关于电液运动控制器的阐述

运动控制是同时控制加速度、速度和位置以执行有用的任务。这一表述中的关键概念是所有三个变量：加速度、速度和位置，都在控制之中。回顾一些基本的电液设计将有助于理解运动控制的概念。两种传统的液压回路将用于说明这一点：离散或所谓的 bang-bang 方向控制和开环比例控制。

这两个回路将引导我们找到最终的解决方案：电液位置伺服机构。结果表明，当电液伺服设计合理且控制系统适合该任务时，结果就是一个真正的运动控制系统，可满足提高机器生产率和产品质量的不同目标，同时降低总体生产成本。

液压系统设计师应在设计过程的早期就意识到，为控制阀提供恒定压力的动力装置适合运动控制任务。图 1 显示了恒压源的 ISO 符号及其行为图。图 2 以示意图形式显示了现实世界的恒压源。它通常由一个压力补偿泵组成，并配有大型蓄能器以适应伺服或比例阀的突然流量需求，以及一个单向阀，以防止泵必须反转以吸收任何可能被迫返回泵的流量。

图 2 还显示了传统压力补偿泵的压力-流量特性。在低压下，它表现为定量排量泵，提供几乎恒定的流量，忽略内部泄漏。当压力达到拐点值 PK 时，泵的压力补偿器开始工作，排量会随着压力的升高而自动减小。因此，在压力高于 PK 时，压力补偿泵几乎充当恒压源。使用闭中心阀使该泵空转肯定是安全的，不会有过压的危险。

2. 实际的恒压源由压力补偿泵、蓄能器和单向阀组成。这不是理想的恒压源：压力会根据组件的频率响应高于或低于平均压力。

为了理解这些问题，假设图 3 中的限位开关 LS1 已关闭，左侧电磁铁通电，液压缸以由供油压力和阀门流量系数决定的速度将负载向右移动。在某个时刻，负载接合限位开关，这会导致方向阀居中并阻塞所有端口。负载将迅速减速，具体取决于其质量、液压缸尺寸以及控制阀的换向速度。在负载实际停止之前可能会发生严重的冲击和振动，尤其是在负载质量很大的情况下。

如果发生大冲击，机器部件会承受高应力水平，从而缩短其使用寿命。还会出现非常高的压力峰值（或通常所说的尖峰）。这些压力峰值会使液压部件（包括缸管和密封件）过度受力，导致过早泄漏和故障。外部振动会使整个机器移动，对管道施加机械应力，从而导致配件故障。

在振荡停止过程中，如果力、压力

或速度传感器的输出可以显示在示波记录仪器上，通过记录，则可以测量振动的频率。该频率称为流体机械共振频率 (HMRF)，可以使用多种方法中的任意一种来计算。

自毁的可能性可能是离散控制系统的最大缺点。但是，停止点的可重复性差也可能是一个严重的缺点。当系统设计人员使用限位开关启动减速时，他们通常这样做是因为应用程序需要将负载停止在某个可预测和受控的位置。不幸的是，在离散系统中，几个随机效应会导致最终停止点发生相当大的变化。实际停止时间是一个复杂的函数：

• 负载质量的大小、

• 阀的换向时间、

• 阀芯重合位关闭的时间、

• 阀的泄漏、

• 液压缸内泄漏、

• 液压缸和负载内的摩擦、

• 流体粘度，

• 以及数字控制器（PLC）的扫描时间（如果使用）。

交流电磁阀产生的阀门换向时间受交流电源线 60 或 50 Hz 正弦波切换瞬间的影响。阀门换向时间的随机变化至少为半个线路周期的时间（60 Hz 系统中为 8.3 毫秒，50Hz 系统中为 10 毫秒）。这增加了阀门换向时间的正常随机变化。

负载和液压缸摩擦也会产生随机变化。这些受系统温度的影响，工艺流体的粘度也是如此，这会将其自身的变化强加到停止时间中。如果使用数字控制器，停止时间的随机变化将至少等于一个完整的扫描间隔。数字控制器越慢，变化越大。最终结果是，当对图 3 中的系统进行可重复性测试时，实际停止点将因试验而异。

控制器被描绘成一个数字设备，可以通过传统键盘输入减速点。作为数字设备，它在任何给定时刻只能关注一个项目或任务。也就是说，当它“查看"减速设定点时，它不能查看位置传感器输出。这两个事件之间必然存在时间差。此外，PLC 可能还有许多其他任务会分散其注意力，例如监测和控制温度、油箱液位等。由此产生的延迟是控制器的扫描时间，它决定了系统的性能。

因此，我们看到每个任务实际上是定期执行的。一个任务（例如，监测位置传感器输出）的瞬间和再次执行该任务的瞬间之间的总时间差是总扫描时间。此外，事件发生的瞬间与控制器实际查看和看到事件的瞬间不同步。这导致停止点随机变化。

继续绕图 4 的循环，请注意，控制器的输出由启停信号组成，该信号是根据减速设定点与位置传感器的实际位置之间的比较而生成的。还请注意，来自控制器的启停信号不直接连接到阀门电磁铁。相反，它是通过斜坡发生器连接的。

斜坡发生器是许多比例阀放大器的常见选项。如果命令输入变为高电平，它会将输出斜坡上升，直到等于命令电压。如果没有斜坡，放大器输出将几乎与来自控制器的命令信号一样快地跳升。但是使用斜坡发生器，即使命令是一个步骤（如图所示），输出也是缓慢变化的阀门线圈信号。这可以防止阀芯突然跳到比例位置。相反，阀芯会缓慢打开或关闭，从而提供相当大的加速度控制。

斜坡电路配有微调电位器，允许用户调整输出变化的速率，从而控制阀芯移动的速率。这比离散方向系统中提供的开关控制有了重大改进，因为冲击大大减少。此外，斜坡的可调性使用户能够立即反馈调整的有效性。