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液压伺服油缸正弦运动详解

发布日期:2023.07.21浏览次数:

正弦波似乎是简单的运动,但它可以对执行器和泵提出很高的要求。
许多测试系统使用正弦波(正弦)运动。正弦运动轮廓很容易生成,因为大多数计算机和PLCS都有内置或作为附加库的SIN函数。然而,生成运动轮廓并不是困难的部分。

基本:

太多次,我们看到失败的系统,或被问到荒谬的问题,因为设计师没有充分认识到制造正弦系统的挑战。他们通常研究基本定义,即:

位置(t)=振幅sin(2πHzt)

以赫兹(赫兹)为单位的频率必须乘以2π,才能将赫兹转换为每秒的弧度作为正弦函数。这很容易。

速度也应计算,以便设计人员可以确保执行器的移动足够快。用正弦函数导数的定义计算速度是容易的。

速度(T)=振幅⋅cos(2π⋅Hz⋅t)⋅2π⋅Hz

速度作为时间的函数也应计算速度前馈(VFF)计算。

正弦或余弦函数的峰值为1,因此计算峰值速度很容易:

峰值速度=振幅⋅2π⋅Hz

下一步通常会给人们带来麻烦。加速度是速度的导数:

加速度=振幅⋅−sin2π⋅Hz⋅t)⋅ (2π⋅Hz)2

加速度应该计算,因此加速度前馈(AFF)可以计算,但是峰值加速度。

峰值加速度为:

峰值加速度=振幅⋅(2π⋅Hz)2

注意,峰值加速度随频率平方而上升。这意味着一个20赫兹的正弦波的峰值加速度是10赫兹正弦波的四倍。这意味着系统的固有频率必须高出四倍,阀门必须有四倍高的频率响应。

频率问题

一个分配器曾经问我们是否可以控制一个幅值为5mm(0.005m),频率为75 Hz的正弦运动。我通常的反应是:“当然,我们只是在移动电子。”每当我听到一个要求正弦运动频率超过10赫兹,我知道这个项目将是不容易的。我的反问题是:“你能设计出一个能提供如此高加速度的液压系统吗?”在这种情况下,峰值速度和加速度是:

峰值速度=0.005⋅(2π⋅Hz)=2.356 m/s,或接近93 in/s

要在5毫米的空间内加速到这个速度,然后在5毫米内慢到0米/秒,这将是一项挑战。

峰值加速度=0.005⋅(2π⋅Hz)2 =1110米/s2=113g

一磅重的质量需要一磅力才能在1g时加速。显然,如果能达到113g的速度,就需要一个昂贵的系统来加速任何事情。我知道这是不可能发生的,因为大的液压阀移动那么多的油通常不够快。即使振幅降至1mm(0.001M),峰值加速度仍为222m/s2。

工业应用中的典型加速度约为四分之一克,使用帝国单位时的典型值为每秒100英寸平方,使用公制单位时为每秒2500毫米。所以,加速到1110米/s2太多了。很明显,这个项目被放弃了。我的贡献是防止最终客户犯一个代价高昂的错误。

其他控制方法

伺服阀的频率响应应该是所需频率的三到四倍;否则,除了系统的其他部分,伺服阀的响应将开始减缓正弦运动的响应,从而使其滞后更大。速度、加速度、甚至前馈都能补偿执行器和负载的频率,但不能补偿阀门的频率。

如果阀门的频率响应相对于所期望的频率不高,则闭环控制将不能很好地工作。控制器不可能将目标和实际位置、速度和加速度之间的误差保持在可接受的范围内。在这种情况下,需要自适应控制。

自适应正弦运动并不能使目标与实际位置之间的误差保持在较小的范围内。相反,它是半开环模式,其中开环信号被调整,使实际位置的峰值将与所期望的峰值相同,但实际位置和目标位置之间会有相位滞后。

将发生的一个问题是,单杆执行器将倾向于扩展,因为开环增益在扩展方向高于在撤回方向。这意味着开环正弦波也必须有输出的幅度,因此执行器在测试期间不会缓慢地进一步扩展。如果使用双杆钢瓶,这种效果可以大大减少,因为活塞的面积在两边是相同的(假设杆的直径相同)。

供电

泵的尺寸也常常不正确。大多数情况下,所需泵的尺寸被高估,因为峰值流量被使用,而不是平均流量。平均流量约为峰值流量的0.64。如果蓄能器尺寸正确,则泵的大小可以安全地达到峰值流量的0.7左右。使用峰值流量来调整泵的尺寸仍然有效,但会导致比需要的泵更大。

HPU应该按平均流量进行调整,再加上多一点的安全裕度,同时也要考虑到一些油实际上并没有直接移动执行器;它被用来压缩油以增加力以加速负载。当正弦波的速度较慢时,应使用一个或两个蓄能器来供给峰值油流,并依靠正弦波的速度来给蓄能器充电。HPUS不能对正弦波的流动要求作出足够快的响应,所以当泵不能提供油时,需要蓄能器来供应油。

另一个问题是选择正确的泵类型。压力补偿泵是一种常见的选择,但压力补偿不能跟上系统的流量和压力波动。此外,倾斜板最终在一个小范围内来回循环,这往往会磨损泵在该范围内的斜板运动。更好的解决办法是使用由变速电机驱动的固定排量泵.

根据运动的幅度、频率和活塞面积,运动控制器将知道在任何时候使用了多少油。流量计算可作为预测流量的前馈。运动控制器可以根据需要改变电机的速度,但仍然以相对恒定的速度运行,依靠蓄能器保持一定的压力。在预测流量时会有很小的误差,所以仍然需要一个压力传感器,以确保压力保持在预期的范围内。


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