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广义脉码调制阀控制非对称缸动力的详情分析
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非对称液压缸在液压位置/力伺服系统中广泛使用。由于缸两腔的作用面积不等,在正反方向上的速度特性及动态特性不同,导致系统正反方向上的动静态特性存在差异。非对称阀控制非对称缸可有效降低换向时的压力突变及动静态性能的不对称性。普通的非对称阀节流窗口面积梯度之比为固定值,需与缸配套设计使用,互换性差,制造工艺复杂,使阀成本增加。广义脉码调制(generalization pulse code modulation,GPCM)阀采用一定数量、不同流量的节流基元组成,价格低,抗污染能力强,可以根据系统的需要灵活地改变各组成节流阀的节流面积和编码方式,得到不同流量。笔者对GPCM液压伺服控制理论进行了研究,本文对GPCM数字阀控非对称缸的压力和流量特性进行研究。

1 GPCM阀控缸系统
1.1 系统简介
GPCM阀由一个四通方向控制阀和一组节流基元组成,各基元的节流口面积按一定调制规律设定,由脉冲控制信号来控制它们的启闭状态,经组合得到不同的总节流面积,构成回油节流调速系统,从而达到控制系统流量的目的,其流量控制原理见图1。图中,Q1、Q2分别为缸无杆腔和有杆腔压力油流量,m3/s;ps为系统压力,Pa;Qs为系统流量,m3/s;pr为阀出口压力,Pa;Qr为阀出口流量,m3/s;A1、A2分别为缸无杆腔和有杆腔截面面积,m2;p1、p2分别为缸无杆腔和有杆腔压力,Pa;m为系统等效质量,kg。

1.2 GPCM编码规律
当非对称液压缸活塞在不同方向运行时,由于活塞两侧作用面积不对称,在相同速度下,通过阀节流单元群的流量不相同。GPCM阀流量控制为方向阀加回油节流方式,只在一个方向上有流量控制作用。
式中,Q为无杆腔回油时GPCM阀流量,m3/s;Cd为流量系数;Ni为脉冲编码值;S0为节流基面积,m2;∆p为节流单元节流口压降,Pa;ρ为液体密度,kg/m3。
由于非对称液压缸两腔的有效截面积不同,当非对称液压缸活塞在相反方向运行时,在相同速度下,GPCM阀的流量是不相同的。如忽略液压缸和阀的泄漏以及假设液压油不可压缩,可得活塞具有相同速度的条件为
如果采用对称编码流量控制,在控制过程中,相同的控制输入量将得到不同的速度,使液压缸活塞运动的对称性受到影响,特别是在多缸系统需要同步运动时,使系统运动不协调,控制性能降低。
GPCM伺服控制系统可以利用编码方式,使GPCM阀成为流量非对称阀,可有效地降低非对称缸左右运动不对称特性对系统控制性能的影响。左右运动速度相等的条件对应的编码规则为即液压缸缩回行程中的编码值为伸出行程编码值的A1/A2倍,可以保证非对称液压缸运动速度的对称性。一般非对称缸两腔的作用面积比近似于1∶2,这为非对称缸的脉冲编码控制带来了方便。控制时,输出脉冲相应地向左移一位就可以达到输出要求。
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