Preguntas y respuestas sobre control electrohidráulico

Descarga este artículo en formato . PDF

Jack Johnson ha trabajado con sistemas de control electrohidráulicos a lo largo de su carrera, incluido el diseño de dispositivos y la enseñanza de los fundamentos en la Escuela de Ingeniería de Milwaukee y como educador en talleres. También se desempeña como director del Instituto de Dinámica de Fluidos en la Escuela de Ingeniería de Milwaukee. Aquí se presenta una pequeña selección de preguntas y respuestas que se han repetido a lo largo de los años. Para obtener más información, póngase en contacto con él por Email .

P: Estoy confundido acerca de las válvulas servo y proporcionales porque la diferencia no parece clara.¿Cuál es exactamente la diferencia entre una servoválvula y una válvula proporcional?

A: Un término descriptivo común para este tipo de válvula es «válvula de control direccional hidráulica continuamente variable, eléctricamente ajustable». Los alemanes usan el término stetigventil, un tipo de válvula continuamente diferenciable, las servoválvulas y las válvulas proporcionales pertenecen a este tipo de válvula general. Desafortunadamente, no tenemos una sola palabra en inglés para referirse a estas válvulas. El término genérico debería ser «válvula proporcional», con dos subcategorías: servoválvulas y válvulas proporcionales.

El Instituto de Dinámica de Fluidos llevó a cabo un extenso proyecto de investigación para determinar cómo los usuarios diferencian entre válvulas proporcionales y servoválvulas. Usamos mejoras electrónicas para determinar qué tan bien una válvula proporcional puede actuar como una servoválvula. Se examinan las características de rendimiento, así como los métodos de construcción y fabricación. El discriminador más importante es la cantidad de superposición central. En última instancia, definimos las servoválvulas como aquellas con menos del 3 % de superposición central, mientras que las válvulas proporcionales tienen una superposición central del 3 % o más.

P: ¿Qué es la superposición de válvulas?

A: La superposición de disco o válvula es la cantidad de recorrido requerido para que el carrete se abra desde la posición central entre el puerto de entrada de energía y el puerto de trabajo (salida) o el puerto del tanque. Una válvula de superposición cero es cualquier pequeño desplazamiento del carrete que, de cualquier manera, comienza a abrirse. Sin embargo, no hay contacto entre el diámetro exterior del carrete y el diámetro interior del orificio. Incluso las válvulas de superposición cero tienen una ligera superposición. No obstante, quedan cero superposiciones.

P: ¿Por qué la superposición de válvulas es el discriminador más importante entre las válvulas servo y proporcionales?

A: En resumen, el estudio de MSOE especifica que las servoválvulas tienen una superposición cercana a cero, mientras que las válvulas proporcionales tienen una superposición significativa. Por lo tanto, a la llamada válvula de superposición cero se le puede dar el estado de válvula servo y aun así adaptarse a las tolerancias normales de fabricación, ya que permite una superposición de hasta el 3 %. Además, rara vez se puede distinguir una degradación del rendimiento del sistema causada por una pequeña cantidad de superposición. De hecho, es deseable cierta cantidad de superposición porque reduce la cantidad de fuga del carrete al orificio.

Las servoválvulas pueden ser necesarias siempre que las especificaciones de rendimiento incluyan requisitos de precisión específicos. Por ejemplo, un usuario puede requerir que el cilindro tenga 24 pulgadas de recorrido total para impulsar 10,000 lbs. Cargue a 15″/seg y debe llegar a la posición final con un error de no más de 0,020″. Esta especificación de rendimiento requiere un enfoque de diseño de servoválvula y control de movimiento.

El sistema más preciso se llama puesta a cero. Esto significa que cuando la salida controlada (por ejemplo, la posición del cilindro) está en la posición deseada, el carrete está cerca de su posición central. Para obtener un posicionamiento de alta precisión, cualquier pequeña perturbación en la posición del cilindro (causada, por ejemplo, por un cambio en la carga externa) debe ser inmediatamente contrarrestada por un pequeño movimiento correspondiente en el carrete para superar la perturbación. Esta operación de referencia también se requiere en muchos sistemas de control de presión.

Cero giros en la válvula significa que puede reaccionar y realizar un trabajo correctivo sin importar la dirección de la perturbación, sin importar cuán grande sea la perturbación. Nuevamente, el término superposición cero es un término idealizado. Las válvulas reales pueden tener una pequeña cantidad de superposición.

P: ¿Qué es la vacante de válvula?

A: El cero de la válvula es un punto específico en la curva de medición de presión de la válvula servo en el que las dos presiones estáticas (puerto de bloqueo) del puerto de trabajo son iguales. La servoválvula está equipada con un ajuste mecánico, por lo que en ausencia de alimentación (conector desconectado de la válvula), se puede cambiar la fuerza del resorte o magnética para igualar las presiones de los dos puertos de trabajo. Aquí suele ser donde la fábrica ajusta la válvula durante la prueba final, asumiendo que será para un cilindro de igual área.

Si la aplicación tiene un cilindro de área desigual, el usuario quita el conector de la válvula (lo que puede hacer que el pistón se mueva) y cambia el ajuste cero hasta que el cilindro deja de moverse. Por supuesto, con los cilindros detenidos, esto hará que las presiones en los cilindros sean desiguales debido a la diferencia en el área del pistón y cualquier carga distinta de cero.

P: ¿Qué es un desplazamiento cero en una válvula?

A: La compensación cero es un efecto que hace que la válvula se desvíe de cero. Por ejemplo, si la válvula se pone a cero y hay un cambio en la temperatura o la presión de suministro, la válvula ya no estará en su punto cero. Para recuperar el punto cero exacto, se debe ajustar el tornillo cero actual o mecánico. Lo importante a tener en cuenta es que cualquier cosa que haga que el cero de la válvula se mueva puede causar errores en los sistemas de circuito cerrado, como los servos de posición o los sistemas de control de presión. La compensación cero solo es importante en las válvulas de superposición cero.

P: Estoy tratando de decidir qué tipo de válvula usar en mi aplicación de circuito cerrado, una servoválvula o una válvula proporcional. Estoy impresionado con el rendimiento de la servoválvula, pero me preocupa su gran caída de presión.¿Cómo me decido entre los dos?

A: La caída de presión a través de una válvula es una fuente de confusión en el peor de los casos y una fuente de malentendidos en el mejor de los casos. Todas las servoválvulas tienen una clasificación de 1000 psi (7 MPa según ISO 10770-1, lo que se traduce en aproximadamente 1015 psi) y han estado en uso durante décadas. El flujo nominal de la servoválvula se mide por una presión diferencial de 1000 psi desde el puerto de presión al puerto del tanque mientras el puerto de trabajo está circulando. Las válvulas proporcionales, por otro lado, tienen una clasificación de 145 psi (1 MPa en ISO 10770-1).

Esta diferencia en la presión de flujo nominal lleva al profano a concluir que las válvulas proporcionales tienen caídas de presión más bajas. Esto es completamente incorrecto. Al seleccionar una válvula, el proceso de selección calcula el coeficiente de flujo de la válvula requerido, es decir, el valor KV. No importa en absoluto qué tipo de válvula planee usar. Una válvula proporcional de tamaño adecuado tendrá exactamente el mismo valor KV que una válvula servo de tamaño adecuado. Tendrán el mismo tamaño de área de flujo y la misma pérdida de presión en la aplicación. No hay absolutamente ninguna ventaja de caída de presión.

Las dos válvulas no tienen diferentes índices de flujo debido a sus diferentes aberturas, sino porque tienen diferentes índices de presión de flujo. La confusión se ha visto exacerbada por la negativa de la industria a publicar los valores KV de sus válvulas.

P: ¿Por qué tantas válvulas proporcionales tienen una histéresis más baja que las servoválvulas?¿No debería ser más «precisa» la servoválvula?

A: La histéresis es una característica de algunos dispositivos de entrada-salida, como válvulas, sensores, imanes, enlaces mecánicos, etc., que hace que una característica a medida que aumenta la entrada no siga el mismo camino que la entrada disminuye. Dos causas mecánicas comunes de histéresis son la fricción estática y el contragolpe, y la histéresis.

La histéresis de la válvula electrohidráulica es causada por los tres efectos y, por lo tanto, es un parámetro de rendimiento importante. El retraso puede causar errores en el servo porque esencialmente crea un desplazamiento cero en la válvula, según la dirección cercana a la salida objetivo (como la posición o la presión). El retraso no es deseable en una válvula, pero también es inevitable.

En cuanto a la cuestión de las «válvulas proporcionales antiguas baratas» con menor retraso, esto es generalmente cierto. La razón es que muchas servoválvulas usan líneas de retroalimentación o resortes para lograr la proporcionalidad de la posición del carrete. Esta es una conexión puramente mecánica entre el motor de torsión y el carrete principal. Se producirán efectos mecánicos y de histéresis, y los números típicos en la literatura del fabricante pueden indicar una histéresis inferior al 2 %.

Muchas válvulas proporcionales utilizan sensores de posición de carrete LVDT con retroalimentación electrónica, lo que da como resultado un bucle de control de posición de carrete «más ajustado» y una histéresis más baja. Algunas servoválvulas multietapa utilizan el control de posición del carrete LVDT. También tendrán histéresis baja, y los valores comunes publicados son inferiores al 0,5 %. Se requieren técnicas de prueba especiales adicionales para encontrar la verdadera cantidad de histéresis en este tipo de válvula, ya que es muy pequeña. Cuando el umbral de la válvula es lo suficientemente bajo, los bucles de limitación creados con el control PID (derivativo integral proporcional) también son demasiado bajos para ser perceptibles.

P: Escuché que las válvulas proporcionales resisten mejor la contaminación que las servoválvulas y que algunos diseños «aspiran» mejor que otros.¿Cómo calificaría estas afirmaciones?

A: He escuchado estas mismas afirmaciones, pero sigo siendo escéptico. Los argumentos que escucho a menudo se centran en una sola característica de un diseño dado y afirman que la válvula en su conjunto es mejor porque esa característica es mejor para rechazar contaminantes. Por ejemplo, los defensores de las válvulas de acción directa afirman que «no hay una boquilla pequeña que pueda obstruirse». Este argumento es engañoso en el mejor de los casos, ya que las boquillas de más de 0,002 pulgadas (50 µm) de diámetro (diseños de boquilla deflectora) requieren grandes partículas de contaminación para obstruirse. Insisto en que cualquier sistema que haga circular partículas de 50 micras tiene muchos problemas más serios que las servoválvulas o válvulas proporcionales.

De hecho, los contaminantes pueden afectar las válvulas de otras formas. Si los contaminantes son abrasivos, pueden corroer las superficies y los bordes de medición. Con los métodos de mecanizado modernos, las servoválvulas y las válvulas proporcionales tienen la misma holgura entre el carrete y el orificio, y una pieza de suciedad dura puede provocar el bloqueo del carrete en cualquier tipo de válvula.

Este tema es muy importante y otros tienen más experiencia que yo. Pero veo un problema fundamental con las afirmaciones de los defensores: no existe un método de prueba objetivo y estandarizado internacionalmente para determinar la tolerancia a la contaminación de una válvula. Los intentos de desarrollar dichos estándares han fracasado debido a la falta de determinación a nivel internacional. Antes de que apareciera el estándar, todavía era escéptico de que los usuarios tuvieran que permanecer a merced del proveedor y de su propia sabiduría para evitar problemas. Es absolutamente cierto que los líquidos de limpieza son amigos de todos. Siga los procedimientos de limpieza adecuados para que el filtro sea la aspiradora de su sistema y mantenga ese nivel de limpieza.

P: ¿Qué es la modulación de ancho de pulso?

A: PWM significa modulación de ancho de pulso. Es un método de conmutación que controla la corriente de salida y el voltaje (potencia). La etapa de salida del amplificador PWM es un interruptor de encendido y apagado de transistor. El control proporcional se logra controlando la cantidad de tiempo de encendido y apagado. La velocidad a la que se abre y se cierra el interruptor, conocida como frecuencia PWM, suele ser fija (desde unos 30 Hz hasta un máximo de 40 kHz, a elección del diseñador del circuito electrónico) y es mucho más alta que la frecuencia a la que puede funcionar el sistema mecánico de fluidos. responder. Las válvulas y actuadores responden entonces a corrientes promedio, no a corrientes instantáneas.

Por ejemplo, suponga que la frecuencia PWM de un controlador de válvula PWM es de 100 Hz. Entonces, el período es de 0,010 segundos;Eso es 10 milisegundos. Si el tiempo de apertura es de 2 ms y el tiempo de cierre es de 8 ms, la válvula responderá a una entrada del 20% del valor máximo. Decimos que esto es «20% de modulación». Si los tiempos de apertura y cierre son ambos de 5 ms, la modulación será del 50 %, por lo que esperamos que la bobina se mueva un 50 %, más o menos.

PWM se ha convertido en el método preferido de amplificación de potencia para controlar solenoides proporcionales, ya que normalmente requieren 3 o 4 A de corriente y pueden requerir hasta 30 W de potencia. Reducir el calor generado por el amplificador sin sacrificar la potencia de salida es una buena medida de ahorro de energía. Si la frecuencia de conmutación coincide con el solenoide y la válvula proporcionales, también puede haber algún beneficio de oscilación que reduce los efectos de la fricción estática. El difuminado ayuda a reducir la histéresis porque mantiene las partes mecánicamente móviles del solenoide en un estado constante de vibración, pero no hace vibrar apreciablemente el actuador de salida.

P: Mi electricista me dijo que puede conectar una servoválvula del fabricante X a la salida de un servoamplificador del fabricante Y, y quiere que funcione. También tenemos una válvula proporcional del fabricante Z, pero dijo que no podemos usar un amplificador de válvula proporcional de nadie que no sea el fabricante Z. ¿Que me estoy perdiendo aqui?

A: Una de las realidades menos conocidas de los servoamplificadores es que son mucho más simples que los amplificadores proporcionales. Esto hace que el servoamplificador sea más versátil, por lo que casi cualquier servoamplificador puede controlar cualquier servoválvula. La razón es que la mayoría de las servoválvulas utilizan motores de torsión como actuadores electromagnéticos, por lo que pueden invertir la dirección simplemente invirtiendo la dirección de la corriente. El parámetro más importante es la cantidad de corriente que el amplificador puede suministrar al motor de torsión en relación con la corriente requerida por el motor de torsión.

Por otro lado, la mayoría de los amplificadores de válvulas proporcionales tienen que admitir LVDT, que se utilizan para detectar la posición del carrete en las válvulas proporcionales. Un LVDT es un dispositivo de CA que requiere acondicionadores de señal especiales para proporcionar excitación de CA de alta frecuencia (hasta unos pocos kHz) y luego demodular la salida para producir un voltaje de CC proporcional a la posición del carrete. Además, muchas válvulas proporcionales tienen dos solenoides para ambas direcciones de desplazamiento del carrete, por lo que el circuito electrónico debe controlar la señal para que la corriente de una polaridad vaya a un solenoide y la corriente de la polaridad opuesta vaya al otro solenoide.

Los motores de par normalmente funcionan con no más de 100 mA y solo necesitan unos pocos mW de potencia para convertir. La conclusión es que los amplificadores proporcionales deben coincidir con una línea de válvulas específica y es posible que no funcionen con ninguna otra válvula.

P: Ensamblé un sistema de posicionamiento como parte de una operación de producción en masa. Ocasionalmente, el sistema experimenta vibraciones y oscilaciones ruidosas o incluso violentas.¿Por qué sucede esto y cómo puedo detenerlo?

A: Cualquiera de varias condiciones puede hacer que el sistema de control de retroalimentación caiga en una oscilación persistente, una condición comúnmente conocida como inestabilidad. Los problemas de estabilidad han sido la pesadilla de los ingenieros de sistemas de control desde la llegada de los reguladores de las máquinas de vapor. Pero incluso las computadoras de hoy no nos brindan una solución única para todos.

Una causa común de inestabilidad es la ganancia de bucle excesiva. Puede corregirse reduciendo la ganancia del servo o del amplificador proporcional, pero los sistemas con bajas frecuencias de resonancia hidromecánica pueden volverse inaceptablemente lentos o con rebotes. En este caso, se requieren otros métodos de compensación dependientes de la frecuencia, pero son demasiado complejos para cubrirlos aquí, a menos que sea necesario medir y retroalimentar otras variables del sistema. Los controladores de movimiento pueden tener una funcionalidad integrada para proporcionar este tipo de compensación.

La inestabilidad ocurre cuando se usa el control integral en un sistema de retroalimentación con histéresis excesiva. La fricción estática (operación stick-slip) a veces puede causar inestabilidad, especialmente cuando se usa el control integral. Además, la sobrecompensación del compensador de tiempo muerto puede conducir a oscilaciones persistentes del ciclo límite. El desafío para los integradores de sistemas es identificar la causa de la inestabilidad para que pueda corregirse.

P: ¿Qué es el ancho de banda?

A: Técnicamente, el ancho de banda se aplica a la banda de frecuencia que pasará por el filtro de paso de banda. Sin embargo, ya significa la frecuencia más alta que pasará el sistema. Se utiliza como sinónimo de respuesta de frecuencia. Por supuesto que lo uso de esa manera. Entonces, si tenemos una válvula de retardo de fase de 90 ° con una frecuencia de 50 Hz, llamamos a su respuesta de frecuencia 50 Hz. También decimos que su ancho de banda es de 50 Hz.

P: ¿Qué es un controlador de movimiento?¿Necesito usar una servoválvula o una válvula proporcional?

A: Primero, los controladores de movimiento se pueden usar para válvulas servo o válvulas proporcionales. Un controlador de movimiento es el nombre que se le da a una computadora digital especializada dedicada a controlar maquinaria industrial. Los mismos controladores de movimiento que se usan en equipos electrohidráulicos se pueden usar para otros tipos de equipos accionados, como servomotores eléctricos. Sin embargo, se recomienda que aquellos en el campo hidráulico utilicen un proveedor de controladores de movimiento con amplia experiencia en el campo electrohidráulico.

Los controladores de movimiento tienen dispositivos de registro y grabación de datos que reciben señales de sensores y sensores. La interfaz de entrada incluida acepta señales analógicas de voltaje y corriente. Se denominan convertidores de analógico a digital (ADC o convertidores A/D), y los controladores de movimiento suelen tener varios convertidores A/D (canales) para que puedan aceptar varias entradas analógicas. Otras funciones aceptan señales digitales de codificadores para control de posición. La interfaz de salida incluye convertidores de digital a analógico (convertidores DAC o D/A) para accionar servo y amplificadores de accionamiento de válvulas proporcionales. El controlador también puede tener la capacidad de emitir una señal PWM.

La parte más importante de un controlador es su poder de cómputo. Permite al usuario realizar infinitos cambios en el algoritmo de control, incluida la compensación de banda muerta para válvulas proporcionales, etc. La segunda parte más importante de un controlador de movimiento es que emite lo que se llama una curva de movimiento. Son comandos de movimiento programados que dictan la posición del actuador de salida cada milisegundo durante su vida útil. Esto proporciona un verdadero control «de la cuna a la tumba».

P: ¿Qué significa el término respuesta escalonada y cómo lo interpreto en relación con una válvula?

A: La prueba de respuesta escalonada es un método para determinar qué tan rápido responde una válvula a cambios repentinos en la señal de entrada. Para una prueba de respuesta escalonada, después de que se cierra el interruptor de la entrada, la salida del dispositivo (válvula) se mide y registra en un dispositivo de registro continuo, observamos la traza de salida para ver qué tan rápido responde. Es una alternativa a las pruebas de respuesta de frecuencia ya que existe una correlación entre las dos. Es decir, la válvula con la respuesta de frecuencia más alta también tendrá el tiempo de respuesta de paso más corto. Los servoaccionamientos han utilizado una aproximación muy antigua durante décadas: el tiempo de respuesta a un comando de paso es aproximadamente el inverso de la frecuencia de cambio de fase de 90° de la válvula.

P: ¿Qué es el control de rampa?

A: El control de rampa es un acondicionador de señal de propósito especial que proporciona un control de aceleración básico pero efectivo. Por ejemplo, imagine un eje de máquina herramienta accionado por un cilindro hidráulico controlado por un joystick proporcional. Si el operador mueve repentinamente la palanca de mando para extender, retraer o detener el cilindro (arriba en el recuadro), el eje se acelerará con la misma brusquedad y posiblemente incluso se dañe.

El control de rampa se colocará entre la salida del joystick y la entrada de la válvula proporcional. Cuando el circuito generador de rampa recibe un comando repentino (paso), no amplifica simplemente la señal y la envía. En cambio, la salida sube o baja gradualmente (rampa) para llegar a la entrada (abajo en el diagrama), por lo que la válvula proporcional se mueve gradualmente para acelerar gradualmente el cilindro. Proporciona arranques y paradas suaves. Los ajustes del usuario están disponibles para controlar el tiempo de rampa de encendido y apagado y, por lo general, están en ambas direcciones del movimiento del actuador hidráulico.

P: ¿Qué es un búfer?

A: Un búfer es un dispositivo electrónico que aísla un dispositivo de otro. Un amplificador es una forma de búfer. La explicación simple es que los cambios en la entrada se sienten inmediatamente en la salida, pero los cambios en la salida no se sienten en la entrada. Su coche ofrece una situación similar. Si pisas el acelerador, tu coche acelera. Pero si te encuentras con una colina, tus pies no pueden sentirla. El motor lo siente, y podrías pensar que lo sientes en tus pies porque el motor ejerce presión sobre las pendientes más empinadas, pero todo es psicológico. El motor actúa como un amplificador, «amortiguando» sus pies y piernas del estrés del motor y la colina.

error: Content is protected !!