高速開關(guān)閥先導(dǎo)控制的電液位置系統(tǒng)設(shè)計*

劉 忠

（湖南師范大學(xué)機(jī)電技術(shù)裝備研究所，湖南 長沙 410081）

液壓滑臺常用于機(jī)床實現(xiàn)進(jìn)給運動。研究表明，一般液壓系統(tǒng)控制的滑臺在定位過程中無法克服因摩擦力而造成穩(wěn)態(tài)誤差，同時會產(chǎn)生抖動現(xiàn)象，但用電液位置伺服系統(tǒng)控制的液壓滑臺能夠滿足低速運動時高精度定位的需要［1-2］。工業(yè)上用于電液位置控制系統(tǒng)的核心元件有伺服閥、比例閥和高速開關(guān)閥等。高速開關(guān)閥由于具有極高的響應(yīng)速度、結(jié)構(gòu)緊湊、重復(fù)性好、工作耐久可靠、抗污染能力強(qiáng)以及價格便宜等諸多優(yōu)點，引起了人們的廣泛關(guān)注和研究。但是，由于高速開關(guān)閥工作流量偏小，不足以直接驅(qū)動功率較大的液壓位置控制系統(tǒng)。因此需要研究改進(jìn)的辦法以使其能夠用于大流量、大功率的液壓位置系統(tǒng)；采用高速開關(guān)閥先導(dǎo)控制的方式既可以避免其輸出流量偏小的缺點，同時又能保留其便于直接通過計算機(jī)控制的優(yōu)點，是一種很有前途的、可行的電液位置控制系統(tǒng)方案。

1 新型電液位置控制系統(tǒng)的設(shè)計方案

高速開關(guān)閥先導(dǎo)驅(qū)動的電液位置控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.1 工作原理

如圖1 所示，該系統(tǒng)由兩個貴州紅林機(jī)械廠生產(chǎn)的HSV 3000 型高速開關(guān)閥和一個三位四通液控?fù)Q向閥組成。系統(tǒng)采用單端驅(qū)動方式，在此驅(qū)動方式下，無論液壓缸活塞向哪個方向運動，每個脈寬調(diào)制周期內(nèi)都只有一個高速開關(guān)閥開啟而另一個高速開關(guān)閥關(guān)閉，當(dāng)控制誤差大于零時，閥1 開啟，閥2 關(guān)閉；當(dāng)控制誤差小于零時，閥2 開啟，閥1 關(guān)閉。每個閥的開啟與關(guān)閉狀態(tài)都取決于誤差的正負(fù)，而誤差數(shù)值的大小決定了該閥輸出的平均流量大小，即輸入到高速開關(guān)閥PWM 信號的占空比的大小。在每個脈寬調(diào)制周期內(nèi)，對于該控制系統(tǒng)的控制量（作用在各高速開關(guān)閥的脈寬調(diào)制信號的寬度），每個閥彼此獨立，都有自己的工作狀態(tài)。單端導(dǎo)通方式具有有效利用能源的優(yōu)點，且控制方法簡單。

當(dāng)單片機(jī)未輸出控制信號時，兩個高速開關(guān)閥1和2 接通T 口泄出壓力油，同時P 口封閉。此時滑閥在兩端彈簧的作用下處于中位（M 型中位機(jī)能），接通滑閥的P 口和T 口為泵卸荷，而A、B 口封閉，系統(tǒng)保壓，維持液壓缸兩腔的壓力。當(dāng)高速開關(guān)閥1 有PWM信號輸入時，高速開關(guān)閥的控制口P 口接通K1，產(chǎn)生平均流量，壓力油送入液控?fù)Q向閥的左端，推動閥芯向右移動，液控?fù)Q向閥內(nèi)的對中彈簧產(chǎn)生反向壓力并逐漸增大，當(dāng)達(dá)到預(yù)定開口度時閥芯停止，此時高速開關(guān)閥2 無信號輸入，右端壓力油可通過K2 回油，主液壓泵PS1 的油液經(jīng)A 口送入液壓缸左腔，活塞桿右行，完成對液壓缸的控制。由于高速開關(guān)閥通過PWM 信號的改變可實現(xiàn)成比例的輸出控制壓力油，因此，能很方便地實現(xiàn)對滑閥開口量的控制，從而實現(xiàn)對液壓缸的連續(xù)比例控制。液壓缸活塞左行運動系統(tǒng)控制原理相同，故不再描述［3］。

1.2 單片機(jī)控制單元

該系統(tǒng)采用飛利浦公司生產(chǎn)的單片機(jī)83C552 作為核心控制器，該單片機(jī)是80C51 系列單片機(jī)的改進(jìn)型號，兼容80C51 指令系統(tǒng)，除提供了80C5l 標(biāo)準(zhǔn)的功能以外，還提供了適應(yīng)于儀器儀表、工業(yè)控制、汽車控制、特殊馬達(dá)管理、變速箱控制等實時應(yīng)用領(lǐng)域的專用功能部件［4］。內(nèi)部包含有：8k 字節(jié)ROM 程序存貯器；256 字節(jié)RAM 數(shù)據(jù)存貯器；6 個8 位I/O 口；2 個16位定時器/事件計數(shù)器；1 個附加的配置捕捉和比較寄存器的16 位定時器；2 路8 位精度的脈沖寬度調(diào)制輸出PWM 口；2 個串行口（異步串行口和I2C 總線）；15個中斷源和2 個中斷優(yōu)先級嵌套的中斷系統(tǒng)。

系統(tǒng)由83C552 的脈沖寬度調(diào)制PWM 輸出口輸出兩路PWM 信號分別控制高速開關(guān)閥1 和2 的開啟和關(guān)閉，并通過預(yù)分頻控制寄存器（PWMP）和PWM0和PWM1 寄存器的比較輸出不同占空比的脈沖信號，以此調(diào)節(jié)高速開關(guān)閥的平均輸出流量。由于單片機(jī)的PWM 引腳輸出信號功率有限，不足以直接驅(qū)動高速開關(guān)閥，為此選用了直流型固態(tài)繼電器（SSR）作為功率驅(qū)動元件，實現(xiàn)PWM 信號的功率放大。固態(tài)繼電器（SSR）是電子繼電器，它的輸入端和輸出端之間有光電隔離。由于其內(nèi)部無運動部件，故無振動，無沖擊噪聲，它的開關(guān)速度很快，通常小于10 μs，可直接由TTL 或CMOS 邏輯控制，滿足本系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)位移傳感器反饋的模擬位移信號選用ADC0809 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，ADC0809 型是8 位精度全MOS A/D 轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，與微處理器兼容，輸入方式為單通道，轉(zhuǎn)換時間約為100 μs，它的非線性誤差為±1 LSB，工作電壓為+5 V。通過ADC0809，位移傳感器的位移反饋信號被送入單片機(jī)形成偏差信號，進(jìn)而控制整個系統(tǒng)。

2 結(jié)語

為提高液壓滑臺的控制精度及穩(wěn)定性，利用高速開關(guān)閥可實現(xiàn)連續(xù)比例調(diào)節(jié)控制的特點，提出了高速開關(guān)閥先導(dǎo)控制，液控?fù)Q向閥作為功率放大級的電液位置控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，與傳統(tǒng)機(jī)液系統(tǒng)相比，該電液位置控制系統(tǒng)便于計算機(jī)控制，可柔性調(diào)整參數(shù)，容易獲得較好的動靜態(tài)特、工作穩(wěn)定可靠。

［1］王傳禮.對稱四通閥控非對稱液壓缸伺服系統(tǒng)動態(tài)特性研究［J］.中國機(jī)械工程，2004（6）：471 -474.

［2］呂云嵩.隨機(jī)定位電液伺服滑臺設(shè)計研究［J］.機(jī)床與液壓，2006（11）：99 -101.

［3］劉忠，李偉，彭金艷.機(jī)電液集成控制的數(shù)字液壓缸研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009（11）：51 -54.

［4］陳少艾.HY32B 型液壓滑臺電液伺服控制系統(tǒng)的技術(shù)改造［J］.液壓與氣動，2007（7）：71 -72.