一种用于精确控制并联双级缸的电液伺服系统

2023-11-09顾海涛孙常新朱文杰

机床与液压 2023年19期

顾海涛，孙常新，朱文杰

(中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 621000)

0 前言

模型支撑机构是飞行器在风洞试验中实现姿态模拟必不可少的重要装置[1]。国内某大型风洞的模型支撑机构位于支架段上，由上下导轨安装座、全弯刀支板、圆弧导轨副、驱动油缸、油缸座等组成。旋转的弯刀支板总质量百吨量级，油缸活塞杆始终受压，油缸需要克服机构重力矩、摩擦力矩、惯性力矩和气动力矩等。模型支撑机构的运行方式分为步进式和连续式，角速度需涵盖0.2～3 (°)/s范围。

由模型支撑机构几何运动关系可得，油缸的最大运动速度约450 mm/s(3 (°)/s时)，定位精度约±1 mm。油缸所需行程约为6 m，单级油缸安装距不足。为解决油缸安装空间不足的问题，特将驱动油缸设计为双级伺服油缸[2]，每一级行程约为3 m。同时由于结构空间与安装接口限制，1只大缸径双级油缸无法布置，需采用2只相对较小缸径双级油缸，与弯刀支板分别通过两侧铰轴连接，并联驱动弯刀支板。

模型支撑机构的惯量大、载荷大、速度跨度大、同时要求可控性好，抗干扰能力强。电液伺服系统综合了电气与液压两方面的优点[3]，比较适合此项目特殊工况，但系统需实现高压力、大流量跨度，且两双级缸需保证良好的同步性与精确定位能力，涉及诸多技术难题，需逐一针对性解决。

1 电液伺服系统初步方案确定

1.1 油源系统

油缸运动速度非常高，对油源系统的流量需求非常大，双级缸工作模式对流量影响也较大。如果双级缸采用先后独立伸缩工作模式，流量需求约8 200 L/min。综合分析后，确定采用两级等比例伸缩工作模式，在此模式下，不仅流量需求降低为6 500 L/min，有效降低了制造成本，而且等比例伸缩工作模式规避了先后独立伸缩模式下高速运行中在两级切换瞬间过渡不平顺难题。在此基础上，油源多泵并联向两双级缸供油。油泵选用恒压变量式，当系统压力低于设定压力时，泵以最大流量供油；当系统压力达到设定压力时，泵进入恒压工况，根据负载的需要改变供往系统的流量，而保持系统压力基本不变，减少系统发热、提高效率。并联泵组采用同样结构、同样设定、同样参数，负载实现均匀分布，提高了泵的使用寿命。

蓄能器组系统经单向阀连接供油机泵组，此蓄能器组作为辅助油源时，可与主供油机泵组一起输出流量满足模型支撑机构3 (°)/s快速运动的需要；作为应急油源时，在主供油机泵组突然失压的情况下，其蓄积的高压油应能使模型支撑机构从可能的最大迎角快速回到0°。

1.2 液压伺服系统

双级缸在综合负载与压杆稳定性因素下，结构尺寸已固化确定，但油缸两腔面积比超大(第一级两腔面积比约为1∶11，第二级两腔面积比约为1∶8)。通常非对称缸是用对称伺服比例阀控制的，由于非对称缸两腔的有效作用面积不等，使流经液压缸两腔的流量不相等，而对称伺服比例阀的4个控制边是相同的，这就使得对称伺服比例阀两对节流窗口的阀压降不同，造成活塞杆伸出、缩回两个方向运动时的流量增益不等，因而使系统的静、动态特性出现较大差异，产生严重的非线性。更严重的问题是当活塞杆运动方向改变时，液压缸两腔的压力同时发生突变，这种压力突变极易引起油缸腔室的气蚀或超压[4]。

为提高非对称缸的控制性能，伺服比例阀两节流边的面积梯度比与油缸两腔面积比应尽量接近。而目前伺服比例阀标准产品中阀两节流边的面积梯度比以1∶1、1∶2、3∶4居多，根本没有与1∶8、1∶11接近的产品。综合上述因素，伺服阀组系统不采用三位四通阀控制油缸两腔，改为采用三位三通阀[5]，利用2只三位三通阀分别控制油缸大小腔，有效解决面积比不匹配导致的控制性能问题[6]。

1.3 电控系统

液压伺服系统的电控系统采用“一个XM42运动控制器+两个S20两轴模块+伺服比例阀”的分布式控制方案，实现油缸同步运动、位置和速度控制、系统状态监测及安全逻辑控制等。XM42和轴控制模块之间通过SERCOSⅢ总线通信，构成一个相对独立的驱动环网。XM42为SERCOSⅢ主站设备，S20两轴模块为从站设备，SERCOS Ⅲ在主站和从站均采用特定的硬件(FPGA)，减轻主CPU的通信任务，并确保了快速的实时数据处理和基于硬件的同步。整个网络可以达到小于20 ns的同步精度以及小于 100 ns的实时性。

2 电液伺服系统详细设计

2.1 油源系统

配置10台主回路电机泵组和1台控制油回路电机泵组，主回路10台电机泵组并联(10台机泵组可根据弯刀支板的速度需求灵活组合投入使用)，一起给两并联双级缸供油。10台恒压变量泵2采用DP同步变量控制方式的恒压变量油泵，先导压力控制油口汇合后，连接一只外置的比例溢流阀5。比例溢流阀设定所有泵的恒压点，实现变量泵恒压点的远程无级调节。每台泵出口均安装一只溢流阀3，用于油泵空载状态下的启停，也可以作安全阀使用。控制油回路机泵组采用DR控制方式恒压变量泵7，泵出口依次布置溢流阀8、单向阀9，由泵上集成的恒压阀设定控制油压力，泵出口的溢流阀可以实现泵空载启动，也可以作为安全阀使用。控制油路上配置2个蓄能器模块，可用于控制油路失压情况下提供控制油。原理如图1所示。

图1 油源系统原理

2.2 液压伺服系统

左侧油缸液压伺服系统和右侧油缸液压伺服系统完全相同，以左侧为例介绍，主要包括第一级(缸筒侧)控制单元和第二级(活塞杆侧)控制单元。第一级(缸筒侧)控制单元原理如图2所示。

图2 第一级(缸筒侧)控制单元原理

2套并联伺服控制回路A口均与一级缸无杆腔相连，2套回路分别采用NG25伺服阀1和NG50伺服阀2，NG25伺服阀1在0.2～1 (°)/s连续变迎角流量需求下使用，NG50伺服阀2在2 (°)/s的阶梯变迎角流量需求下使用，NG25伺服阀1和NG50伺服阀2一起在3 (°)/s紧急回零最大流量需求下使用。鉴于油缸活塞杆始终受压，每套伺服控制回路A口与一级缸无杆腔之间设置二通插装阀3，保证油缸无杆腔双向锁紧，二通插装阀采取带主动控制盖板、插装件选用带O形密封圈和阻尼头的锥阀件。主动控制盖板能够调节启闭时间和阀芯最大开度，有效消除大流量油液快速启闭时产生的冲击。主动控制盖板为先导控制，采用梭阀4采集无杆腔A路压力和X路压力，经过选择高压油路供向电磁提升阀5，实现二通插装阀主动控制。另一套伺服控制回路A口与一级缸有杆腔相连，回路采用的NG10伺服阀6 B口封堵。控制单元中在一级缸无杆腔、有杆腔油路分别设置安全阀7，消除压力峰值避免冲击；另外在一级缸有杆腔油路设置单向补油阀8，防止有杆腔吸空。

第二级(活塞杆侧)控制单元原理配置基本与第一级控制单元相同，主要区别为在二级缸无杆腔油路增设缸旁安全阀组，原理如图3所示，缸旁安全阀组采用由二通插装阀1和先导控制油路构成的锁紧回路；另外增加由电磁球阀2与节流孔3构成的预起回路，预起回路与锁紧回路并联。此设置可有效解决如下问题：受空间限制，只能将第一级控制单元集成在一级缸缸底，而第二级控制单元只能布置在就近支架阀台上，由于油缸运动且存在摆动，二级缸不可避免需采用软管连接，且管路较长、容腔较大。缸旁安全阀组体积较小，可集成在二级缸上，入口为长软管，出口通过短硬管与二级缸无杆腔油口连接，因此其锁紧回路可以实现二级缸的安全锁紧，而不受前端软管可靠性的影响；而预起回路可在锁紧回路的二通插装阀开启前实现预先开启，压力平衡后再开启二通插装阀，有效消除大流量冲击。而基于活塞杆受压工况，二级缸有杆腔不需增设此复杂阀组。

图3 第二级(活塞杆侧)控制单元原理

此外，左侧油缸液压伺服系统和右侧油缸液压伺服系统的第二级(活塞杆侧)控制单元之间设置联通回路，原理如图4所示。联通回路主要由二通插装阀1和先导控制油路构成，二通插装阀开启时，将两侧油缸的第二级无杆腔连通，可采用一个第二级控制单元控制；二通插装阀关闭时，两侧的第二级油缸互联油路断开，可分别采用对应的第二级控制单元做主动控制。此设置可有效解决如下问题：此系统两并联双级缸驱动的弯刀支板，结构刚度较大，当导轨副安装间隙较小时，可将二通插装阀开启，采用一个第二级控制单元控制左右油缸第二级，保证两侧油缸出力相同，且运动同步；如果轨道副安装间隙过大或后期使用中变大，需油缸经同步控制来提供额外刚度的情况下，可将二通插装阀关闭，各级油缸均做主动同步控制达到控制效果。

2.3 电控系统

电控系统控制框图如图5所示。XM42集运动控制与逻辑控制于一体，实现油缸运动控制、系统状态监测及安全逻辑控制等。单级油缸单轴控制，由XM42内集成的针对液压应用特有的单轴控制器，实现单级油缸位置闭环控制、内环速度控制、状态反馈/主动阻尼控制、速度前馈控制、比例阀特性补偿等；双级缸并联同步控制，利用XM42的同步模式，采取平均值同步控制的方式，生成虚拟同步控制轴，以两根油缸的实时位置的平均值作为同组两油缸的实时位置指令，使运动控制过程中的位置偏差最小化，同时优选利用XM42虚拟同步轴比例积分控制，设置虚拟轴的比例积分环节参数，对单轴液压轴进行补偿，可以对单独的每一根液压轴匹配合适的控制参数，保证最终控制效果。逻辑控制通过S20IO子站配置相应的模拟量和数字量模块，实现伺服比例阀使能和状态监控，外控锁紧阀的通断、接近开关状态等信号的采集监控等功能。