液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計與分析

馬聞宇 王鳳琴 趙 林 劉子英 郭 薇 張喜榜

液壓伺服系統(tǒng)可使系統(tǒng)的輸出量（如位移、速度和力等）自動、快速、準確地跟隨輸入量的變化而變化，同時，大幅度放大輸出功率。液壓伺服系統(tǒng)以其響應(yīng)速度快、控制功率大和負載剛度大等獨特的優(yōu)點在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。液壓伺服系統(tǒng)通過使用電液伺服閥，可將小功率的電信號轉(zhuǎn)換為大功率的液壓動力，從而實現(xiàn)了一些重型機械設(shè)備的伺服控制。液壓傳動中具有隨動作用的液壓自動控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，大功率的液壓元件（包括液壓伺服閥和液壓執(zhí)行元件）跟隨小功率的指令信號元件動作[2-3]。執(zhí)行元件所控制的通常是位置和速度等機械量。指令信號元件又稱參考信號元件，它發(fā)出代表位置、速度或其他量的指令信號。大功率與小功率之比可以達幾百萬倍以上。液壓伺服系統(tǒng)是反饋控制系統(tǒng)，反饋回來代表實際狀態(tài)的信號與指令信號比較，得到誤差信號，若誤差不為零，則進行調(diào)節(jié)。液壓伺服系統(tǒng)通常應(yīng)包括實際狀態(tài)的測量反饋元件、小功率指令信號的傳遞元件和大功率液壓執(zhí)行元件、期望狀態(tài)和反饋狀態(tài)的比較元件以及差值信號的放大元件。液壓伺服系統(tǒng)分為機械液壓伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)和氣液伺服系統(tǒng)[3-4]。它們的指令信號分別為機械信號、電信號和氣壓信號。電液伺服系統(tǒng)因電氣控制靈活而得到廣泛的應(yīng)用；氣液伺服系統(tǒng)用于防爆的環(huán)境或容易獲得氣壓信號的場合；液壓伺服系統(tǒng)應(yīng)具有工作穩(wěn)定、對指令信號反應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)誤差小以及對干擾不敏感等必要的性能。液壓伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種[5-6]。在精密加工的定位系統(tǒng)中，液壓伺服系統(tǒng)能保證小于0.1μm的加工誤差。世界上許多巨大天文望遠鏡的動作都是用星光作為伺服系統(tǒng)的指令信號，通過液壓伺服系統(tǒng)和執(zhí)行元件進行跟蹤的。本文主要將某電機伺服系統(tǒng)改成液壓伺服系統(tǒng)，介紹了設(shè)計過程和部分元器件的選型。

1.設(shè)計要求

我國最近幾年在電機伺服系統(tǒng)取得了突飛猛進的成果，但同時也遇到了許多的難題，如某動力系統(tǒng)采用西門子交流伺服電機驅(qū)動，該系統(tǒng)在實際使用中就暴露了電磁方面的嚴重問題，該系統(tǒng)在運行過程中對總靜壓信號和天平信號造成了比較強的電磁干擾，導(dǎo)致附近流場精確控制極其困難，測量信號的可靠性顯著降低。為此，本文的研究方向就是將現(xiàn)有的交流電機驅(qū)動裝置改造為液壓伺服裝置（見圖1）。

圖1 交流電機驅(qū)動裝置

交流電機的工作參數(shù)如下：

型號：1FT6105-88C71-1AHO-Z；

功率：16kW；

額定轉(zhuǎn)速：1500 r/min；

最大輸出轉(zhuǎn)矩：65 N·m；

額定轉(zhuǎn)矩：55 N·m；

負載轉(zhuǎn)動慣量：0.01 kg·m2。

2.回路設(shè)計

圖2 液壓伺服系統(tǒng)回路

由圖2可見，液壓伺服系統(tǒng)回路是一個定量泵-變量馬達式容積調(diào)速回路，主要由液壓泵、溢流閥、節(jié)流閥、電液伺服閥和液壓馬達等輔助設(shè)備組成。系統(tǒng)正常工作時，溫度計1可以顯示油箱內(nèi)液壓油的溫度。粗過濾器2可以將輸入液壓泵的液壓油進行初步過濾，從而有效保護液壓泵?？諝膺^濾器3可以保證油箱與大氣相通，從而保證油箱內(nèi)的壓力與大氣壓保持恒定，同時可以防止空氣中的雜質(zhì)進入。液位計4用于顯示油箱內(nèi)液壓油的位置，進而確定油量是否充足。液壓泵5主要為系統(tǒng)提供動力，將油箱里的液壓油輸入到系統(tǒng)中。精過濾器6對液壓油進一步進行過濾，從而使液壓油內(nèi)的雜質(zhì)得到有效地濾除，避免油內(nèi)的雜質(zhì)對系統(tǒng)的元器件的損害。溢流閥7起保護作用，保證系統(tǒng)的最高壓力不至于過高，當液壓泵的輸出壓力過高時，液壓油可以通過溢流閥流回油箱。液壓指示器8可及時顯示液壓泵的輸出壓力，對系統(tǒng)的油壓進行有效地監(jiān)測。冷卻器9可以對回到油箱的液壓油進行冷卻保證油溫不至于過高。電液伺服閥10通過改變液壓油的流動形式使液壓馬達處于不同的工作狀態(tài)。流量計11可有效監(jiān)測進入液壓馬達的油量。2個液控單向閥12，13構(gòu)成了一個鎖緊裝置，當電液伺服閥處于中位時，液壓油則通過伺服閥直接回到油箱。這時，液控單向閥12，13不允許液壓油逆向通過，使得液壓馬達保持靜止，并且達到很高的精度。液壓馬達14是主要的執(zhí)行元件，直接為動力裝置提供動力。液壓指示器15對液壓馬達的輸入壓力進行有效監(jiān)測。

當系統(tǒng)工作時，液壓油經(jīng)過粗過濾器2、液壓泵5、精過濾器6、電液伺服閥10的左側(cè)、流量計11和液控單向閥12到達液壓馬達14，然后通過液控單向閥13電液伺服閥10的左側(cè)和冷卻器9回到油箱。當不需要液壓馬達14工作時，可以選擇電液伺服閥10的中位，從而使液壓油直接回到油箱。此系統(tǒng)具有體積小、重量輕、慣性小、可靠性好、輸出功率大、快速性好、剛度大(輸出位移受外負載影響小)、定位準確以及自動化程度高等優(yōu)點。同時，伺服元件的加工精度高，價格昂貴，特別是液壓伺服系統(tǒng)對油液的污染比較敏感。因此，可靠性受到影響；在小功率系統(tǒng)中，液壓伺服系統(tǒng)不如電氣控制靈活，且存在加工難度高、抗污染能力差、不易維護和成本較高等缺點。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，液壓伺服系統(tǒng)的缺點將被不斷克服。

3.液壓元件的選型

3.1 馬達的選型

馬達的主要類型有齒輪馬達、葉片馬達、擺線馬達、軸向柱塞馬達、徑向柱塞馬達和內(nèi)曲線柱塞馬達等。本次設(shè)計選擇了齒輪馬達，其應(yīng)用范圍包括鉆床和通風(fēng)設(shè)備等，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易和噪聲限制不嚴等特點。具體的型號則根據(jù)原電機裝置的相關(guān)參數(shù)進行選擇，要使其工作能力高于或至少等于原電機裝置。

3.2 液壓泵的選型

液壓泵的主要類型有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵等。本次設(shè)計選擇了齒輪泵，其應(yīng)用范圍包括機床、通風(fēng)設(shè)備、工程機械、航空和船舶等，具有體積較小、結(jié)構(gòu)簡單、對油的清潔度要求不高和價格較便宜等特點。液壓泵的具體型號根據(jù)泵的最高供油壓力和泵的最大供油量來選定的。

3.3 閥類元件的選型

各種閥類元件的規(guī)格型號按液壓系統(tǒng)原理圖和系統(tǒng)工況圖中提供的情況從產(chǎn)品樣本中選取。各種閥的額定壓力和額定流量一般應(yīng)該與其工作壓力和最大通過流量相近，必要時可允許其最大通過流量超過額定流量20%。注意溢流閥應(yīng)該使其能夠通過液壓泵的全部流量。

3.4 輔助元件的選型

輔助元件的選型主要是過濾器的選型、冷卻器的選型和其他輔助元件的選型（見表1）。

4.仿真模型的建立與應(yīng)用

該液壓伺服系統(tǒng)的參數(shù)如下：

開環(huán)增益：10451/s；

伺服閥的固有頻率：1700 rad/s；

伺服閥的阻尼比：0.7；

液壓馬達-負載的固有頻率：348 rad/s；

液壓馬達-負載的阻尼比：0.7。

表1 各液壓元件的型號

根據(jù)系統(tǒng)方框圖在matlab中建立仿真模型（見圖3）。

所建立的液壓伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：Y(s)為該函數(shù)輸出量；U(s)為函數(shù)輸入量；s為函數(shù)變量。

系統(tǒng)穩(wěn)定性是系統(tǒng)正常工作的必要條件，所以對系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析非常必要。由于系統(tǒng)參數(shù)在工作過程中會經(jīng)常發(fā)生變化，所以用系統(tǒng)開環(huán)伯德圖進行系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析非常方便（見圖4）。

由圖4可見，系統(tǒng)的幅值裕量為 -9.07dB，對應(yīng)的相位穿越頻率為303rad/s，相位裕量為-42°，因此系統(tǒng)無論從幅值裕量還是從相位裕量來說都是不穩(wěn)定的，需要對其進行校正。

為增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，通常需要進行系統(tǒng)校正，所謂校正就是給系統(tǒng)增加一些具有某種典型環(huán)節(jié)特性的網(wǎng)絡(luò)、運算部件、測量裝置或者適當調(diào)節(jié)調(diào)整參數(shù)等。通過適當?shù)男Ｕh(huán)節(jié)可以有效改善整個系統(tǒng)的控制性能。針對液壓伺服系統(tǒng)，穩(wěn)定系統(tǒng)的幅值裕量最好應(yīng)大于1，相位裕量最好應(yīng)大于30°。

首先，可以采用超前校正，即在前向通路的直流部分串聯(lián)一個超前校正網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)在正弦信號作用下的穩(wěn)態(tài)輸出電壓，在相位上超前于輸入，所以成為超前網(wǎng)絡(luò)。超前校正環(huán)節(jié)可以使系統(tǒng)的相位超前（見圖5）。

通過計算，對超前校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)置參數(shù)為：

R1C=T=1/60

α=1/10

各式中：T為周期系數(shù)；α為校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

超前校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)G(s)為：

G(s)=(αTs+α)/αTs+1

圖3 建立的液壓伺服系統(tǒng)方框圖

圖4 建立的液壓伺服系統(tǒng)開環(huán)伯德圖

圖5 超前校正網(wǎng)絡(luò)

式中：s為變量。

用matlab分析，可得到增加超前校正網(wǎng)絡(luò)后的液壓伺服系統(tǒng)開環(huán)伯德圖（見圖6）。

由圖6可見，增加超前校正網(wǎng)絡(luò)后，液壓伺服系統(tǒng)的幅值裕量變?yōu)?.36，相位裕量變?yōu)?9°，滿足穩(wěn)定性要求，故本系統(tǒng)用超前校正可以達到要求。

從簡便易操作的角度考慮，可將開環(huán)增益減小為原來的1/10，用matlab分析得到新的液壓伺服系統(tǒng)伯德圖（見圖7）。

由圖7可見，減小開環(huán)增益后，液壓伺服系統(tǒng)的幅值裕量變?yōu)?4.39，相位裕量變?yōu)?2°，滿足穩(wěn)定性要求。同時，適當?shù)靥岣唏R達排量可以得到新的系統(tǒng)伯德圖（見圖8）。

由圖8可見，提高馬達排量和降低增益后，液壓伺服系統(tǒng)的幅值裕量變?yōu)?.6，相位裕量變?yōu)?5°，滿足穩(wěn)定性要求。

綜上所述，通過增加超前校正網(wǎng)絡(luò)、減小開環(huán)增益和增加馬達排量等均可使液壓伺服系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求。

5.結(jié)語

本文主要介紹了此次液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計的具體要求以及原系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)等，并根據(jù)相關(guān)要求設(shè)計了1 套滿足要求的液壓伺服系統(tǒng)回路。同時對回路的整體功能、各液壓元件的功能和選型等，相關(guān)細節(jié)進行了介紹。通過建立液壓伺服控制系統(tǒng)仿真模型，確定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并進一步確定了增加超前校正網(wǎng)絡(luò)和改善相關(guān)參數(shù)等，可進一步增進系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過設(shè)計合理的液壓伺服系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對電機伺服系統(tǒng)的替代。

圖6 增加超前校正網(wǎng)絡(luò)后的液壓伺服系統(tǒng)開環(huán)伯德圖

圖7 減小開環(huán)增益后的液壓伺服系統(tǒng)開環(huán)伯德圖

圖8 提高馬達排量后的液壓伺服系統(tǒng)開環(huán)伯德圖