一种新型数字液压缸的研究
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２０００．
收稿时间：２００４—０４—２２
本文介绍的新型数字液压缸，具有结构紧凑、可 靠性高、使用调试简单等优点。特别重要的是这一技 术能使液压伺服控制这一需要专门人员（自动控制 和液压技术）开发和调试的复杂技术问题，变为一 般专业技术人员可以掌握的简单问题。所以，发展潜 力非常巨大。
图５使用数字液压缸的六自由度运动平台 目前，这种新型数字液压缸已应用于六自由度运 动平台的研制中，图５为我们使用这种新型数字缸研 制的全数字六自由度运动平台，解决了六自由度运动 平台可靠性、稳定性和可维护性等伺服液压系统中长 期存在的问题，证明这种新型数字液压技术是可行的。 参考文献 【１】王春行．液压控制系统．机械工业出版社，１９９９． 【２】楼顺天，于卫．基于ＭａⅡａｂ的系统分析与设计一控 制系统．西安电子科技大学出版社，２０００．９． 【３】吴韫章．自动控制理论基础．西安交通大学出版社，
压缸的往复运动；另一个作用是将输入力（矩）进
二是解决了模拟信号在传输过程中的干扰问题，使控
行了充分的放大。液压缸的行程与步进电机的输入脉
制系统更加稳定。
冲成正比，运动方向由步进电机的转动方向控制，而
但是，这种直接控制阀，控制的是阀口的开度大
其运动速度与输入脉冲的频率成比例。因此可将非常
小。而在实际的液压系统中，阀门往往还要控制液压
之＋＝‰２＋ｓ＋Ｋ，＝ｏ
（５）
万方数据
《机床与液压》２００５．Ｎｏ．８
＾．１３５ 罐－ｌ舳 霹
．２２Ｓ －２７０
１
图４数字缸系统的开环伯德图 应用劳斯稳定判据，得系统稳定的条件为：
Ｋ
上＜２彘或瓦＜２＆∞＾
Ⅲ＾
对于本系统，由于Ｋ＝９．４２，２鼠∞＾＝２×０．３× ３２＝１９．２，显然满足稳定性要求。从伯德图中可看 出，增益裕量为１２ｄＢ，相位裕量为８３ ｏ。 ４结束语
数字液压缸的输入转角ｐ。液压缸位移菇。和滑 阀阀芯位移筏之间的关系为：
，
ｚ。＝ｉＬ（眈一Ｊｊ｝一。）
（２）
‘１Ｔ
’‘
式中：￡一螺杆导程；
．ｊ｝厂齿条和齿轮的传动比。
假设以惯性负载为主，根据液压控制系统原
１ 结构原理
理¨ｏ，液压缸活塞输出：
数字液压缸是一种带机械 反馈的液压伺服机构，其结构 如图１所示，原理如图２所
复杂的液压伺服闭环控制问题变为简单的步进电机开
缸等执行机构，最终控制的是液压缸的位置和速度。
环控制。
为此需要采集液压缸的位置和速度信号，通过一定的
２数字缸的数学模型
控制算法后输出脉冲信号来控制阀的开度达到所需要
步进电机输入脉冲与输出转角的关系为：
的液缸位置和速度。这一闭环系统带来的系统复杂、
目。＝Ｋｎ
齿条齿轮传动比：２０叮Ｔｍｄ／ｍ 液压缸活塞有效面积：Ａ。＝０．００１ｍ２
液压缸总压缩容积：Ｋ＝０．００５４ｍ３
液压缸活塞及负载的质量：ｍｌ＝６０００ｋｇ 设阻尼比邑＝０．３。
据此可作出系统的开环伯德图心］，如图４所示。 闭环系统的特征方程为：
Ｇ（ｓ）日（ｓ）＋１＝０ 将（４）式代人上式得：
．３
，＇亡
Ｋ唧ｒｄｓ： ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｄｉｇｉｔａｌ ｐＩｌｌｓｅ，明ｄ ｔｈｅ“ｔｅＨｎｉｎａｌ ｔａｒｇｅｔ ｃｏｎｔｍｌ”ｗ船ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ． Ｈｙｄｒａｌｌｌｉｃ ｃｏｎｔｍｌ； Ｄｉ西ｔａｌ； Ｔｅ肌ｉｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ
随着计算机技术的日益发展，“模拟”技术正逐
铲争—。一筹紊㈣去ｊ，ｉ凡
（３）
示。它由步进电机、四边滑图ｌ数字液压缸结构
５０∞磊＾ ＋刁∞＾¨’
万方数据
·１ຫໍສະໝຸດ Baidu６·
式中：ｐ。一油液体积弹性模量；Ａ。一液压缸活塞有效 面积；Ｋ一液压缸总压缩容积；Ｋ。一总流量压力系 数；Ｋ一阀的流量增益；∞。一液压固有频率，∞。＝
倦％一液压阻尼比＇弘糯；旷液压
缸活塞及负载的质量。 由式（１）～（３）可画出数字液压缸的方框图，
（１）
滞后和非线性等问题，使直接控制技术带来的好处大 打折扣。
本文介绍一种新型数字液压缸，这种数字缸将数 字阀、反馈机构、缸体等作为一个整体进行集成。数 字脉冲控制的是液压缸的位 置、方向和速度，而不是数字 阀的阀口，使控制系统大大简 化，可靠性提高，从而实现了 终点目标控制。
式中：ｎ一步进电机的输入脉冲数；疋一步进电机的 步距角；ｐ。一步进电机的输出转角。
如图３所示。
图３数字液压缸方框图
３系统稳定性分析
稳定性是控制系统正常工作的必要条件，因此它 是系统最重要的特性。
令Ｇ（ｓ）为前向通道的传递函数，日（ｓ）为反馈通 道的传递函数。由图３可得系统开环传递函数为：
Ｇ（ｓ）日（ｓ）ｓ＝（—乓了＋Ｊｉ二『毡罟＋１一）
（４）
∞： ∞＾
式中：气一开环放大系数（也称速度放大系数），Ｋ
《机床与液压》２００５．Ｎｏ．８
·１４５·
一种新型数字液压缸的研究
邢继峰，曾晓华，彭利坤
（海军工程大学动力工程学院，武汉４３００３３）
摘要：介绍了一种新型数字液压缸，通过数字脉冲直接控制油缸的位置、速度和方向，实现了终点目标控制。
关键词：液压控制；数字；终点控制
中图分类号：ＴＧｌ５６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１（２００５）８一１４５—２
阀、液压缸、反馈机构组成。步进电机的输入转角口。
渐被“数字”技术所取代。液压领域也不例外，传 统的液压控制主要是开关控制、比例控制和伺服控
经阀芯端部的螺杆螺母 副变成阀芯位移髫。，使
制。其中伺服控制一般采用闭环控制方式，计算机需
阀芯与阀套间形成开
要使用Ａ／Ｄ采集信号和通过Ｄ／Ａ输出信号。目前国 内外液压领域的数字化研究主要是直接数字控制阀的
一！坠
一２以。。
（４）式中含有一个积分环节，因此系统是Ｉ型 伺服系统。
已知一数字液压缸的参数如下。
滑阀面积梯度：埘＝０．６８×１０～ｍ
流量系数：Ｃ。＝Ｏ．６５
油液密度：ｐ＝８８０ｋｇ／ｍ３
供油压力：ｐ。＝１０ＭＰａ
油液体积弹性模量：危＝６９００×１０５Ｐａ 步进电机的步矩角为（１０细分）Ｋ。＝０．００３１ 反馈螺杆导程：扛０．３×１０。２Ｉｎ／ｒ
动复位。这样，液压缸的行程完全跟踪阀芯输入转角 （步进电机转角）运动。但是液压缸的输出力要比转
一大进步，它解决了液压系统计算机控制的两大问
动阀芯所需要的驱动力大得多。所以这种数字缸有两
题：一是控制脉冲直接作用于液压元件，不需要中间
个作用，一个作用是将步进电机的旋转运动变成了液
的Ｄ／Ａ转换，实现了真正意义上的“数字”控制；
口，控制进出液压缸的 液压油的流动方向和流 图２数字液压缸原理框图
研究。这种直接控制主要分为两类：一类是采用
量，液压缸按相应的方向运动，液压缸活塞行程戈。
ＰｗＭ技术的高速开关阀或比例阀的控制技术；一类
通过齿条齿轮带动反馈螺母旋转，通过螺杆使阀芯移
是通过步进电机直接驱动液压阀阀芯的控制技术。这 种直接控制技术的出现，不能不说是液压控制技术的
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ Ｎｅｗ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｈｙｄ咫ｌｌｌｉｃ Ａｃｔｕａｔｏｒ
ＸＩＮＧ Ｊｉ—ｆｅｎｇ，ＺＥＮＧ Ｘｉａｏ—ｈｕａ，ＰＥＮＧ Ｉｊ—ｋｕｎ （Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇ． Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｎａｖａｌ ＵｎｉＶ．ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｗｕｈａｎ ４３００３３， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｍｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｄｉ百ｔａｌ ｈｙｄｒａｌｌｌｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒ ｗａｓ ｉｎｔｍｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｔｏｒ ｗａｓ ｃｏｎｔｍｌｌｅｄ
收稿时间：２００４—０４—２２
本文介绍的新型数字液压缸，具有结构紧凑、可 靠性高、使用调试简单等优点。特别重要的是这一技 术能使液压伺服控制这一需要专门人员（自动控制 和液压技术）开发和调试的复杂技术问题，变为一 般专业技术人员可以掌握的简单问题。所以，发展潜 力非常巨大。
图５使用数字液压缸的六自由度运动平台 目前，这种新型数字液压缸已应用于六自由度运 动平台的研制中，图５为我们使用这种新型数字缸研 制的全数字六自由度运动平台，解决了六自由度运动 平台可靠性、稳定性和可维护性等伺服液压系统中长 期存在的问题，证明这种新型数字液压技术是可行的。 参考文献 【１】王春行．液压控制系统．机械工业出版社，１９９９． 【２】楼顺天，于卫．基于ＭａⅡａｂ的系统分析与设计一控 制系统．西安电子科技大学出版社，２０００．９． 【３】吴韫章．自动控制理论基础．西安交通大学出版社，
压缸的往复运动；另一个作用是将输入力（矩）进
二是解决了模拟信号在传输过程中的干扰问题，使控
行了充分的放大。液压缸的行程与步进电机的输入脉
制系统更加稳定。
冲成正比，运动方向由步进电机的转动方向控制，而
但是，这种直接控制阀，控制的是阀口的开度大
其运动速度与输入脉冲的频率成比例。因此可将非常
小。而在实际的液压系统中，阀门往往还要控制液压
之＋＝‰２＋ｓ＋Ｋ，＝ｏ
（５）
万方数据
《机床与液压》２００５．Ｎｏ．８
＾．１３５ 罐－ｌ舳 霹
．２２Ｓ －２７０
１
图４数字缸系统的开环伯德图 应用劳斯稳定判据，得系统稳定的条件为：
Ｋ
上＜２彘或瓦＜２＆∞＾
Ⅲ＾
对于本系统，由于Ｋ＝９．４２，２鼠∞＾＝２×０．３× ３２＝１９．２，显然满足稳定性要求。从伯德图中可看 出，增益裕量为１２ｄＢ，相位裕量为８３ ｏ。 ４结束语
数字液压缸的输入转角ｐ。液压缸位移菇。和滑 阀阀芯位移筏之间的关系为：
，
ｚ。＝ｉＬ（眈一Ｊｊ｝一。）
（２）
‘１Ｔ
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式中：￡一螺杆导程；
．ｊ｝厂齿条和齿轮的传动比。
假设以惯性负载为主，根据液压控制系统原
１ 结构原理
理¨ｏ，液压缸活塞输出：
数字液压缸是一种带机械 反馈的液压伺服机构，其结构 如图１所示，原理如图２所
复杂的液压伺服闭环控制问题变为简单的步进电机开
缸等执行机构，最终控制的是液压缸的位置和速度。
环控制。
为此需要采集液压缸的位置和速度信号，通过一定的
２数字缸的数学模型
控制算法后输出脉冲信号来控制阀的开度达到所需要
步进电机输入脉冲与输出转角的关系为：
的液缸位置和速度。这一闭环系统带来的系统复杂、
目。＝Ｋｎ
齿条齿轮传动比：２０叮Ｔｍｄ／ｍ 液压缸活塞有效面积：Ａ。＝０．００１ｍ２
液压缸总压缩容积：Ｋ＝０．００５４ｍ３
液压缸活塞及负载的质量：ｍｌ＝６０００ｋｇ 设阻尼比邑＝０．３。
据此可作出系统的开环伯德图心］，如图４所示。 闭环系统的特征方程为：
Ｇ（ｓ）日（ｓ）＋１＝０ 将（４）式代人上式得：
．３
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Ｋ唧ｒｄｓ： ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｄｉｇｉｔａｌ ｐＩｌｌｓｅ，明ｄ ｔｈｅ“ｔｅＨｎｉｎａｌ ｔａｒｇｅｔ ｃｏｎｔｍｌ”ｗ船ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ． Ｈｙｄｒａｌｌｌｉｃ ｃｏｎｔｍｌ； Ｄｉ西ｔａｌ； Ｔｅ肌ｉｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ
随着计算机技术的日益发展，“模拟”技术正逐
铲争—。一筹紊㈣去ｊ，ｉ凡
（３）
示。它由步进电机、四边滑图ｌ数字液压缸结构
５０∞磊＾ ＋刁∞＾¨’
万方数据
·１ຫໍສະໝຸດ Baidu６·
式中：ｐ。一油液体积弹性模量；Ａ。一液压缸活塞有效 面积；Ｋ一液压缸总压缩容积；Ｋ。一总流量压力系 数；Ｋ一阀的流量增益；∞。一液压固有频率，∞。＝
倦％一液压阻尼比＇弘糯；旷液压
缸活塞及负载的质量。 由式（１）～（３）可画出数字液压缸的方框图，
（１）
滞后和非线性等问题，使直接控制技术带来的好处大 打折扣。
本文介绍一种新型数字液压缸，这种数字缸将数 字阀、反馈机构、缸体等作为一个整体进行集成。数 字脉冲控制的是液压缸的位 置、方向和速度，而不是数字 阀的阀口，使控制系统大大简 化，可靠性提高，从而实现了 终点目标控制。
式中：ｎ一步进电机的输入脉冲数；疋一步进电机的 步距角；ｐ。一步进电机的输出转角。
如图３所示。
图３数字液压缸方框图
３系统稳定性分析
稳定性是控制系统正常工作的必要条件，因此它 是系统最重要的特性。
令Ｇ（ｓ）为前向通道的传递函数，日（ｓ）为反馈通 道的传递函数。由图３可得系统开环传递函数为：
Ｇ（ｓ）日（ｓ）ｓ＝（—乓了＋Ｊｉ二『毡罟＋１一）
（４）
∞： ∞＾
式中：气一开环放大系数（也称速度放大系数），Ｋ
《机床与液压》２００５．Ｎｏ．８
·１４５·
一种新型数字液压缸的研究
邢继峰，曾晓华，彭利坤
（海军工程大学动力工程学院，武汉４３００３３）
摘要：介绍了一种新型数字液压缸，通过数字脉冲直接控制油缸的位置、速度和方向，实现了终点目标控制。
关键词：液压控制；数字；终点控制
中图分类号：ＴＧｌ５６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１（２００５）８一１４５—２
阀、液压缸、反馈机构组成。步进电机的输入转角口。
渐被“数字”技术所取代。液压领域也不例外，传 统的液压控制主要是开关控制、比例控制和伺服控
经阀芯端部的螺杆螺母 副变成阀芯位移髫。，使
制。其中伺服控制一般采用闭环控制方式，计算机需
阀芯与阀套间形成开
要使用Ａ／Ｄ采集信号和通过Ｄ／Ａ输出信号。目前国 内外液压领域的数字化研究主要是直接数字控制阀的
一！坠
一２以。。
（４）式中含有一个积分环节，因此系统是Ｉ型 伺服系统。
已知一数字液压缸的参数如下。
滑阀面积梯度：埘＝０．６８×１０～ｍ
流量系数：Ｃ。＝Ｏ．６５
油液密度：ｐ＝８８０ｋｇ／ｍ３
供油压力：ｐ。＝１０ＭＰａ
油液体积弹性模量：危＝６９００×１０５Ｐａ 步进电机的步矩角为（１０细分）Ｋ。＝０．００３１ 反馈螺杆导程：扛０．３×１０。２Ｉｎ／ｒ
动复位。这样，液压缸的行程完全跟踪阀芯输入转角 （步进电机转角）运动。但是液压缸的输出力要比转
一大进步，它解决了液压系统计算机控制的两大问
动阀芯所需要的驱动力大得多。所以这种数字缸有两
题：一是控制脉冲直接作用于液压元件，不需要中间
个作用，一个作用是将步进电机的旋转运动变成了液
的Ｄ／Ａ转换，实现了真正意义上的“数字”控制；
口，控制进出液压缸的 液压油的流动方向和流 图２数字液压缸原理框图
研究。这种直接控制主要分为两类：一类是采用
量，液压缸按相应的方向运动，液压缸活塞行程戈。
ＰｗＭ技术的高速开关阀或比例阀的控制技术；一类
通过齿条齿轮带动反馈螺母旋转，通过螺杆使阀芯移
是通过步进电机直接驱动液压阀阀芯的控制技术。这 种直接控制技术的出现，不能不说是液压控制技术的
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ Ｎｅｗ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｈｙｄ咫ｌｌｌｉｃ Ａｃｔｕａｔｏｒ
ＸＩＮＧ Ｊｉ—ｆｅｎｇ，ＺＥＮＧ Ｘｉａｏ—ｈｕａ，ＰＥＮＧ Ｉｊ—ｋｕｎ （Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇ． Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｎａｖａｌ ＵｎｉＶ．ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｗｕｈａｎ ４３００３３， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｍｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｄｉ百ｔａｌ ｈｙｄｒａｌｌｌｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒ ｗａｓ ｉｎｔｍｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｔｏｒ ｗａｓ ｃｏｎｔｍｌｌｅｄ