伺服運動控制器
關注創建者：匿名 創建時間：2022-03-08
伺服運動控制器的實例教程
一些閉環運動控制的應用很顯然需要運動控制器，然而一些人也可以通過使用PLC來實現閉環控制。當然，選擇何種控制方式常常難以定論。
當你可以使用PLC控制的時候，為什么還需要花錢去購買一個專用的電液運動控制器呢？答案很簡單。一般來說，考慮的因素包括使用數量，實現難度，可用時間，生產效率，精度要求以及經濟性等。做出何種決定往往是很模糊的。根據以往的經驗，我知道哪種類型的應用可以用PLC，哪種不適用。
對于大多數的控制系統設計者來說，成本是首當其沖的想法。最簡單的辦法就是購買帶有模擬量輸入和輸出的PLC用于各種軸的控制，還可以帶有一些數字I/O，接著就可以編程了。通常都是從最簡單的比例控制開始，甚至PID控制塊都不需要。這就是目前市面上大多數的液壓伺服控制的做法，人們接受液壓的培訓很多，但也僅限于此。
模擬量的反饋必須轉化縮放為位置單位。然而，我很奇怪的是，在一些PLC論壇里，很多的人在咨詢如何把一個模擬量轉化為毫米或英寸。如果編程的工程師在問，很顯然他啥也編不了。對輸入值比例縮放之后，很簡單的做法就是，從指令位置減去實際位置，差值乘以比例增益，該值作為模擬量的輸出至閥。就是這么簡單！
1. 該仿真顯示了當指令位置突然改變100mm時將會發生什么。控制輸出在100%飽和，執行器突然加速。實際位置則慢慢的接近100mm的目標值。
模擬量控制的PLC設置
PLC控制的一個挑戰發生在液壓缸的指令和實際位置相差很大的情況，因為此時輸出至閥的信號可能很大。結果就是液壓缸全速運動至指令位置。在指令位置的時候會發生什么就取決于增益和負載大小了。有時候液壓缸會平滑減速至指令位置，但是如果負載很大，也會產生超調，并帶有衰減振蕩。
關于此問題可以有多種解決方案。
展開 本文研究了一個閥控缸伺服系統的測試結果，該系統被設計用于電液運動控制的培訓項目。
研究油缸兩腔的瞬時壓力非常有趣，因為它揭示了液壓伺服系統某些固有特性或者叫奇怪現象。為了驗證運動控制系統的特性，我們研究了一個帶位置閉環控制的閥控缸的測試結果，見圖1。
該機構被設計用于一個特殊的電液運動培訓項目，油缸缸徑為2英寸，桿徑為1 3/8英寸，行程為6英寸，另外配置一個磁致伸縮線性位移傳感器用于位置反饋。負載為一個厚4英寸，直徑16英寸，重達250lb的飛輪。當3.5英寸的扭力桿垂直于活塞桿時，飛輪在油缸活塞桿端產生將近1500lb的等效質量。油缸與飛輪通過曲柄連接，如圖1右下所示。這樣的機械結構產生大約20Hz的自然頻率。曲柄機構的約束限定了油缸的最大動作行程在6英寸以下。
PC帶模擬量輸入和輸出的數據接口，利用其控制油缸運動。加速度，速度和位移曲線見圖1所示。利用PC程序的VCCM（Valve Control Cylinder Motion）指令中的曲線合成模塊（Profile Synthesizer module）對運動控制過程進行合成處理。采用比例控制，無積分或者微分控制環節。
圖1 位移，速度和加速度曲線
圖示左邊，用于示意在整個周期中如何控制伺服機構。右上圖，液壓原理示意解釋，而右下圖是一個簡化了的機械結構。控制初始階段，存在一個0.6s的初始駐留區（速度為零）。在接下來的0.28s，以18in./sec.2的加速度平穩加速。接著，有0.5s的勻速區，速度5.1in./sec（覆蓋大約2.5英寸的油缸行程）。接近油缸活塞桿伸出的終點，是0.28s的減速。終點位置保持0.5s。油缸活塞桿縮回的過程周期是對稱的，然而，其在停止運動后持續約0.5s。
展開 其用在開環傳遞函數就是：
此處：
OLTF:開環傳遞函數
K：開環增益
ζ：阻尼系數
L：拉普拉斯算子
ωn：自然頻率
如想要對液壓缸進行建模，了解其對控制信號的響應，該方程對我們的工程師來說就非常重要。開環增益也用于計算速度前饋增益，其與開環增益相互影響。
因此，如果我們想以250mm/s的速度來移動，而開環增益就是5（mm/s）/ %的話，我們目標速度（250mm/s）除以開環增益，就可以計算得到50%的控制輸出。直覺上就會告訴我們如果移動500mm/s就將得到100%的控制輸出。
流量系數
閥的流量系數Kvpl如上所述，用于計算穩態速度。如果穩態速度已知，你可以用VCCM方程計算閥的流量系數。閥的流量系數決定了閥的規格大小。伺服閥通常用額定流量，一般用升/分/（35的平方根）。閥通常是在額定壓降（70bar）來定義額定流量。然而，壓降是發生在兩個節流邊的-因此70bar必須除以二。
具有額定流量100L/min的閥，在35bar時具有的流量系數是：
你會發現，因為平方根的存在，計算單位顯得怪怪的。我想這就是為什么Jack Johnson決定在平方根的下面保留閥流量系數Kvpl 的平方，而不是把閥流量系數移至VCCM方程之前，如下所示。
把單位弄錯常常是導致誤差的來源。
當分析計算力的時候，其它型式的VCCM方程也許更有用。下面的型式對于計算油缸活塞和閥規格大小非常有用。
VCCM方程的發展
作為液壓運動控制器的設計者，活塞和負載在一個方向比另外一個方向移動得更快，對我來說是顯然的事情。即使在1980s，我們的液壓運動控制器已經把速度前饋增益剝離開來，用于補償伸出時開環增益和縮回時開環增益之間的差值。
展開 英文作者：Jack Johnson 電液控制專家
中文譯校：騰益登
*本文大約1758字，建議閱讀時間：~10分鐘*
本文研究了一個閥控缸伺服系統的測試結果，該系統被設計用于電液運動控制的培訓項目。
研究油缸兩腔的瞬時壓力非常有趣，因為它揭示了液壓伺服系統某些固有特性或者叫奇怪現象。為了驗證運動控制系統的特性，我們研究了一個帶位置閉環控制的閥控缸的測試結果，見圖1。
該機構被設計用于一個特殊的電液運動培訓項目，油缸缸徑為2英寸，桿徑為1 3/8英寸，行程為6英寸，另外配置一個磁致伸縮線性位移傳感器用于位置反饋。負載為一個厚4英寸，直徑16英寸，重達250lb的飛輪。當3.5英寸的扭力桿垂直于活塞桿時，飛輪在油缸活塞桿端產生將近1500lb的等效質量。油缸與飛輪通過曲柄連接，如圖1右下所示。這樣的機械結構產生大約20Hz的自然頻率。曲柄機構的約束限定了油缸的最大動作行程在6英寸以下。
PC帶模擬量輸入和輸出的數據接口，利用其控制油缸運動。加速度，速度和位移曲線見圖1所示。利用PC程序的VCCM（Valve Control Cylinder Motion）指令中的曲線合成模塊（Profile Synthesizer module）對運動控制過程進行合成處理。采用比例控制，無積分或者微分控制環節。
圖1 位移，速度和加速度曲線
圖示左邊，用于示意在整個周期中如何控制伺服機構。右上圖，液壓原理示意解釋，而右下圖是一個簡化了的機械結構。控制初始階段，存在一個0.6s的初始駐留區（速度為零）。在接下來的0.28s，以18in./sec.2的加速度平穩加速。接著，有0.5s的勻速區，速度5.1in./sec（覆蓋大約2.5英寸的油缸行程）。接近油缸活塞桿伸出的終點，是0.28s的減速。
展開 閉環控制
圖2 閥控，電液位置閉環典型結構
圖2所示的系統闡釋了位置伺服機構，這是我們討論最終落腳點。圖2中的油缸提供負載力fL，而其位置與一個位置傳感器相連，傳遞函數為H，作為反饋信號。H值為電壓，進入誤差比較器，與指令信號電壓C做比較。誤差信號E輸送至伺服/比例閥放大器，從而推動閥芯運動。
只要誤差信號不是零，閥將持續運動，導致油缸推動負載，直至指令信號與反饋信號相等。此時，誤差為零，電流變為零，閥芯對中，負載和油缸停止。這就是它的工作原理。當然事實上，其會復雜很多。
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什么是運動控制器
運動控制器就是控制電動機的運行方式專用控制器：比如電動機在由行程開關控制交流接觸器而實現電動機拖動物體向上運行達到指定位置后又向下運行，或者用時間繼電器控制電動機正反轉或轉一會停一會再轉一會再停。運動控制在機器人和數控機床的領域內的應用要比在專用機器中應用更復雜，
本文研究了一個閥控缸伺服系統的測試結果，該系統被設計用于電液運動控制的培訓項目。
研究油缸兩腔的瞬時壓力非常有趣，因為它揭示了液壓伺服系統某些固有特性或者叫奇怪現象。為了驗證運動控制系統的特性，我們研究了一個帶位置閉環控制的閥控缸的測試結果，見圖1。
該機構被設計用于一個特殊的電液運動培訓項目，油缸缸徑為2英寸，桿徑為1 3/8英寸，行程為6英寸，另外配置一個磁致伸縮線性位移傳感器用于位置反饋
摘要
本文討論電液伺服控制系統的諸多計算，并闡述了VCCM公式的含義。
正文
比例或伺服閥的性能特性與具體機器應用特性的匹配需要至少兩方面的設計步驟：
1.閥和油缸必須選擇合適的規格尺寸，確保油缸能提供足夠的力給負載。同時，也需要考慮滿足最糟糕的情況下力和速度設計的目標要求。
2.閥和執行元件具有足夠的帶寬（頻率響應），精確地在目標值調整輸出（譬如讓我們假定為油缸位置
一些閉環運動控制的應用很顯然需要運動控制器，然而一些人也可以通過使用PLC來實現閉環控制。當然，選擇何種控制方式常常難以定論。
當你可以使用PLC控制的時候，為什么還需要花錢去購買一個專用的電液運動控制器呢？答案很簡單。一般來說，考慮的因素包括使用數量，實現難度，可用時間，生產效率，精度要求以及經濟性等。做出何種決定往往是很模糊的。根據以往的經驗，我知道哪種類型的應用可以用
VCCM用于閥控缸運動。該術語由Jack Johnson提出，但是該方程本身已經以不同的表達方式存在了很長一段時間了。VCCM方程具有很多用途，但是其最明顯的就是當伺服閥全開口的時候決定油缸活塞與負載的最大穩態速度。VCCM可以正確的預知各個方向的穩態速度，而“速度取決于流量（flow makes it go，等式為υ=Q/A）”的方程卻做不到。有趣的是，牛頓在他的三大運動定律中并沒有涉及到流體運動
英文作者：Peter Nachtwey, Delta Computer Systems
翻譯校正：騰益登
前言
聰明的選擇和使用你的閥，才能實現精密的控制。本文著重討論了零位特性對精密運動控制的影響，同時對于在伺服系統中如何使用平衡閥或鎖止閥做了詳細分析。
正文
良好的控制性能需要的不僅僅是良好的運動控制器，甚至最好的控制器也無法彌補拙劣的系統原理設計和元件選型
英文作者：Jack Johnson 電液控制專家
中文譯校：騰益登
*本文大約1758字，建議閱讀時間：~10分鐘*
本文研究了一個閥控缸伺服系統的測試結果，該系統被設計用于電液運動控制的培訓項目。
研究油缸兩腔的瞬時壓力非常有趣，因為它揭示了液壓伺服系統某些固有特性或者叫奇怪現象。為了驗證運動控制系統的特性，我們研究了一個帶位置閉環控制的閥控缸的測試結果
作者：Prof A R Plummer，University of Bath
翻譯整理：騰益登
金屬3D打印的優勢：
金屬3D打印相對來說可以更容易的制作更加復雜的液壓元件，可按需添加金屬材料。
幾何結構優化，滿足設計要求，不受常規材料去除加工制造要求。
可實現元件數量的減少，裝配簡化，從而減少成本，提高可靠性。
對于小批量制造，節約制造成本
