数字技术在液压系统中的应用

 关键词：液压数字技术，

数字技术在液压系统中的应用

一、引言

随着计算机技术的发展，液压系统中数字技术的应用领域得到不断拓展。从20世纪90年代开始，人类已进入了数字化、信息化、知识化时代。数字技术的数学基础——离散数学、逻辑数学等，早在17、18世纪就已经出现。但是发展成为数字技术并付诸实用，则是在微电子技术和器件的发展之后。20世纪60年代是以使用电子管为主的时期，这时要在液压系统中大量采用数字技术是有困难的，主要是因为设备庞大、功率损耗很多，系统可靠性和稳定性也不易满足要求。随着半导体器件、集成器件和超大规模集成器件的出现， 数字技术在液压系统中的应用迅速而又普遍地发展起来。

 近几年，由于微型计算机的发展和提高，特别是单板机、单片机低廉的价格，为液压系统的数字化提供了必要的条件，使数字技术已应用于液压的诸多方面，并且还不断地在开拓着新的应用领域。数字技术在液压系统的应用主要在直接数字控制（DDC）、计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助测试（CAT）等方面。

二、数字液压元件

为了能使液压系统实现高速、高效及高可靠性，需研制将电信号转换为液压输出的且性能好的数字元件。这种数字液压元件通过把电子控制装置安装于传统阀、缸或泵内，并进行集成化处理（如把传感器集成于液压缸的活塞杆上），形成了种类繁多的数字元件，如数字阀、数字缸、数字泵等，由数—模转换元件直接与计算机相连，利用计算机输出的脉冲数和频率来控制电液系统的压力和流量。

1.         数字控制阀

液压系统中采用的数字控制阀可分为模拟式阀、组合式数字阀、步进式数字阀及高速开关阀等类型。

模拟式阀需要进行数模和模数的反复转换，也常采用脉宽调制式控制，是一种间接式的数字控制。

组合式数字阀是由成组的普通电磁阀和压力阀或流量阀组成的数字式压力或流量阀。 电磁阀接受由微机编码的经电压放大后的二进制电压信号，省去了昂贵的 D/A 转换装置。

步进式数字阀是采用步进电动机作为电—机械转换元件，将输入信号转换为与步数成比例的阀输出信号，这类阀具有重复精度高、无滞环、无需采用D/A转换和线性放大器等优点，但由于它的响应速度慢，对于要求快速响应的高精密系统，需要采用模拟量控制方式。

快速开关阀采用脉冲调制法来达到流量控制的目的。 产生脉冲调制法有如下几种：控制脉冲宽度的脉宽调制法（PWM），控制脉冲交变频率的脉冲频率调制法（PFM），脉冲数调制法（PNM），控制脉冲振幅的脉冲振幅调制法（PAM），以及用1或0将PNM的脉冲数分段并符号化的脉冲符号调制法（PCM）等，而开关阀常用时间比率式脉宽调制的方法。

2.         数字液压执行元件

数字液压缸是增量式数字控制电液伺服元件，即一种将控制步进电动机的电信号转换为机械位移的转换元件。步进电动机可以采用微计算机或可编程控制器（PLC）进行控制。其工作原理是微机发出控制脉冲序列信号，经驱动电源放大后驱动步进电动机运动；微机通过控制脉冲来控制步进电动机的转速，从而就控制了电液步进液压缸的运动。电液步进液压缸的位移与控制脉冲的总数成正比；而电液步进液压缸的运动速度与控制脉冲的频率成正比。

数字式液压马达是增量式数字控制电液伺服元件，由步进电动机和液压扭矩放大器组成，其输出扭矩可达几十至上百 N·m，是普通步进电动机的几百至一千倍。其中，液压扭矩放大器是一个直接反馈式液压伺服机构，由四边滑阀、液压马达和反馈机构组成。其工作原理是当步进电动机在输入脉冲的作用下转过一定的角度时，经齿轮带动滑阀的阀芯旋转，由于液压马达此时尚未转动，因此使滑阀的阀芯产生一定的轴向位移，阀口打开，压力油进入马达使马达转动，同时反馈螺母的转动使滑阀的阀芯退到零位，马达停止运动、如果连续输入脉冲，电液步进马达即按一定的速度旋转，改变输入脉冲的频率即可改变马达的转速。

还有一种新型的液压控制元件——数字化的电液集成块，以此作为基本元件构成的电液集成控制系统在电控功率上与微机输出易于匹配，且成本低。因此，使得液压控制系统广泛采用微机控制成为可能。其数字控制系统兼有电气系统对信号检测、处理快捷方便，计算机控制方式灵活，液压控制功率大、结构紧凑、响应快等多重优点。

三、液压系统的数字仿真与（CAD）

    液压系统的计算机辅助设计是随电子数字计算机的高速发展而发展起来的一门新兴技术，简称CAD技术。CAD技术包括建模、仿真、优化、设计和绘图等。它是利用计算机来辅助设计人员设计较为复杂的控制系统的一种新方法， 它不仅可使控制系统的设计周期大为缩短，并且可以利用计算机仿真技术，更为方便地进行各种方案的分析比较，从而获得最优的设计方案，提高设计水平。液压系统的数字仿真和设计应用在以下几个方面。

1.         从数学模型出发，对已有的液压系统进行仿真研究，通过不断修改数学模型和改变仿真参数，使仿真更接近于实物实验结果。从而可以比较仿真结果与实验结果的差别，来验证理论的准确程度，并将确定的数学模型作为系统的理论依据，有助于进一步的研究和开发。

2.         在实际的应用系统调试时，通过仿真实验，可以确定调整参数，提供系统调试的理论依据，从而缩短调试周期和避免损坏设备。

3.         对于新设计的系统，通过仿真验证系统控制方案的可行性，研究系统结构参数对动态性能的影响，由此获得最佳的控制方案和最优的系统结构参数。

虚拟样机技术的逐渐成熟，为系统的数字化设计提供了强有力的工具和手段。运用这项技术，一方面可以节约人力和资金，降低产品成本，避免不必要的浪费，另一方面也可以缩短设计周期，并提供设计质量可靠的系统，同时可供客户直接浏览样机运行情况。其数字化的特征表现在产品开发过程中的不同阶段， 直至成品出现之前，都是以数字化方式存在，称之为产品的数字化模型；在产品开发过程中，开发过程的管理采用数字化的方式， 开发网络的任务是以数字化方式确定和分配的；在产品设计制造的全生命周期中，同一阶段或不同阶段之间，如设计单位内部或设计与制造单位之间，产品信息的交流采用数字化方式，基于数字化模型实现无纸化设计。

四、计算机辅助测试（CAT）

随着液压传动装置对液压元件的技术特性、技术参数的测试要求越来越高，传统的测试方法显得不够完善。为提高其测试精度，加快测试速度，更快地为装备提供安全。可靠的依据，就需要设计较完善的液压元件计算机辅助测试技术。

            1.           有关静态特性的测试技术

 CAT 简化了静态特性的测试系统，操作方便，同时在对液压元件的额定流量（大流量）和泄漏流量（小流量）测试时，将测频法（对大流量的测试）与测周法（对小流量的测试）结合起来，进行宽范围的流量测试。另外，由于光栅传感器采用脉冲量；分辨率高、抗干扰能力强，也提高了系统的测试精度，用光栅传感器测量流量的装置，可实现静态特性的流量测试。

            2.           有关动态特性的测试技术

对液压元件的动态特性测试一直是测试领域的重要课题之一。在动态测试中，要求测试系统硬件（如传感器。放大器等）对信号的响应速度快，对信号的发生和采集有同步要求；是动态性能测试中的难点。CAT可采用自适应寻优正弦信号测试方法测试元件的动态特性；或采用小波消噪方法。对测量过程中的高频噪声进行了去噪处理，提高了测试结果的精确性。以及以性能先进的VXI总线仪器为主要测试设备组成液压元件动态特性测试系统。具有高速、高精度、易组建，易扩展，易更新换代等特点。

利用伪随机信号的谱分析法在阀的某一个工作点附近进行测试，不但避免了非线性的影响，而且可以在试验信号幅值很小的情况下完成在线测试。

            3.           综合性能的测试技术

利用计算机和相关软件建立的液压元件特性测试系统； 实现了液压元件动、静态特性的自动测试。采用虚拟仪器技术VICAT系统。产生低频的三角波、正弦波、锯齿波等用于静态特性实验需要，产生随机信号、正弦扫频信号用于动态特性实验需要；两路模拟量输出和四路模拟量输入等接口，对提高测试精度、减少测试时间、减轻实验人员负担无疑起到了巨大的作用。

五、液压数字系统发展实例

(一)       新型数字控制流量阀的研究

            1.           引言

电液式恒应力压力试验机主要用于材料抗压强度的测量，抗压试验要求试验机必须具备恒应力加载的能力，并且要求工作液压缸从零压开始均匀加载，对系统的控制精度要求很高，尤其对系统的流量脉动和压力脉动要求更高。针对压力试验机液压控制系统的上述要求，我们设计了一种试验机专用的数字控制流量阀，该阀由一只节流阀和一只等差减压阀组合而成(如图1所示)，通过调整节流阀的输出流量来控制液压缸的输出压力，取得了非常好的效果。节流阀为三通转阀式结构，采用等差减压阀对节流口进行补偿，不仅提高了流量的控制精度，还起到消除系统压力脉动的作用。该阀以二相混合式步进电机为电-机械转换元件，针对试验机的特点，专门设计了步进电机的连续细分控制技术，实现了直接数字方式控制，消除了阀的滞环，提高了控制精度和抗干扰能力。

            2.           结构原理

图2所示为阀的结构原理图,该阀由步进电机、齿轮传动机构节流阀（主阀）和等差减压阀（先导阀）组成。传动机构由一对齿轮组成，传动比i=6，设计这样的结构，不仅解决了步进电机与主阀阀芯直接连接时同轴度的要求，减小了加在电机上的有效负载转矩，保证了电机的输出特性，同时还有效地减小了阀芯的位置误差，提高了控制精度。

主阀为三通转阀式结构，考虑到径向力平衡关系，设计中采用了对称开口结构，在阀芯上开有一对与泵出口相通的P口和一对与油箱相通的T口，在阀套上开有一对与工作液压缸相通的A口。先导阀采用滑阀式全开口结构，有效地降低了系统的压力脉动，提高了系统压力补偿的精度，先导阀前腔与主阀P腔相通，后腔与主阀A腔相通。当主阀阀芯处于零位时，节流阀的A口与T口、A口与P口均处于截止状态，此时先导阀的阀口打开，泵的输出流量通过先导阀流回油箱。当步进电机从零位开始顺时针进给，P口与A口导通，同时，先导阀开始工作，步进电机带动主阀阀芯调节主阀阀口的过流面积，通过控制输出流量来控制液压缸负载腔的压力。当步进电机从零位开始逆时针进给，P口与T口导通，泵的输出流量直接通过T口回油箱，此时先导阀处于关闭状态。主阀在小开口区域设计了非线性开口，提高了阀零位附近小流量区域的控制精度。当主阀处于工作位置时，先导阀的压力补偿功能，使得阀口的过流流量不受负载变化的影响，保证了主阀节流口过流面积和输出流量的线性关系。

            3.           步进电机的控制原理

利用一种基于PWM的多倍细分技术，实现了步进电机输出角位移的连续跟踪控制，该控制算法被固化在步进电机控制器中。

在步进电机的控制中，在每次输入脉冲切换时，如果只改变对应绕组中额定电流的一部分，则转子相应的每步转动也只会是原有步距角的一部分，额定电流分成多少个级别进行切换，转子就以多少步来完成原有的步距角。因此，通过控制绕组中电流的数值就可以调整电机步距的大小，也就可以把步距角分成若干细分步数来完成。

步进电机细分后的步距角：

式中：N为细分步数；为步进电机步距角。

第i周期的输入角位移与第i-1周期的输入角位移之间的关系可表示为：

　从上式可以看出，步进电机转子两个周期之间的输出角位移可以通过完成个步距角和个细分步数来实现。

利用这个方法，不仅提高了步进电机的输出精度，获得步进电机角位移的连续输出，而且还不降低步进电机的响应频率。

图3为控制程序设计框图。为了保证主阀在初始位置始终处于零位，每次控制器开机时即自动对阀芯进行初始化，此时阀芯处于零位，对应的步进电机也处于零位，等待读取输入角位移信号。

当第一个周期的信号送到后，可以得到与零位比较后的m1和n1，当m1≠0时，首先送出m1，然后送出n1，当m1=0时，直接送出n1，第i个周期与第i-1个周期的情况也是一样。

            4.           阀的静态特性

图4所示为阀的流量-压力特性曲线，图4a为阀在小流量工作区域的流量-压力特性曲线，图4b为阀在大流量工作区域的流量-压力特性曲线，从试验曲线可以看出,该阀具有较好的抗负载变化能力，具有非常小的稳定流量(8 mL/min)。

图5为阀的输入输出特性，图5a为不带齿轮传动机构间隙补偿功能的输入输出曲线，图5b为带间隙补偿的输入输出曲线。

从图5中可以看出，在小流量区域,其流量呈非线性变化，这主要是由于在该工作区域，阀口为圆弧形所致。从图5a中可以看出，在大流量区域,阀的输入输出曲线明显存在滞环，这种现象的出现，主要是因为在阀的齿轮传动机构中存在间隙，图5b为进行齿轮间隙补偿后阀的输入输出曲线。

            5.           性能特点和技术参数

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移信号的机电元件，频响特性高，可靠性好，其步距角不受各种干扰的影响，且具有误差不长期积累的特点采用步进电机作为驱动元件，与传统的模拟量控制元件相比，具有重复精度高、无滞环和直接数字控制等特点。同时，在该阀的设计中还引入了以下控制概念：

1)        零位初始化控制　在控制器打开电源的瞬间，节流阀阀芯自动到零位；

2)        断电保护功能　在控制器突然断电时，控制器中的蓄能元件在瞬间控制阀芯回零位；

3)        间隙补偿功能　控制器内部固化程序自动对传动机构中的间隙进行补偿。

            6.           结论

研究表明，该阀采用直接数字方式控制，具有良好的流量特性和较高的频响特性，完全能够满足恒应力压力试验机要求。目前,该阀已实现了产业化，有1500多套在全国各地使用。

(二)       伺服电机的直接数字控制

            1.           引言

伺服电机是一种受输入电信号控制、并作快速响应的电动机。实际使用时通常经齿轮减速后带动负载，在系统中作执行元件，因此伺服电机又称执行电动机。近年来，工业快速发展，伺服电机广泛应用于化工、光纤等工业领域。

伺服电机的直接数字控制，也就是控制方法中的DDC，它改变了常规的控制思路，不仅节约成本，而且提高了控制精度，能实现模拟量控制不能实现的控制要求。例如，实现复杂的控制算法，如复杂的积分控制，就可以方便地通过数字量控制来实现。随着大型企业自动化程度越来越高，对伺服电机的要求也在提高，电机作为自动控制系统中的一类重要元件，其可靠性、精度和响应快慢直接影响到控制系统的工作性能，是不容忽视的重要环节。因此，伺服电机的DDC有着很高的应用价值和广阔的应用前景。

            2.           伺服电机的传统控制方法

由于外部给定的电机速度为模拟量，常常需要A/D模块将模拟量转换成数字量，伺服电机驱动器接收到数字信号后再控制电机运转。这种传统的控制伺服电机驱动器的方法，应用时间长。但它的可靠性不高，存在一定程度的零漂。同时考虑到A/D模块的费用，这种方法成本也就较高。

            3.           伺服电机的直接数字控制

伺服电机的直接数字控制就是直接利用工控机和驱动器通信，工控机通过串行通信将数字量传送给伺服电机驱动器，从而达到控制电机运转的目的。由于是数字信号直接控制，消除了零漂，可靠性得到了提高。而且，不需要将模拟量转换成数字量，无需购买A/D模块，降低了成本。目前许多厂家出产的伺服电机驱动器都配有通信端口及通信协议。通信协议简单可靠，用户可以方便地完成通信程序。这样可直接在工控机上控制电机，根据工艺要求，方便地修改各种参数，从而改变电机速度等。

            4.           结语

1)        利用通讯控制，驱动器直接得到的是数字信号，不需要进行模/数转换，节约了一个A/D块，这种方法成本低。

2)        伺服电机的DDC的基本思想是直接采用数字量控制，可以彻底消除模拟量控制带来的零漂影响，可靠性得到了很大的提高。

3)        在工控机上对驱动器进行控制，通讯时间最多需要80 ms。时间很短,驱动器接收到数据后可以马上驱动电机，符合实际生产要求。

4)        根据厂家的实际工艺要求，在工控机上可以灵活地调整参数而且可以将电机控制得比传统控制要好。通过通讯，可以人为地控制积分过程，很好地实现控制要求。

5)        伺服电机的DDC可以方便实现复杂的控制算法，通过模拟量控制是无法实现的。伺服电机的直接数字控制可广泛应用于各个领域，控制效果好，提高了系统的可靠性、快速性，有很好的应用前景。

六、结论

数字技术的飞速发展，极大地带动液压行业开辟了诸多新兴的研究领域。为了实现信号检测、处理快捷方便，灵活可靠，结构紧凑、响应快等，对已有的液压元件通过模拟流量控制或脉冲流量控制的方式，组成数字液压元件，实现计算机直接或间接控制系统的压力和流量；对于新设计的系统，通过仿真验证系统控制方案的可行性，研究系统结构参数对动态性能的影响；或运用虚拟样机技术，使数字化模型实现无纸化设计；在液压系统的性能测试方面，利用计算机和相关软件，实现了元件的动、静态特性的自动测试，减少了元件的测试误差和周期，有利于液压产品的开发和维护。 

 关键词：液压数字技术，