塞杆直径28mm,电液比例换向阀为意大利ATOS公司生产的DHZO-A-07-1-S型对称阀,压力传感器是北京昆仑海岸传感技术中心的JYB-KO-H,位移传感器是该公司的WDL-200,A/D和D/A的实现则由研华公司的PCL-812PG数据采集卡来完成。油源供油压力为6.3MPa。系统工作时,位移传感器检测出液压缸活塞杆的当前位置信号并通过A/D转换反馈到计算机中与指定输入进行比较,得出偏差控制量,经D/A转换并经放大器放大后驱动电液比例阀节流口开度,从而使活塞杆运动到期望位置。2不考虑管道损失及管道的动态采用对称四通比例阀控制非对称(即单活塞杆)液压缸。阀控单出杆液压缸原理图,如图2所示。为了简化讨论,假定:(1)不考虑管道损失及管道的动态;(2)恒压油源供油,即Ps恒定,并且回油压力Po=0;(3)对称三位四通阀,四个矩形节流窗口工作时阀口处于紊流状态;(4)油的温度和密度均为常数;(5)不考虑阀的非线性影响。在液压伺服系统中,人们大都从阀的负载压力-流量特性、液压缸负载流量方程和液压缸的力方程三方面来建立数学模型。2.1流量系数比例阀的流量方程为:式中:Q1—液压缸无杆腔流量,m3/s;Q2—液压缸有杆腔流量,m3/s;Cd—阀的流量系数,取0.70;W—窗口面积梯度,m;X—比例方向阀位移,m;Xd—比例方向阀的流量死区位移,m;P1—无杆腔压力,Pa;P2—有杆腔压力,Pa;PS—油源压力,Pa;ρ—液压油密度,kg/m3。由(5)代入(1)式得:由(7)式代入(8)式得:同理得:在工作点附近进行泰勒级数展开,对流量方程线性化为:2.2有外泄漏,可液压缸的流量方程为:式中:Cip—液压缸内部泄漏系数,m5/(N·S);Cep—液压缸外部泄漏系数,液压缸几乎无外泄漏,可忽略不计,m5/(N·S);!e—系统的有效体积弹性模数(包括液体、连接管道和工作腔体的机械柔度),取700Mpa;P1—液压缸无杆腔的压力,Pa;P2—液压缸有杆腔的压力,Pa;V1—无杆腔容积(包括阀、连接管道、工作腔的容积),m3;V2—有杆腔容积(包括阀、连接管道、工作腔的容积),m3。将(12)式代入(8)式得:2.3尼系数nsks-负载弹簧刚度式中:m—活塞及负载总质量,kg;Bp—活塞及负载的粘性阻尼系数,N·s/m;KS—负载弹簧刚度,N/m;f—作用在活塞上的任意外负载,N。将(4)式代入上式得:令式(11)、(16)和(17)三式联立可得非对称动力机构的数学模型:3系统模型的建立Matlab的Simulink工具箱是一个对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包,为用户提供了用方框图进行建模的接口,包括了众多线性和非线性等环节,并可以方便的扩展,使系统模型建立非常容易。对以上得到的数学模型,代入本系统的具体参数,在Matlab/Simulink模块中进行模型仿真。采用比例控制方法,对液压缸跟踪正弦信号的响应进行仿真,输入信号为:(1)f=0.2HZ,幅值A=25mm;(2)f=0.3HZ,幅值A=50mm。输入正弦信号(实线)和仿真输出曲线(虚线)图略。4系统仿真实验通过对电液比例阀控缸液压位置伺服系统详细分析,推导出对称比例阀控不对称缸位置伺服系统的数学模型并进行线性化处理。采用比例控制方法对系统的正弦响应进行了仿真,结果表明,系统在低频工作频段内的动态响应比较理想,为系统的进一步实验研究提供了理论依据和准备