高速开关阀先导控制的电液位置系统设计*

2010-04-24刘忠

制造技术与机床 2010年9期

刘忠

（湖南师范大学机电技术装备研究所，湖南长沙 410081）

液压滑台常用于机床实现进给运动。研究表明，一般液压系统控制的滑台在定位过程中无法克服因摩擦力而造成稳态误差，同时会产生抖动现象，但用电液位置伺服系统控制的液压滑台能够满足低速运动时高精度定位的需要［1-2］。工业上用于电液位置控制系统的核心元件有伺服阀、比例阀和高速开关阀等。高速开关阀由于具有极高的响应速度、结构紧凑、重复性好、工作耐久可靠、抗污染能力强以及价格便宜等诸多优点，引起了人们的广泛关注和研究。但是，由于高速开关阀工作流量偏小，不足以直接驱动功率较大的液压位置控制系统。因此需要研究改进的办法以使其能够用于大流量、大功率的液压位置系统；采用高速开关阀先导控制的方式既可以避免其输出流量偏小的缺点，同时又能保留其便于直接通过计算机控制的优点，是一种很有前途的、可行的电液位置控制系统方案。

1 新型电液位置控制系统的设计方案

高速开关阀先导驱动的电液位置控制系统的结构如图1 所示。

1.1 工作原理

如图1 所示，该系统由两个贵州红林机械厂生产的HSV 3000 型高速开关阀和一个三位四通液控换向阀组成。系统采用单端驱动方式，在此驱动方式下，无论液压缸活塞向哪个方向运动，每个脉宽调制周期内都只有一个高速开关阀开启而另一个高速开关阀关闭，当控制误差大于零时，阀1 开启，阀2 关闭；当控制误差小于零时，阀2 开启，阀1 关闭。每个阀的开启与关闭状态都取决于误差的正负，而误差数值的大小决定了该阀输出的平均流量大小，即输入到高速开关阀PWM 信号的占空比的大小。在每个脉宽调制周期内，对于该控制系统的控制量（作用在各高速开关阀的脉宽调制信号的宽度），每个阀彼此独立，都有自己的工作状态。单端导通方式具有有效利用能源的优点，且控制方法简单。

当单片机未输出控制信号时，两个高速开关阀1和2 接通T 口泄出压力油，同时P 口封闭。此时滑阀在两端弹簧的作用下处于中位（M 型中位机能），接通滑阀的P 口和T 口为泵卸荷，而A、B 口封闭，系统保压，维持液压缸两腔的压力。当高速开关阀1 有PWM信号输入时，高速开关阀的控制口P 口接通K1，产生平均流量，压力油送入液控换向阀的左端，推动阀芯向右移动，液控换向阀内的对中弹簧产生反向压力并逐渐增大，当达到预定开口度时阀芯停止，此时高速开关阀2 无信号输入，右端压力油可通过K2 回油，主液压泵PS1 的油液经A 口送入液压缸左腔，活塞杆右行，完成对液压缸的控制。由于高速开关阀通过PWM 信号的改变可实现成比例的输出控制压力油，因此，能很方便地实现对滑阀开口量的控制，从而实现对液压缸的连续比例控制。液压缸活塞左行运动系统控制原理相同，故不再描述［3］。

1.2 单片机控制单元

该系统采用飞利浦公司生产的单片机83C552 作为核心控制器，该单片机是80C51 系列单片机的改进型号，兼容80C51 指令系统，除提供了80C5l 标准的功能以外，还提供了适应于仪器仪表、工业控制、汽车控制、特殊马达管理、变速箱控制等实时应用领域的专用功能部件［4］。内部包含有：8k 字节ROM 程序存贮器；256 字节RAM 数据存贮器；6 个8 位I/O 口；2 个16位定时器/事件计数器；1 个附加的配置捕捉和比较寄存器的16 位定时器；2 路8 位精度的脉冲宽度调制输出PWM 口；2 个串行口（异步串行口和I2C 总线）；15个中断源和2 个中断优先级嵌套的中断系统。

系统由83C552 的脉冲宽度调制PWM 输出口输出两路PWM 信号分别控制高速开关阀1 和2 的开启和关闭，并通过预分频控制寄存器（PWMP）和PWM0和PWM1 寄存器的比较输出不同占空比的脉冲信号，以此调节高速开关阀的平均输出流量。由于单片机的PWM 引脚输出信号功率有限，不足以直接驱动高速开关阀，为此选用了直流型固态继电器（SSR）作为功率驱动元件，实现PWM 信号的功率放大。固态继电器（SSR）是电子继电器，它的输入端和输出端之间有光电隔离。由于其内部无运动部件，故无振动，无冲击噪声，它的开关速度很快，通常小于10 μs，可直接由TTL 或CMOS 逻辑控制，满足本系统的要求。系统位移传感器反馈的模拟位移信号选用ADC0809 进行模数转换，ADC0809 型是8 位精度全MOS A/D 转换器。片内有三态数据输出锁存器，与微处理器兼容，输入方式为单通道，转换时间约为100 μs，它的非线性误差为±1 LSB，工作电压为+5 V。通过ADC0809，位移传感器的位移反馈信号被送入单片机形成偏差信号，进而控制整个系统。