电液伺服系统摩擦力分析及补偿研究

    1　引言

    摩擦存在于所有的运动机械中,摩擦能给控制系统带来跟踪误差、极限环、甚至爬行[1]。对于高精度伺服系统来说,有必要对摩擦力进行补偿,以达到高性能系统指标的要求。

    本文以北京市科委支持项目为背景,以北京交通大学液压伺服控制实验室夹持同步控制试验平台的对称液压缸为研究对象,对其摩擦力进行试验研究。在一般电液伺服控制系统中,因加载力值相对较大的关系,液压缸(马达)摩擦力通常不被考虑;而实验室夹持同步控制试验与一般负载模拟器不同,其同步夹持控制加载力值小、要求精度高,因此液压缸的摩擦力的影响无法忽略,需要对摩擦力的影响进行补偿。

    2　系统描述

    夹持同步控制实验平台包括阀控对称缸系统和阀控非对称缸系统,系统结构框图如图1所示。

    阀控对称缸系统的液压缸是内置位移传感器的非对称缸,其结构与对称缸相同。在伺服阀接液压缸两端装有压力传感器,用以测量液压缸两腔的压力。系统数字控制器主要由工业控制计算机、研华数据采集卡、调理电路组成。控制软件用VisualC++6.0编写。

    3　系统建模

    对称液压缸系统结构图如图2所示。

    从液压控制系统角度研究对称缸系统数学模型,作如下假设:

    (1)滑阀为理想零开口四通阀, 4个节流窗口是匹配和对称的;

    (2)节流窗口处的流动为紊流,液体压缩性的影响在阀中予以忽略;

    (3)阀具有理想的响应能力,即对应于阀芯位移和阀压降的变化相应的流量变化能瞬间发生;

    (4)油源供油压力恒定,且回油压力为零;

    (5)所有联接管道都短而粗,管道内的摩擦损失、流体质量影响和管道动态忽略不计。

    基于以上假设,不考虑弹性负载,得到动力机构3个基本方程[2]。

    1)伺服阀流量方程

    QL=Kqxv-KcpL

其中,Kc与Kq分别为伺服阀的流量压力系数与流量增益,Xv为伺服阀阀芯位移。

    2)液压缸的连续性方程

式中A为活塞有效面积;Ctc为液压缸的总泄露系数;Vt为液压缸腔体的总容积;βe为有效体积弹性模数。

    3)液压缸力平衡方程

    F =m¨y+Bc.y+f(.y) +Fext

式中m为活塞及负载的总质量;Bc为负载的粘性阻尼系数;Fext为外干扰力;f(.y)为缸摩擦力。

    控制液压缸做匀速运动,有牛顿第二定律得知: