基于伺服電機(jī)和流量配給閥的直驅(qū)式電液閥門定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　， ，

(1.中國計(jì)量學(xué)院 浙江省流量計(jì)量技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018； 2.浙江大學(xué) 機(jī)械設(shè)計(jì)研究所， 浙江 杭州　310028)

引言

調(diào)節(jié)閥在工業(yè)應(yīng)用中是一種重要的執(zhí)行部件,其在眾多的工業(yè)過程控制系統(tǒng)中,尤其是在石化、冶金等工業(yè)的流量控制中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。閥門定位器作為主要附件之一,可以改善閥門特性、提高控制的精度、速度和增加控制的靈活性，因而閥門定位器的數(shù)字化和智能化為實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的智能化有著重要意義。

在現(xiàn)今工業(yè)廣泛應(yīng)用的閥門定位裝置按其結(jié)構(gòu)形式和工作原理可分為氣動(dòng)閥門定位器、電動(dòng)閥門定位器、液動(dòng)閥門定位器和智能型閥門定位器[2]。氣動(dòng)閥門裝置安全、可靠、成本低且維修使用方便， 但其所采用的氣源工作壓力低和結(jié)構(gòu)尺寸不宜過大的特點(diǎn)決定了氣動(dòng)閥門裝置一般用在推力不是很大的場合；電動(dòng)閥門裝置因其利用絲杠和伺服系統(tǒng)體輕小，安裝維護(hù)方便，但因絲杠軸向承載力限制使其只適用于推力一般的場合。針對(duì)許多大推力的工業(yè)控制領(lǐng)域中，液壓閥門裝置體現(xiàn)了其大推力的特性，但傳統(tǒng)的液壓裝置需要提供一套恒壓油源、能量利用率低、成本高等缺點(diǎn)限制了液壓閥門裝置的發(fā)展。

本研究結(jié)合伺服電機(jī)優(yōu)良控制特性和液壓系統(tǒng)功率重量比大等優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新型直驅(qū)式電液閥門定位系統(tǒng)，利用數(shù)字式DSP芯片設(shè)計(jì)了此智能型閥門定位系統(tǒng)，對(duì)大推力的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義[3-5]。

1　系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

該直驅(qū)式電液閥門定位系統(tǒng)主要由DSP控制器、伺服電機(jī)、雙向齒輪定量泵、液壓鎖閥、溢流閥、補(bǔ)油單向閥、雙輸出桿液壓缸及位移傳感器等構(gòu)成，其系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1　直驅(qū)式電液系統(tǒng)原理圖

當(dāng)控制器檢測到輸入指令和位移傳感器反饋信號(hào)有偏差時(shí)，由控制器輸出控制信號(hào)到伺服驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，同時(shí)帶動(dòng)定量齒輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)齒輪泵提供的壓力油經(jīng)進(jìn)油側(cè)液控單向閥時(shí)，由于泵油側(cè)屬于高壓側(cè)，在油液進(jìn)入工作腔的同時(shí)，回油側(cè)的液控單向閥控制壓力也達(dá)到使其開啟壓力，建立起了進(jìn)油側(cè)和回油側(cè)的液壓回路，從而使活塞向指定方向移動(dòng)。當(dāng)活塞運(yùn)行到接近指定的位置后，此時(shí)位移傳感器反饋信號(hào)與輸入指令偏差趨近于零，控制器輸出信號(hào)使電機(jī)逐漸減速，直到比較偏差為零，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)齒輪泵也不再提供壓力油，在負(fù)載的作用下，兩側(cè)的液控單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了液壓回路的鎖定，從而確保液壓缸在負(fù)載或外界的擾動(dòng)下不會(huì)發(fā)生竄動(dòng)。

為了減小系統(tǒng)體積，以集成閥塊形式設(shè)計(jì)了用于液壓油路換向的流量配給閥，該閥共有負(fù)載端、源端、負(fù)載端進(jìn)油口、負(fù)載端排油口、源端排油口等5個(gè)節(jié)流口。當(dāng)源端或者負(fù)載端進(jìn)油口油壓大于球形單向閥開啟壓力時(shí)，主閥芯向左移動(dòng)，形成液壓回路。如圖2所示為在2個(gè)流量配給閥下的系統(tǒng)液壓回路工作原理圖，其中深黑色管路為高壓油，灰色管道為低壓油回路。

系統(tǒng)主要元件的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1　系統(tǒng)組成部件的主要參數(shù)

2　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以某公司的TMS320F2812為核心控制器，主要利用其事件管理器EV模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換AD采集模塊、串行通信SCI模塊和通用輸入輸出GPIO模塊等完成電機(jī)的速度調(diào)節(jié)、閥門定位、壓力信號(hào)的獲取等功能。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

所采用的位移傳感器是電阻式，通過將位移傳感器阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，利用控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，即可實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，由于該控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電壓的輸入范圍為0～3 V， 采用某公司的BAT68-04S雙二極管設(shè)計(jì)的鉗位電路實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬輸入端口的保護(hù)。

圖3　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

直驅(qū)式電液閥門定位系統(tǒng)的控制流程如圖4所示。在給定系統(tǒng)指令后，DSP控制器計(jì)算出輸入指令和位移反饋指令的偏差，經(jīng)PID調(diào)節(jié)后給定電機(jī)相應(yīng)的速度和方向指令以驅(qū)動(dòng)液壓泵產(chǎn)生一定方向的壓力油，在液壓回路的作用下推動(dòng)液壓缸活塞向目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)。電阻式位移傳感器實(shí)時(shí)反饋液壓缸活塞的實(shí)際位置，DSP控制器不斷地檢測目標(biāo)位置與實(shí)際位置的偏差值，通過實(shí)時(shí)對(duì)伺服電機(jī)速度的調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖4　直驅(qū)式電液閥門定位系統(tǒng)控制流程

3　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于此直驅(qū)式電液閥門定位系統(tǒng)來說，電液系統(tǒng)本身存在非線性和不確定性，交流伺服電機(jī)在不同負(fù)載下動(dòng)態(tài)特性變化較大，液壓系統(tǒng)也存在滯后性，外界負(fù)載和溫度變化等對(duì)系統(tǒng)都有一定的影響[6]。為了減小系統(tǒng)本身特性和外界干擾對(duì)系統(tǒng)控制精度的影響，本研究在DSP控制器里加入了PID算法，設(shè)計(jì)了PID控制器程序。

由于DSP控制器是數(shù)字式控制器，因此本系統(tǒng)采用了增量式PID實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)控制。增量式PID的表達(dá)式如下所示。

其中，kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)；kd為微分系數(shù)；e(k)為偏差；Δu(k)為PID增量;u(k)為PID調(diào)節(jié)輸出量。針對(duì)此直驅(qū)式電液閥門定位系統(tǒng)，e(k)為給定指令與位移傳感器反饋位移的偏差，u(k)為調(diào)節(jié)電機(jī)速度的實(shí)際頻率值，Δu(k)的大小反應(yīng)電機(jī)頻率變化快慢。此系統(tǒng)的PID控制程序框圖如圖5所示。

圖5　控制器程序框圖

控制系統(tǒng)是以CCS3.3編程環(huán)境完成軟件的編寫、調(diào)試及輸入。軟件程序內(nèi)容包括系統(tǒng)初始化、脈沖產(chǎn)生、定時(shí)中斷、數(shù)模轉(zhuǎn)換、PID控制和人機(jī)交互等模塊，系統(tǒng)運(yùn)行模式分為點(diǎn)動(dòng)模式、往復(fù)模式、定點(diǎn)模式、遠(yuǎn)程模式和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等，其中點(diǎn)動(dòng)模式是實(shí)現(xiàn)手動(dòng)對(duì)閥門的控制；往復(fù)模式是設(shè)定閥門運(yùn)行區(qū)間后，使閥門在定區(qū)間內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并記錄往返次數(shù)；定點(diǎn)模式用于實(shí)現(xiàn)閥門向給定的目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)；遠(yuǎn)程模式用于接收4～20 mA遠(yuǎn)程信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的定位。在CCS3.3編程環(huán)境下，以獨(dú)立鍵盤為輸入，以LCD12864為監(jiān)視界面，設(shè)計(jì)了一套完整的閥門定位器軟件系統(tǒng)。

4　實(shí)驗(yàn)研究

結(jié)合以上的分析研究搭建了試驗(yàn)樣機(jī)。本研究主要進(jìn)行了對(duì)位移傳感器的線性度和閥門的定位精度試驗(yàn)。表2中是位移傳感器的絕對(duì)位移和經(jīng)控制器轉(zhuǎn)換得到的電壓值，經(jīng)Origin 8.0處理后，得到電壓與位移的關(guān)系如圖6所示，由電壓-位移關(guān)系圖知，該位移與電壓線性度很好，并經(jīng)線性回歸擬合后得到位移與電壓的關(guān)系式y(tǒng)=89.485x+5.606,其中x表示采集的位移傳感器的電壓值，y表示對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)位移值。另外也通過調(diào)整PID參數(shù)以提高閥門定位精度，通過定點(diǎn)模式隨機(jī)測得幾組數(shù)據(jù)如表3所示，可以看出閥門定位誤差在0.3 mm以內(nèi)。

表2　測得不同電壓下的位移值

圖6　電壓位移關(guān)系

5　結(jié)論

本研究利用直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的閥門定位系統(tǒng)具有體積小、重量輕、控制靈活、效率高等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)系統(tǒng)存在的非線性等動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)了含有PID算法的智能型DSP控制器， 并利用搭建的伺服直驅(qū)式

表3　隨機(jī)測得閥門目標(biāo)位置與實(shí)際位置值

電液閥門定位系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，本研究設(shè)計(jì)的伺服直驅(qū)式閥門定位器運(yùn)行平穩(wěn)、單次和重復(fù)定位精度均優(yōu)于0.3 mm，且以液壓缸為模擬負(fù)載進(jìn)行了往復(fù)壽命測試，驗(yàn)證了此系統(tǒng)快速、精確且無超調(diào)等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝玉東，王勇，劉延俊. 調(diào)節(jié)閥技術(shù)研究綜述[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012,(9):1111-1113.

[2]謝云山，劉建領(lǐng)，趙忠榮. 調(diào)節(jié)閥的選型設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2008,(5):53-55.

[3]許茂林. 直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

[4]何培雙，劉慶和. 無閥電液伺服系統(tǒng)[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2003,(6):66-67.

[5]王廣懷，李萌，劉慶和. 直驅(qū)式六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的單通道系統(tǒng)研究[J]. 液壓與氣動(dòng)，2007,(5):40-43.

[6]李鑫. 數(shù)字液壓缸位置控制系統(tǒng)的特性研究[D]. 沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2013.