2D数字阀滞环颤振补偿技术研究

　　引言

　　电液控制系统的非线性对系统有很大的影响,轻则影响系统的控制精度,重则出现极限环振荡,甚至造成系统不稳定[1]。电液控制系统的非线性主要产生于电液控制阀,这是因为电液控制阀存在滞环、饱和、摩擦力及死区等非线性因素。由于控制阀在电液控制系统中起着功率放大作用,其非线性对系统的不利影响也将被放大,严重影响到系统的性能,因此,长期以来人们一直在对电液控制阀的非线性进行深入研究。Burton R[2]等分析了阀芯的库仑摩擦力及液动力导致系统的极限环振荡。Shearer JL[3]等分析了阀口的重叠死区对系统特性的影响。

　　LueM[4]等分析了喷嘴-挡板伺服阀力矩马达磁滞及饱和所造成的非线性。ArafaH A和RizkM[5]建立了考虑摩擦力和液动力影响的喷嘴-挡板伺服阀的非线性模型。Kim DH和TsaoTC[6]在考虑阀的零位死区时所给出的喷嘴-挡板伺服阀的动态特性支配方程达到了十五阶。这些模型适用范围窄、不具有普遍性,难以实用化。

　　2D伺服阀是以单个阀芯旋转和滑动的双运动自由度设计的伺服螺旋机构实现伺服阀功率级液压放大功能的[7]。相对于喷嘴-挡板伺服阀、射流管阀和高性能的比例阀等其他伺服阀, 2D数字阀具有结构简单、抗污染能力强、构成导控阀导控级的零位泄漏小、固有频率高、动态性能好等优点[8]。本文针对2D数字阀由齿隙所产生的滞环非线性进行研究,提出颤振补偿的方法,获得良好的效果。

　　1 2D数字伺服阀工作原理

　　数字伺服阀的示意图如图1所示。它由阀体、电-机械转换器(步进电动机)、传动机构和角位移传感器等组成。传动机构主要是用来连接电-机械转换器与阀芯实现运动传递和力矩放大,角位移传感器是用来实时检测步进电动机转子的角位移,实现对其闭环连续跟踪控制。

　　2D伺服阀结构如图2所示,阀右腔通过小孔a,经阀芯杆内通道和小孔b与进油口(系统压力)相通,其面积为左腔的一半;左敏感腔的压力由开设在阀芯左端台肩上的一对高低压孔和开设于阀芯孔左端的螺旋槽相交的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制。在静态时若不考虑摩擦力及阀口液动力的影响,左敏感腔压力为入口压力的一半,阀芯轴向保持静压平衡,与螺旋槽相交的高低压侧的弓形面积相等。当逆时针方向(面对阀芯伸出杆)转动阀芯,则高压侧的弓形面积增大、低压侧的弓形面积减小,左敏感腔压力升高,并推动阀芯右移,右移的结果是高低压孔又回到螺旋槽的两侧,处于高低压侧弓形面积相等的位置,左敏感腔的压力恢复为入口压力的一半,阀芯重新保持轴向力平衡;若以顺时针方向转动阀芯,变化则正好相反。在2D伺服阀中,阀芯角位移与轴向位移之间的转换运动与普通的机械螺旋机构的转换运动相一致,不同之处在于阀芯的轴向运动由液压静压力驱动的,因此实现2D伺服阀阀芯转角与轴向位移(主阀开口)转换的导控结构也称为液压伺服螺旋机构。从结构和工作原理可以看出2D伺服阀为一双级位置反馈液压流量伺服阀。