REAX Xpac执行器与传统电液伺服执行器的比较

发布时间:2010-11-01  点击数:3146
    美国KOSO公司生产的REAX Xpac执行器是一种专门用于调节、由微处理器控制的成套式电液执行器和驱动器。它的调节性能与目前我们常见的电液伺服执行机构可以媲美。而其突出特点是使用专利的流量匹配系统(FlowMatchSystem),用泵驱动液压缸,一旦到达指定位置,泵电机停止工作且不需能量来维持该位置(就地锁位)。这种执行机构因流量匹配系统(FMS)突破了传统电液伺服执行机构的控制原理和结构,成为一种结构小巧、功能齐全、性能优越、成本较低的新型电液执行器。REXA电液执行器自20世纪90年代初于美国问世以来,就以其先进的设计思想、卓越的调节性能、可靠的工作品质而倍受关注。目前,REXA执行器已被广泛应用于电力、冶金、造纸、管道、石化、水处理等各个行业,成为改善过程控制品质、提高系统运行效率的又一切实有效的手段。
一、系统控制原理的比较
     图1所示为炼厂应用的典型的电液伺服执行机构位移控制系统。
   
     图1 电液伺服执行机构系统控制方框图
    电气控制系统是将输入信号与反馈信号进行比较,比较后的偏差信号加以放大和运算,输出一个与偏差信号成一定函数关系的控制电流,驱动伺服阀;电液伺服阀是电液转换、液压放大的流量控制元件;伺服油缸是执行元件;角位移传感器是反馈测量元件;液压油源是系统的动力部分。
    当电气控制系统的输入端接受4~20mA输入信号经规格化处理转换成0~10V电压信号,并同时接受位移传感器检测到的实际阀位信号经处理后也转换成0~10V电压信号,二者在伺服放大器中进行比较,其差值经放大后作为电液伺服阀的指令信号,驱动伺服阀,控制伺服油缸按指定的方向运动,以带动被控对象运动,直到输入信号与反馈信号偏差为零,伺服阀控制电流接近于零,无液压油输出,使其停止在与输入信号相对应位置上,达到位移与信号平衡。
    图2为REXA电液执行机构系统控制方框图,与上述系统的不同之处是,输入信号与反馈信号比较放大后控制的是伺服电机,通过调节伺服电机的转向和转速来控制定量泵转向和流量输出;根据设置的行程和信号范围,PCP把外部送入的控制信号转化为目标位置,执行器的当前位置通过装在执行器上的反馈组件测定。目标位置和当前位置间的差值为控制偏差。如果偏差超出了死区(用户设定),PCP将启动信号使电机重新启动,驱动油缸达到指定位置消除偏差。
  
     图2 REXA电液执行机构系统控制方框图
    虽然原理上都是闭环控制,但电液伺服放大器多采用模拟电路控制,PCP位置控制器则采用单片机控制,因此电液伺服控制电路相对复杂,控制精度及可靠性较低。
二、液压流程比较
    电液伺服控制液压流程,同多数液控流程一样,由油源、控制油路、主和辅助油路组成,按系统需要设置各种液压元件实现应有功能。由此必然使得系统庞大油路复杂。
    而REXA由专利的流量匹配系统(FMS)组成,油路极基简单,只有一对流量匹配阀和单向阀组成。其工作过程是:当执行机构的控制系统得到位置信号。液压泵由伺服电机或步进电机驱动,产生的压力油进入流量匹配阀1,同时打开它的单向阀,最后使得压力油进入油缸上腔推动活塞下行。当执行机构的控制系统得到相反的位置信号时,伺服电机或步进电机驱动液压泵反向旋转,使产生的压力油进人流量匹配阀2,同时打开它的单向阀,使得压力油进入油缸下腔推动活塞上行,这样执行机完成一个往复工作。当泵停下来后,2个单向阀均关闭。液压油留在缸内,马达不需要进行操作就可以使液压缸的位置保持不变。
三、结构比较
     电液伺服控制系统由于流程复杂,往往由较大的油箱、泵电机、过滤器、蓄能器、集成油路、若干油管、油缸、机械传动机构、伺服放大器等组成,使其结构重量大,安装使用不大方便。而REXA执行器包含两个主要部分,即执行器(缸和电液动力组件)部分和控制箱部分。执行器装在驱动装置上,控制箱远程安装。连接它们的是模块电缆和反馈电缆。如图3、4所示,执行器部分的核心是电液动力模块,该模块由马达、齿轮泵、流量配对阀、贮油箱、加热器、旁路螺线管(弹簧失灵单元特有)等构成。
  
     图3 REXA Xpac构成简图
    动力模块有B、C、1/2D和D四种规格。这些规格的动力模块均以2000psi(13.78MPa)的压力把油传递到液压缸,因为采用不同的泵电机其压力油的最大流量和由此使执行器产生的最大行程速度不同。再要更大的速度可采用将若干动力模块复合在一起的方法来获得。这种配置不仅提供了高度的通用性,而且可减少备件的库存量。其总重约是电液伺服控制系统的1/5。
     
    图4 线性执行器机械结构图
四、性能比较
    经下是REXA执行器性能指标:
   (1)控制型式:直线位移,角位移;
   (2)推力:8896~533760N(直线位移);
   (3)扭距:68~45194Nm(角位移);
   (4)速度:0.85~42mm/s,组件不同速度不同(直线位移);0.5~160S/90o,组件不同,速度不同(角位移);
   (5)死区:0.1% 。可利用PCP在0.1%~0.5%内调整;
   (6)定位精度:<0.15% ;
   (7)线性度:<0.05%;
   (8)重复性:<0.1% ;
   (9)自保位置:可在全行程范围内调整;失电时就地锁位。
   (10)工作温度:-12~93℃ ;
   (11)输入信号:4~20mA或24~120V;
   (12)功能:本地、远程自动、手动操作;各种防爆级别选定;加热器;快速功能等。
    与电液伺服控制执行器性能指标比较,可以看出REXA执行器能达到电液伺服控制执行器大多数指标。完全可以替代大多数电液伺服控制执行器。
五、功能实现
    (1)REXA执行器是由一个专门的微处理器位置控制处理器(Position ControlProcessor,PCP)所操控。在操作装置中有自动、设定和现场三种操作模式。在调整操作中。PCP处于自动模式中,其功能与传统的定位器类似。控制信号和执行器的位置显示在1个5位数的显示板之上,不断地进行比较。如果这些数值间的差值大于预先设定的死区(deadband),则电机会按规定方向旋转直至达到设定位置,控制信号一旦变化。它就能立刻响应。
    远程手动控制选项可以实现远程手动控制执行器。此时按需要选择3个交互选项:自动/远程(双位),开(暂时接触),关(暂时接触)。制箱按钮只允许手动控制执行器位置。
    (2)在设定模式中,PCP的校准是通过一个按使用者设定的操作参数的简单步骤进行的。速度、行程、死区和控制信号等可利用一个三键键盘和显示板进入PCP设定。这种从面板设定的方式节约了时间,而且往往是大部分限位开关和电位器很难做到的。输入的参数可保留在永久存储器中。对于特殊的和高难度的应用,也有象流速特性化曲线设定(flowcharacterization)和水锤抑制(双速)这样的较精密的控制功能提供选用。设定模式的使用资格,可以通过密码来做限制。在现场模式中可直接从PCP上的键盘设定Xpac的行程。显示板会显示执行器的位置。当前的控制信号和最后的偏差信号同样也将被显示出来。
   (3)离合式手轮连到了电机轴的输出端部。由于手轮使用与电机同样的液压回路,所以要求的力矩很低。在有高输出力或力矩的执行器上,用一个齿轮式曲柄摇臂机构替代手轮。齿轮式曲柄摇臂机构是由一个独立动力模块和曲柄摇壁构成,动力模块装有一个5:1的齿轮减速器。
   (4)限位开关安装在轴套上或安装在PCP里,也可同时安装。安装在轴套上的开关由执行器轴驱动且功能独立。安装在PCP里的开关闭合,击活一个报警继电器。PCP可以执行各种诊断功能。如果执行器不能执行控制信号,报警继电器就转变状态向主控室提供报警。
   (5)通过使用一个弹簧、螺线管和固态继电器,Xpac提供单方向快速动作。其位置可设定到端点或任一中间位置。使用一个显示位置的窗口和外部按钮,可以限制开启控制箱。按钮只允许手动控制执行器位置。
   (6)电液伺服执行机构能耗较大,成本较高,手动切换较复杂。而REXA执行器节能、成本较低、没有手动切换机构可直接手动操作。
六、结论
    从上述比较可以看出REXA执行器是集成了电动操作的简易性,液压的动力、固态电子的可靠性和用户配置操作的灵活性,从而简化了液压系统的使用、调节、诊断和维护的革命性技术,这一技术值得大力推广和国产化。      虽然REXA执行器有诸多优点,但从性能参数可看出,在大功率,大行程、大惯量,复杂的特性补偿方面无法实现。而传统电液伺服执行机构则有不可比拟的优势。

    参考资料
    [1] 关中范.液压传动系统[M].北京:机械工业出版社。1981. 
    [2]王春行.液压伺服控制系统[M].北京:机械工业出版社。1989