由PLC控制的电液步进式液压缸

数字式电液步进液压缸是由步进电机和液压力放大器组成的，其输出力可达上万牛顿。因此，常用于重型精密机械的伺服进给系统中，如轧钢机的压下机构和轧辊磨床的进给机构。液压力放大器是一个直接位置反馈式液压伺服机构，由控制滑阀、液压缸和螺杆-螺母反馈机构组成，见图l。当步进电机在输入脉冲的作用下转过一个步距角时，经齿轮带动滑阀的阀芯旋转，由于活塞尚未移动使滑阀的阀芯产生一定的轴向位移，阀口打开，压力油进入液压缸使活塞外伸同时反馈螺母带动滑阀的阀芯退回零位，活塞停止运动。如果连续输入脉冲电液步进液压缸即按一定的速度外伸，改变输入脉冲的频率即可改变活塞的速度。

电液步进液压缸是增量式数字控制电液伺服元件，即步进电机作电信号一机械位移的转换元件。图2是增量数字控制电液伺服元件的控制方框图。微机发出控制脉冲序列经驱动电源放大驱动步进电机运动：步进电机的运动严格与液压力放大器的运动成比，即微机的控制脉冲严格控制电液步进液压缸的运动：电液步进液压缸的位移与控制脉冲的总数成正比；而电液步进液压缸的运动速度与控制脉冲的频率成正比因此，电液步进液压缸的控制就在于步进电机的控制步进电机可以采用微计算机或可编程控制器(PLC)进行控制。PLC具有通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点。因而目前绝大部分采用液压传动的系统，如大型组合机床、加工中心、轧钢机的压下机构和轧辊磨床的进给机构等均采用PLC控制技术；而电液步进液压缸的PLC控制只占用PLC的3～5个I／O接口及几十Bit的内存，且可以省去电液步进液压缸的控制微机使控制系统简洁、成本显著下降，可靠性大大提高，更显示出其卓越的性能。

1 电液步进液压缸的PLC控制方法

电液步进液压缸的控制主要有三个因素：

(1)活塞行程控制。由电液步进液压缸的工作原理和特性可知电液步进液压缸的活塞位移正比于所输入的控制脉冲个数；因此可以根据电液伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数：

n＝ΔL/δ (1)

式中：△L —电液伺服机构的位移量(mm)；

δ—电液伺服机构的脉冲当量(mm／脉冲)。

(2)活塞速度控制。电液步进液压缸的活塞速度取决于输入的脉冲频率；因此可以根据电液伺服机构的速度，确定其PLC输出的脉冲频率：

f=Vf/60δ (2)

式中：Vf—电液伺服机构的进给速度(mm／min)。

(3)活塞运动方向控制。电液步进液压缸的运动方向由步进电机的转向进行控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向；如三相步进电机通电顺序为A—AB—B—BC—C一CA—A⋯时步进电机正转；当绕组按A—AC—C—CB—B—BA—A⋯顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。

2 电液步进液压缸的伺服控制、驱动及接口

2．1 电液步进液压缸控制系统的组成

电液步进液压缸的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电机功率驱动器组成，其结构见图3。控制系统中PLC用来产生控制脉冲；通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制电液步进液压缸的运动；同时通过编程控制脉冲频率，既电液步进液压缸活塞的速度；环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环行分配器，也可以采用硬件环行分配器。采用软环占用的PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数M >4时，对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I／O口点数，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动器将PLC输出的控制脉冲放大到几十～上百伏特、几安～十几安的驱动能力。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几～几十伏特、几十一几百毫安。但对于功率步进电液压英才网用心专注、服务专业

机则要求几十～上百伏特、几安～十几安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。

2．2 可编程控制器的接口

如电液步进液压缸采用硬件环行分配器，则占用PLC的I／O口点数少于5点，一般仅为3点。其中I口占用一点，作为启动控制信号；O口占用2点，一点作为PLC的脉冲输出接口，接至伺服系统硬环的时钟脉冲输入端，另一点作为步进电机转向控制信号，接至硬环的相序分配控制端，伺服系统采用软件环行分配器时，其接口如图5。

3 电液步进液压缸PLC控制的软件逻辑

由电液步进液压缸的PLC控制方法可知，应使步进电机的输人脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器；对于频率较低的控制脉冲可以利用PLC中的定时器构成，如图6所示。脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器C10。当脉冲数达到设定值时，计数器C10动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。电液步进液压缸的步进电机无脉冲输入时便停止运转，电液步进液压缸活塞定位。电液步进液压缸速度要求较高时，可以用PLC中的高速脉冲发生器。不同的PLC其高速脉冲的频率可达60O0～10000Hz。对于的电液步进液压缸动态特性，其频率可以得到充分满足。

4 应用实例与结论

(1)对PLC控制的电液步进液压缸开环伺服机构进行了测试，其性能完全可以满足系统的技术要求。控制软件结构合理，接口可靠。

(2)将PLC控制的电液步进液压缸用于某大型生产线的数控滑台，每个滑台仅占用4个I／O接口，节省了微机控制系统，进给速度为Vf=0.1-2.2m／min，完全满足工艺要求和加工精度要求，工作可靠。

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