關(guān)于電液運動控制器的闡述

運動控制是同時控制加速度、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)計將有助于理解運動控制的概念。兩種傳統(tǒng)的液壓回路將用于說明這一點：離散或所謂的 bang-bang 方向控制和開環(huán)比例控制。

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

液壓系統(tǒng)設(shè)計師應(yīng)在設(shè)計過程的早期就意識到，為控制閥提供恒定壓力的動力裝置適合運動控制任務(wù)。圖 1 顯示了恒壓源的 ISO 符號及其行為圖。圖 2 以示意圖形式顯示了現(xiàn)實世界的恒壓源。它通常由一個壓力補償泵組成，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，忽略內(nèi)部泄漏。當(dāng)壓力達到拐點值 PK 時，泵的壓力補償器開始工作，排量會隨著壓力的升高而自動減小。因此，在壓力高于 PK 時，壓力補償泵幾乎充當(dāng)恒壓源。使用閉中心閥使該泵空轉(zhuǎn)肯定是安全的，不會有過壓的危險。

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

為了理解這些問題，假設(shè)圖 3 中的限位開關(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流量系數(shù)決定的速度將負載向右移動。在某個時刻，負載接合限位開關(guān)，這會導(dǎo)致方向閥居中并阻塞所有端口。負載將迅速減速，具體取決于其質(zhì)量、液壓缸尺寸以及控制閥的換向速度。在負載實際停止之前可能會發(fā)生嚴(yán)重的沖擊和振動，尤其是在負載質(zhì)量很大的情況下。

如果發(fā)生大沖擊，機器部件會承受高應(yīng)力水平，從而縮短其使用壽命。還會出現(xiàn)非常高的壓力峰值（或通常所說的尖峰）。這些壓力峰值會使液壓部件（包括缸管和密封件）過度受力，導(dǎo)致過早泄漏和故障。外部振動會使整個機器移動，對管道施加機械應(yīng)力，從而導(dǎo)致配件故障。

在振蕩停止過程中，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，通過記錄，則可以測量振動的頻率。該頻率稱為流體機械共振頻率 (HMRF)，可以使用多種方法中的任意一種來計算。

自毀的可能性可能是離散控制系統(tǒng)的最大缺點。但是，停止點的可重復(fù)性差也可能是一個嚴(yán)重的缺點。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計人員使用限位開關(guān)啟動減速時，他們通常這樣做是因為應(yīng)用程序需要將負載停止在某個可預(yù)測和受控的位置。不幸的是，在離散系統(tǒng)中，幾個隨機效應(yīng)會導(dǎo)致最終停止點發(fā)生相當(dāng)大的變化。實際停止時間是一個復(fù)雜的函數(shù)：

• 負載質(zhì)量的大小、

• 閥的換向時間、

• 閥芯重合位關(guān)閉的時間、

• 閥的泄漏、

• 液壓缸內(nèi)泄漏、

• 液壓缸和負載內(nèi)的摩擦、

• 流體粘度，

• 以及數(shù)字控制器（PLC）的掃描時間（如果使用）。

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

負載和液壓缸摩擦也會產(chǎn)生隨機變化。這些受系統(tǒng)溫度的影響，工藝流體的粘度也是如此，這會將其自身的變化強加到停止時間中。如果使用數(shù)字控制器，停止時間的隨機變化將至少等于一個完整的掃描間隔。數(shù)字控制器越慢，變化越大。最終結(jié)果是，當(dāng)對圖 3 中的系統(tǒng)進行可重復(fù)性測試時，實際停止點將因試驗而異。

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

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

繼續(xù)繞圖 4 的循環(huán)，請注意，控制器的輸出由啟停信號組成，該信號是根據(jù)減速設(shè)定點與位置傳感器的實際位置之間的比較而生成的。還請注意，來自控制器的啟停信號不直接連接到閥門電磁鐵。相反，它是通過斜坡發(fā)生器連接的。

斜坡發(fā)生器是許多比例閥放大器的常見選項。如果命令輸入變?yōu)楦唠娖?，它會將輸出斜坡上升，直到等于命令電壓。如果沒有斜坡，放大器輸出將幾乎與來自控制器的命令信號一樣快地跳升。但是使用斜坡發(fā)生器，即使命令是一個步驟（如圖所示），輸出也是緩慢變化的閥門線圈信號。這可以防止閥芯突然跳到比例位置。相反，閥芯會緩慢打開或關(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，允許用戶調(diào)整輸出變化的速率，從而控制閥芯移動的速率。這比離散方向系統(tǒng)中提供的開關(guān)控制有了重大改進，因為沖擊大大減少。此外，斜坡的可調(diào)性使用戶能夠立即反饋調(diào)整的有效性。