數(shù)字液壓缸在機械控制系統(tǒng)中的應用研究

劉輝 王曉剛

（內蒙古霍林河露天煤業(yè)股份公司, 內蒙古 霍林郭勒 029000）

1 數(shù)字液壓缸

數(shù)字液壓缸主要有步進電機、減速齒輪和液壓力放大器等幾大部分組成。數(shù)字液壓缸的工作正是由步進電機接受控制電路所輸出的脈沖信號，然后進行信號轉換和信號的功率放大，驅動液壓缸輸出功率及位移。

2 PLC對數(shù)字液壓缸的控制方案

本文所述掘進機器人即是通過 PLC 直接控制數(shù)字液壓缸，從而帶動懸臂的上下和左右的擺動，從而實現(xiàn)掘進機器人的仿形切割。其數(shù)字液壓缸控制方案如圖1 所示。

圖1 數(shù)字液壓缸控制方案

3 PLC對數(shù)字液壓缸的控制過程

PLC 控制數(shù)字液壓缸主要有三個因素：

1）行程控制，數(shù)字液壓缸活塞的行程正比于所輸入的控制脈沖個數(shù)

式中， LΔ——數(shù)字液壓缸活塞位移量（mm）；

δ——活塞位移的脈沖當量（mm/脈沖）。

2）速度控制，數(shù)字液壓缸活塞的速度取決于PLC 輸出的脈沖頻率

式中，fv——數(shù)字液壓缸活塞的進給速度（mm）。

3）運動方向控制，步進電機的轉向控制數(shù)字液壓缸的運動方向，因此可以通過PLC 的輸出端輸出高低電平的方向控制信號來改變硬件環(huán)形分配器的輸出順序，或者通過編程來改變PLC 輸出脈沖的順序，從而改變步進電機繞組的通電順序。

數(shù)字液壓缸控制系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）、步進電機功率驅動器和環(huán)形分配器所組成。

PLC 輸出一定數(shù)量的數(shù)字脈沖信號，控制步進電機的轉角，從而控制數(shù)字液壓缸的運動，同時PLC 可以通過編程來控制輸出脈沖的頻率，進而可以控制數(shù)字液壓缸活塞運動的速度。PLC 通過環(huán)行脈沖分配器將其輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應的繞組。步進電機采用軟件環(huán)行分配器和硬件環(huán)行分配器均可[。步進電機功率驅動器可以放大PLC 輸出的控制脈沖，通常功率步進電機需要幾十伏到上百伏、幾安到十幾安的驅動能力，雖然PLC 的輸出接口具有一定的驅動能力，而通常的晶體管直流輸出接口的負載能力僅為十幾到幾十伏、幾十到幾百毫安，所以必須采用驅動器對輸出脈沖進行放大。

本文所述掘進機器人，共有三個數(shù)字液壓缸，均采用硬件環(huán)形分配器，每個數(shù)字液壓缸占用PLC 的IO 口點數(shù)為3點，其中I 口一點，為啟動控制信號，O 口占用2 點，一點為PLC 的脈沖輸出接口，另一點輸出步進電機的方向控制信號。接口分配如圖2。

圖2 PLC 控制數(shù)字液壓缸的接口分配

若使PLC 輸出脈沖，可采用兩種方法：

1）通過PLC 軟件編程。三菱FX2N 系列PLC 的編程指令中，PLS/PLF 為脈沖輸出指令，使用指令PLS，元件僅在驅動輸入接通后的一個掃描周期內動作；使用PLF 指令，元件僅在驅動輸入斷開后的一個掃描周期內動作。輸出的脈沖總數(shù)可以用計數(shù)器來控制，當脈沖總數(shù)達到我們所要求值時，計數(shù)器可以切斷脈沖輸出回路。計數(shù)器可以采用斷電保持式增量計數(shù)器，它能夠在斷電后保持已經記下的數(shù)值，再次通電后，只要復位信號從來沒有對計數(shù)器復位過，則計數(shù)器將在原來的基礎上，繼續(xù)計數(shù)。輸出的頻率可以通過定時器的定時常數(shù)控制周期。在對數(shù)字液壓缸運動速度要求較高時，可以使用PLSY 指令，即以指定的頻率產生指定數(shù)量的脈沖的指令。

2）采用脈沖輸出模塊。三菱 FX2N 系列 PLC 配備有FX2N-1PG 脈沖輸出模塊，它配備有便于定位控制的七種操作模式，F(xiàn)X2N 可以連接多達 8個塊，輸出脈沖頻率高達100kHz，定位目標的追蹤、運轉速度以及各種參數(shù)可以通過PLC 的FROM/TO 指令設定，除脈沖輸出外，還備有各種高速響應的輸出端子。FX2N-1PG 脈沖輸入輸出性能見表1。

表1 FX2N-1PG 脈沖輸出模塊輸入輸出性能

[1]陳潔,孫汝軍.電液私服閥的 PLC 控制[J].機床電器，2007，3：49-50.

[3]萬天才.多功率驅動放大電路的設計[J].微電子學，2000，30：56-58.