一体化数字液压作动器测控系统设计

作者与研究发表情况

本文题为《一体化数字液压作动器测控系统设计》，作者为陈佳、邢继峰、曾晓华，隶属 “海军工程大学 动力工程学院”，文献来源于期刊《液压与气动》，发表时间为2014年第7期。文献的DOI为10.11832/j.issn.1000-4858.2014.07.017。

背景与研究目的

近年来，航空航天、国防工业以及武器装备等领域对作动系统集成化、高效化、稳定性以及低噪声的需求日益增长。然而，传统电液伺服系统在性能与效率上均未能满足这一需求，使得基于功率电传的新型作动系统成为国内外研究热点。以电液一体化作动器（EHA，Electro-hydraulic actuator）为代表，该技术因其具有技术风险低、比功率大、结构灵活等优点，受到了广泛关注。本研究旨在提出一种新型的基于数字液压技术和变频调速的泵阀联控一体化作动器系统，并设计相应的测控系统，对其性能进行测试，为未来的优化设计与技术发展提供研究基础和数据支持。

实验设计与研究流程

1. 系统设计思路

研究首先提出了一种基于数字液压和变频控制技术的泵阀联控的数字液压作动器系统设计方案。该作动器分为两个关键部分： - 恒压泵源：由交流伺服电机驱动，联动定量泵，通过变频调速维持恒定系统压力。 - 数字液压缸：集成控制阀与反馈元件，通过接受控制器规划的脉冲信号，进行精准的位移和压力控制。

该设计实现了高度的系统集成，并通过优化能源匹配，提高工作效率，减少溢流噪声，并有效降低系统复杂性。

2. 液压与测控系统硬件构成

液压系统包含多种动力元件和辅助元件，包括空气滤清器、过滤器、液压缸、蓄能器等，力求实现油源高度集成化以减小体积。此外，测控系统依托作动器本体资源，结合西门子S7-224XP PLC、艾默生Unidrive SP2403伺服电机驱动器以及工控计算机，设计了一套测控网络系统。

• 控制架构采用星型网络拓扑，工控计算机作为主控单元，通过RS232-RS485通讯与PLC及伺服驱动器实现数据交互。
• 传感器布局方面，系统选用了位移传感器、电容式加速度传感器、压力传感器、涡轮流量计以及温度传感器，能全面监测运行参数，支持系统性能优化。

3. 软件设计方案

测控系统的软件平台基于LabVIEW开发，分为三个模块： - 监控模块：进行串口及USB通讯，实现实时数据采集。 - 数据处理模块：对采集到的数据进行滤波、信号变换等分析处理，并以曲线形式实时展示，同时保存测试数据。 - 参数设置模块：支持系统各关键变量的初始化设置与传感器标定。

在PLC程序中设计了包括手动、自动和归零模式在内的五种工作方式，其中自动模式可根据输入信号类型（如正弦波、方波等）灵活调整运行参数，使液压缸能够进行相应的运动轨迹控制。

研究结果与分析

1. 液压系统运行状态

实验装置中的试验平台虽然尚处于无负载状态，但通过输入正弦信号测试了液压缸的动态响应能力。结果表明，系统能够按照输入的信号幅值与周期精准生成脉冲序列，且液压缸输出曲线能够在一定误差范围内有效跟踪理想轨迹。

• 位移响应曲线：位移误差在-3至3mm范围内波动，零位或方向切换时误差较大，主要由于液压缸换向间隙及泄漏问题。
• 压力响应曲线：伺服电机的转速控制能够稳定系统工作压力，在6±0.5 Mpa范围内波动，压力控制特性表现良好。

2. 功率效率特性

由于采用恒压变量控制，系统在液压缸处于静止状态时输入功率较小。当液压缸启动时，伺服电机能迅速响应流量需求，调整转速以确保系统压力输出稳定。这种基于需求的流量匹配降低了溢流损耗，实现了高效节能。

结论与应用价值

本研究发展了一种集成化数字液压作动器系统，并通过其测控系统的成功设计和测试，为未来的工业应用提供了科学依据和实验基础。研究具有以下意义与价值：

1. 科学价值：

   • 提供了一种将数字液压技术和变频控制理念相结合的新型设计，充分证明了数字液压作动器结构在减少复杂度和提高可靠性上的优势。
   • 验证了通过软硬件结合实现灵活测控的可行性，并为后续的技术发展提供了创新思路。

2. 工程应用价值：

   • 本设计方案在航空航天、军事装备等领域具有广泛的应用潜力。高度集成的小型化设计有助于减少空间占用，适应严苛环境。
   • 面向复杂作动系统的高效节能特性，为未来装备升级提供了可靠参考。

3. 技术推广价值：

   • 本文的方法论可以广泛用于其他数字液压系统的优化研究，如与EHA结构集成化设计的技术延展探索。

研究亮点

• 高集成性与创新设计：泵阀联控的思路显著简化了传统电液伺服系统的结构，并通过变速技术进一步提高系统运行效率。
• 高灵敏测控系统：结合多种传感器与LabVIEW软件开发的测控手段，为数字液压系统全性能测试提供了硬件和数据支持。
• 实验验证支持理论模型优化：通过空载实验验证了系统响应特性、压力稳定性以及功能有效性。

参考文献

文章最后引用了国际国内多篇关于电液作动系统与数字液压技术的研究文献，包括祁晓野等科学家的功率电传作动系统研究（1999），以及国内外多项EHA设计与测试成果，结合自身试验结果，为该领域提供了详实的理论支撑和应用实践。