一種用于精確控制并聯雙級缸的電液伺服系統

顧海濤，孫常新，朱文杰

(中國空氣動力研究與發展中心，四川綿陽 621000)

0 前言

模型支撐機構是飛行器在風洞試驗中實現姿態模擬必不可少的重要裝置[1]。國內某大型風洞的模型支撐機構位于支架段上，由上下導軌安裝座、全彎刀支板、圓弧導軌副、驅動油缸、油缸座等組成。旋轉的彎刀支板總質量百噸量級，油缸活塞桿始終受壓，油缸需要克服機構重力矩、摩擦力矩、慣性力矩和氣動力矩等。模型支撐機構的運行方式分為步進式和連續式，角速度需涵蓋0.2～3 (°)/s范圍。

由模型支撐機構幾何運動關系可得，油缸的最大運動速度約450 mm/s(3 (°)/s時)，定位精度約±1 mm。油缸所需行程約為6 m，單級油缸安裝距不足。為解決油缸安裝空間不足的問題，特將驅動油缸設計為雙級伺服油缸[2]，每一級行程約為3 m。同時由于結構空間與安裝接口限制，1只大缸徑雙級油缸無法布置，需采用2只相對較小缸徑雙級油缸，與彎刀支板分別通過兩側鉸軸連接，并聯驅動彎刀支板。

模型支撐機構的慣量大、載荷大、速度跨度大、同時要求可控性好，抗干擾能力強。電液伺服系統綜合了電氣與液壓兩方面的優點[3]，比較適合此項目特殊工況，但系統需實現高壓力、大流量跨度，且兩雙級缸需保證良好的同步性與精確定位能力，涉及諸多技術難題，需逐一針對性解決。

1 電液伺服系統初步方案確定

1.1 油源系統

油缸運動速度非常高，對油源系統的流量需求非常大，雙級缸工作模式對流量影響也較大。如果雙級缸采用先后獨立伸縮工作模式，流量需求約8 200 L/min。綜合分析后，確定采用兩級等比例伸縮工作模式，在此模式下，不僅流量需求降低為6 500 L/min，有效降低了制造成本，而且等比例伸縮工作模式規避了先后獨立伸縮模式下高速運行中在兩級切換瞬間過渡不平順難題。在此基礎上，油源多泵并聯向兩雙級缸供油。油泵選用恒壓變量式，當系統壓力低于設定壓力時，泵以最大流量供油；當系統壓力達到設定壓力時，泵進入恒壓工況，根據負載的需要改變供往系統的流量，而保持系統壓力基本不變，減少系統發熱、提高效率。并聯泵組采用同樣結構、同樣設定、同樣參數，負載實現均勻分布，提高了泵的使用壽命。

蓄能器組系統經單向閥連接供油機泵組，此蓄能器組作為輔助油源時，可與主供油機泵組一起輸出流量滿足模型支撐機構3 (°)/s快速運動的需要；作為應急油源時，在主供油機泵組突然失壓的情況下，其蓄積的高壓油應能使模型支撐機構從可能的最大迎角快速回到0°。

1.2 液壓伺服系統

雙級缸在綜合負載與壓桿穩定性因素下，結構尺寸已固化確定，但油缸兩腔面積比超大(第一級兩腔面積比約為1∶11，第二級兩腔面積比約為1∶8)。通常非對稱缸是用對稱伺服比例閥控制的，由于非對稱缸兩腔的有效作用面積不等，使流經液壓缸兩腔的流量不相等，而對稱伺服比例閥的4個控制邊是相同的，這就使得對稱伺服比例閥兩對節流窗口的閥壓降不同，造成活塞桿伸出、縮回兩個方向運動時的流量增益不等，因而使系統的靜、動態特性出現較大差異，產生嚴重的非線性。更嚴重的問題是當活塞桿運動方向改變時，液壓缸兩腔的壓力同時發生突變，這種壓力突變極易引起油缸腔室的氣蝕或超壓[4]。

為提高非對稱缸的控制性能，伺服比例閥兩節流邊的面積梯度比與油缸兩腔面積比應盡量接近。而目前伺服比例閥標準產品中閥兩節流邊的面積梯度比以1∶1、1∶2、3∶4居多，根本沒有與1∶8、1∶11接近的產品。綜合上述因素，伺服閥組系統不采用三位四通閥控制油缸兩腔，改為采用三位三通閥[5]，利用2只三位三通閥分別控制油缸大小腔，有效解決面積比不匹配導致的控制性能問題[6]。

1.3 電控系統

液壓伺服系統的電控系統采用“一個XM42運動控制器+兩個S20兩軸模塊+伺服比例閥”的分布式控制方案，實現油缸同步運動、位置和速度控制、系統狀態監測及安全邏輯控制等。XM42和軸控制模塊之間通過SERCOSⅢ總線通信，構成一個相對獨立的驅動環網。XM42為SERCOSⅢ主站設備，S20兩軸模塊為從站設備，SERCOS Ⅲ在主站和從站均采用特定的硬件(FPGA)，減輕主CPU的通信任務，并確保了快速的實時數據處理和基于硬件的同步。整個網絡可以達到小于20 ns的同步精度以及小于 100 ns的實時性。

2 電液伺服系統詳細設計

2.1 油源系統

配置10臺主回路電機泵組和1臺控制油回路電機泵組，主回路10臺電機泵組并聯(10臺機泵組可根據彎刀支板的速度需求靈活組合投入使用)，一起給兩并聯雙級缸供油。10臺恒壓變量泵2采用DP同步變量控制方式的恒壓變量油泵，先導壓力控制油口匯合后，連接一只外置的比例溢流閥5。比例溢流閥設定所有泵的恒壓點，實現變量泵恒壓點的遠程無級調節。每臺泵出口均安裝一只溢流閥3，用于油泵空載狀態下的啟停，也可以作安全閥使用。控制油回路機泵組采用DR控制方式恒壓變量泵7，泵出口依次布置溢流閥8、單向閥9，由泵上集成的恒壓閥設定控制油壓力，泵出口的溢流閥可以實現泵空載啟動，也可以作為安全閥使用。控制油路上配置2個蓄能器模塊，可用于控制油路失壓情況下提供控制油。原理如圖1所示。

圖1 油源系統原理

2.2 液壓伺服系統

左側油缸液壓伺服系統和右側油缸液壓伺服系統完全相同，以左側為例介紹，主要包括第一級(缸筒側)控制單元和第二級(活塞桿側)控制單元。第一級(缸筒側)控制單元原理如圖2所示。

圖2 第一級(缸筒側)控制單元原理

2套并聯伺服控制回路A口均與一級缸無桿腔相連，2套回路分別采用NG25伺服閥1和NG50伺服閥2，NG25伺服閥1在0.2～1 (°)/s連續變迎角流量需求下使用，NG50伺服閥2在2 (°)/s的階梯變迎角流量需求下使用，NG25伺服閥1和NG50伺服閥2一起在3 (°)/s緊急回零最大流量需求下使用。鑒于油缸活塞桿始終受壓，每套伺服控制回路A口與一級缸無桿腔之間設置二通插裝閥3，保證油缸無桿腔雙向鎖緊，二通插裝閥采取帶主動控制蓋板、插裝件選用帶O形密封圈和阻尼頭的錐閥件。主動控制蓋板能夠調節啟閉時間和閥芯最大開度，有效消除大流量油液快速啟閉時產生的沖擊。主動控制蓋板為先導控制，采用梭閥4采集無桿腔A路壓力和X路壓力，經過選擇高壓油路供向電磁提升閥5，實現二通插裝閥主動控制。另一套伺服控制回路A口與一級缸有桿腔相連，回路采用的NG10伺服閥6 B口封堵。控制單元中在一級缸無桿腔、有桿腔油路分別設置安全閥7，消除壓力峰值避免沖擊；另外在一級缸有桿腔油路設置單向補油閥8，防止有桿腔吸空。

第二級(活塞桿側)控制單元原理配置基本與第一級控制單元相同，主要區別為在二級缸無桿腔油路增設缸旁安全閥組，原理如圖3所示，缸旁安全閥組采用由二通插裝閥1和先導控制油路構成的鎖緊回路；另外增加由電磁球閥2與節流孔3構成的預起回路，預起回路與鎖緊回路并聯。此設置可有效解決如下問題：受空間限制，只能將第一級控制單元集成在一級缸缸底，而第二級控制單元只能布置在就近支架閥臺上，由于油缸運動且存在擺動，二級缸不可避免需采用軟管連接，且管路較長、容腔較大。缸旁安全閥組體積較小，可集成在二級缸上，入口為長軟管，出口通過短硬管與二級缸無桿腔油口連接，因此其鎖緊回路可以實現二級缸的安全鎖緊，而不受前端軟管可靠性的影響；而預起回路可在鎖緊回路的二通插裝閥開啟前實現預先開啟，壓力平衡后再開啟二通插裝閥，有效消除大流量沖擊。而基于活塞桿受壓工況，二級缸有桿腔不需增設此復雜閥組。

圖3 第二級(活塞桿側)控制單元原理

此外，左側油缸液壓伺服系統和右側油缸液壓伺服系統的第二級(活塞桿側)控制單元之間設置聯通回路，原理如圖4所示。聯通回路主要由二通插裝閥1和先導控制油路構成，二通插裝閥開啟時，將兩側油缸的第二級無桿腔連通，可采用一個第二級控制單元控制；二通插裝閥關閉時，兩側的第二級油缸互聯油路斷開，可分別采用對應的第二級控制單元做主動控制。此設置可有效解決如下問題：此系統兩并聯雙級缸驅動的彎刀支板，結構剛度較大，當導軌副安裝間隙較小時，可將二通插裝閥開啟，采用一個第二級控制單元控制左右油缸第二級，保證兩側油缸出力相同，且運動同步；如果軌道副安裝間隙過大或后期使用中變大，需油缸經同步控制來提供額外剛度的情況下，可將二通插裝閥關閉，各級油缸均做主動同步控制達到控制效果。

2.3 電控系統

電控系統控制框圖如圖5所示。XM42集運動控制與邏輯控制于一體，實現油缸運動控制、系統狀態監測及安全邏輯控制等。單級油缸單軸控制，由XM42內集成的針對液壓應用特有的單軸控制器，實現單級油缸位置閉環控制、內環速度控制、狀態反饋/主動阻尼控制、速度前饋控制、比例閥特性補償等；雙級缸并聯同步控制，利用XM42的同步模式，采取平均值同步控制的方式，生成虛擬同步控制軸，以兩根油缸的實時位置的平均值作為同組兩油缸的實時位置指令，使運動控制過程中的位置偏差最小化，同時優選利用XM42虛擬同步軸比例積分控制，設置虛擬軸的比例積分環節參數，對單軸液壓軸進行補償，可以對單獨的每一根液壓軸匹配合適的控制參數，保證最終控制效果。邏輯控制通過S20IO子站配置相應的模擬量和數字量模塊，實現伺服比例閥使能和狀態監控，外控鎖緊閥的通斷、接近開關狀態等信號的采集監控等功能。

圖5 電控系統控制框圖

3 仿真分析

作者先后開展了兩種運動速度下(1、2 (°)/s)仿真分析(3 (°)/s時無定位精度要求)，仿真得出彎刀支板的運行速度、定位精度均滿足要求。以彎刀支板角速度1 (°)/s從-20°運動到20°仿真為例，油缸速度曲線如圖6所示。

圖6 角速度1 (°)/s時油缸速度曲線

由圖6可以看出：在整個運動過程中，油缸運行速度平穩。

油缸位移曲線如圖7、8所示，可以看出：定位誤差在冗余時間0.9 s后達到1 mm以內，即彎刀定位精度達到0.01°以內，最終定位精度可以達到0.2 mm。

圖7 油缸指令位置與實際位置對比曲線

圖8 油缸指令位置與實際位置對比曲線局部放大圖

4 試驗驗證

此電液伺服系統于2022年2月研制完成后，專門搭建模擬平臺進行試驗驗證，模擬平臺利用配重質量塊模擬彎刀機構的大慣量，利用質量塊斜坡滑行摩擦力來模擬大負載與活塞桿受壓工況，利用框架兩側約束模擬彎刀機構導軌約束，利用坡道斜角模擬油缸運動角度的變化，如圖9所示。

圖9 試驗驗證現場實物

驗證效果良好，定位精度存在較大裕度，最大實時同步誤差0.95 mm，轉化為大旋轉半徑下引起的橫向角幾乎可以忽略不計，待彎刀部段研制完成后即可開展聯裝運行。試驗驗證測試數據詳見表1。

表1 試驗驗證測試數據

5 結論

用于兩并聯雙級油缸的電液伺服系統，較好地滿足大慣性、大載荷、大流量跨度的特殊工況，并有效解決油缸兩腔面積比超大的可控性、兩并聯雙級油缸的同步性與精確定位能力、系統運行安全性等關鍵問題，取得了良好的驗證效果，可為今后類似系統設計提供一定參考。