伺服比例阀非线性校正方法研究

　　伺服比例阀以其结构简单、成本低廉、抗污染能力强而得到了广泛的应用,尤其是在性能要求不高的电液伺服控制系统中,可以作为实现位置、力等闭环控制的控制元件。目前国内外很多厂家都在生产伺服比例阀,如力士乐公司的4WRDE以及MOOG公司的D660和D680阀,在电液伺服控制领域都得到了广泛的使用,在国民经济中起到了一定的作用。但是,由于伺服比例阀受到结构和加工精度的限制,往往会存在零偏、死区、线性不好等缺点,对控制系统的性能会有很大的影响。尤其是在对性能要求较高的六自由度运动模拟系统中,伺服阀的性能会直接影响到运动模拟的真实性,使整体系统性能降低。而以液压伺服控制系统作为执行元件六自由度平台因其具有承载能力大、刚度高等优点,得到了广泛的应用。其控制策略分为基于运动学模型的控制策略和基于动力学模型的控制策略。基于运动学的控制策略不用考虑并联机构的动力学模型,只需要按照运动学对上、下铰点距离(液压缸长度)的计算结果对各液压缸分别进行位置控制即基于铰点空间的控制。这种控制方法简单、直观,被大多六自由度控制系统所采用。伺服阀作为核心控制元件其零偏、死区、线性特性直接影响到六自由度系统的性能。

　　1　零漂、死区与非线性的产生原因

　　伺服比例阀由诸多电子控制元件、敏感机构与阀芯功率放大机构及部分组成。其中电器元件的温漂、敏感机构的特性漂移等都会导致伺服阀在输入信号为0时,输出信号会随时间的推移而发生改变。虽然通过完善设计、提高加工工艺水平以及减少电控系统的温度漂移的方法都可以降低伺服比例阀的漂移,但是始终不能完全消除。而伺服比例阀死区与非线性产生的主要原因在于阀口台肩加工不对称,导致伺服阀流量不匹配所致[1]。非对称伺服比例阀控制非对称缸的结构如图1所示。

　　通过滑阀流量方程、非对称液压缸流量连续性方程与负载力平衡和方程对系统进行建模仿真,可以看出,微调Δi的值,系统特性会发生很大的变化。实际试验中也充分体现了这一特性。

　　从仿真中可以看出Δi的遮盖量直接影响伺服阀的死区,而滑阀台肩与轴线的夹角对伺服比例阀的线性有着直接的作用[2]。

　　以力士乐4WRDE面积梯度比为1∶2的非对称伺服比例阀为例,其结构参数如下:

　　Δi=0·6 mm,α1=α3=6°,α2=α4=13°

　　根据计算得到其非对称阀口面积梯度比如图3所示。

　　由于油缸的面积比近似为常值,伺服比例阀的非线性特性就直接表现为系统的非线性(忽略摩擦力等非线性因素)。其中Δi直接导致了伺服阀滑阀阀芯在一段行程之内的阀口遮盖,导致伺服阀的死区特性。αi会使阀口面积梯度的变化,导致伺服阀的非线性特性。