伺服阀/比例阀零位特性与平衡阀对精密运动控制的影响（转自液压传动与控制）

英文作者：Peter Nachtwey, Delta Computer Systems

翻译校正：腾益登

前言

聪明的选择和使用你的阀，才能实现精密的控制。本文着重讨论了零位特性对精密运动控制的影响，同时对于在伺服系统中如何使用平衡阀或锁止阀做了详细分析。

正文

良好的控制性能需要的不仅仅是良好的运动控制器，甚至最好的控制器也无法弥补拙劣的系统原理设计和元件选型。伺服阀、比例阀的特性对于闭环运动控制系统有着巨大的影响。诸如平衡阀之类的元件也会影响伺服阀、比例阀的运行。有时候由于项目紧张的周期导致了整个系统原理设计的缺陷以及不正确的选型，结果就是往往会花大量的精力和时间去处理这样的系统，奢想达到期望的性能。更好的理解一些通用阀的应用问题可以缩短系统的设置时间，实现更精密的运动控制。

油缸飘移和阀的零位问题

在液压控制系统中，飘移是一个微妙或者复杂的问题。我们从两方面来讨论，一个是相对比较直接易理解的执行器飘移问题，另外一个是更难琢磨不定的阀的零飘。执行器飘移发生在阀不在零位之处，当没有控制信号时（比如阀供电被切断），导致执行器活塞缓慢移动或者飘移。在某些情况，飘移是我们期望的——比如当不调整时，此时活塞杆缩回至安全位，弥补控制信号的丢失。

当飘移的速率太高或者飘移方向错误的时候，问题就来了。比如，如果飘移量高达阀控制信号10%的时候，就需要对阀进行补偿了。如果10%的控制输出信号只是用于保持位置，只剩下90%被用于驱动执行器运动，与飘移方向相反。结果就是，执行器也许只能得到该方向全速的90%。因此，对于有快速需求的场合，具有较大零飘的阀无法确保执行器达到期望的最大速度。

零偏的调整很容易，伺服阀通过调整阀体上面的螺钉，或者比例阀通过调整放大器来实现。当输入至阀的控制信号设定为零时，调整螺钉或放大器，直至执行器停止飘移。另外一种情况，对于轴控位置闭环系统，你可以通过调整零位螺钉或者放大器，直至输入至阀的控制信号为零电压。零偏的补偿也可以在运动控制器实现，通过调整零偏或者零位参数。

如果在其闭环控制算法里，运动控制器有积分环节，当其工作在闭环控制模式时，积分环节将自动补偿零偏。然而，错误的使用积分作为零位补偿会导致一些不期望的行为。比如，因为积分不适用于开环模式，在点动或者部分循环周期的时候其工作于开环模式，零偏就有可能不会被校正。因此，最好是在阀体或者运动控制器的零偏参数上面调节零偏，而不是依赖于PID算法的闭环补偿。

关注零飘

不断变化的零位条件，称之为零飘，是一个更为严重的问题。这可能是因为背压，液动力，或者莫名其妙的原因或错误的阀芯控制所致。零飘需要控制器持续稳定地改变信号输出，确保阀能够锁定位置护着保持稳压。

这可能会损害位置或者压力控制的性能以及重复性，虽然高性能的运动控制器在偏差不太大的时候可以补偿该变化。

为了最小化零飘的影响，阀芯显得尤为重要。一个良好设计的伺服比例阀控制器具有内部控制环，其使得阀芯位置比例于控制信号，见图1。理想的情况是，当控制器发送至阀50%的控制信号时，阀芯位置将停留在50%的流量控制位置。

图1

现在假设控制器输出0%的控制信号，驱动阀芯移至零位，或者0%的位置。当阀芯越来越接近0%零位的时候，误差将变小，因此校正误差的力也变小。该力也许不足以克服真实的摩擦力或者液动力，因此，一个很小的零位偏差依然存在。

只有比例控制的阀将无法达到期望的位置，因为来自阀芯控制器的力不足以大，从而把偏差减小至零。PI（比例积分）控制器因为有积分环节，最终可以减小阀芯期望位置和实际位置的偏差至零，并且减小零飘影响。

 

对死区的处理

似乎，通过使用阀芯中位封闭的阀来消除零偏和零飘显得非常有趣。这些阀的阀芯被加工成在零位具有死区，即没有油液流动，如图2所示。一些阀的死区达到20%，这意味着控制器输出控制信号达到20%的时候，油液才会开始流动。这些阀如果应用在阀芯必须在零位来回运动从而确保位置或压力的工况，将会有问题。

图2

许多运动控制器具有死区参数调节，可以部分补偿死区影响。在如上所示例子，可以在阀芯移动方向上给一个20%的初始设定值。不幸的是，在许多应用中，这并不有效，因为阀芯移动还是需要消耗时间的。

通常，控制器必须与阀快速响应，使得执行器活塞两侧的油液快速进出，从而确保位置或者活塞两侧的差动力。这意味着阀芯必须快速移动，行程可能达到阀芯行程的40%——只是为了保持位置！

当阀芯在死区位置时，没有油液流动。因此，在阀芯移动离开死区的期间（可能几毫秒或更多），由位置或者压力传感器测出的结果就是零。

液压阀制造商通过他们的阀芯能够移动有多快来评定他们的阀，但是在许多应用中，他们是如何很好的控制零位流量则显得更为重要。零位的特性，如图2（a）所示，显然不是控制算法想要的线性响应。由于在响应方面的负作用，以及零位的极端非线性特征，具有死区的阀应该避免应用在伺服控制系统中——而应采用具有零遮盖的阀，如图2（b）。

具有死区的阀唯一能够被可靠应用在精密控制的场合就是该阀阀芯将移动至某一侧，并只在该区域工作。速度控制就是其应用的一种案例——液压执行器的运行速度被控制，其通过阀芯移至一侧能够有多快速度来实现。

平衡阀和锁止阀

平衡阀可被认为是安全阀的一种类型，当液压压力失效的时候，用以保持负载而不下落。然而，在伺服系统中，对这些阀的使用会带来很大的问题。总的原则是，在伺服系统中控制流量时，只能有一个起作用的阀。任何不是伺服阀的阀如果具有改变流量的特性，将会干涉系统的控制。

当一个平衡阀用于闭环控制系统时，其必须被合理应用。在典型的垂直油缸运动控制中，平衡阀必须安装在油缸有杆腔和伺服阀之间。这意味着为了确保执行器下行，伺服阀和平衡阀必须都是打开状态。平衡阀是压力控制阀——只要压力达到设定值，先导压力会打开平衡阀。为了配管方便，先导口有时候会接至油缸无杆腔侧，如图3所示。

图3

在此种结构中，就有可能出现伺服阀总是试图让活塞杆伸出，但是流量被截断了，因为油缸无杆腔的压力不足以打开平衡阀。

当压力足够高能够打开平衡阀的时候，由于在无杆腔过多的压力/力以及重力作用于垂直油缸，执行器将会快速下降。控制器接着朝着关小的方向调节伺服阀，以便能够降低下降速度。这会导致活塞上部的压力下降，低于先导压力设定值，因此平衡阀又会突然关闭，油缸轴向运动骤然停止。（这个压力下降的发生，是因为油缸无杆腔比有杆腔需要更多的油，因此其无法得到足够快速的补油填充来保持压力）。现在，控制器又将提高控制信号，促使油缸下降，从而提高了压力，于是乎，该循环不断重复。

此种运行工况，油缸伸出时就会打颤。可以通过减小平衡阀设定压力来降低这种效果，因为此时平衡阀可以打开更快。然而，这种应用只是仅仅减小了有缺陷设计的效果。更好的做法是，平衡阀的先导油与供油压力相连，这样在正常运行时平衡阀总是打开的，对伺服阀的干涉尽可能的小。

电磁通断截止阀

图4

当应用需要伺服控制的时候，通常一个更好的解决方案就是使用常闭截止阀，正常工作时根据逻辑得电打开，事故时失电截止。截止阀打开时对运动控制无影响，也不干涉流量控制，因此运动控制器不会受到有害的影响，如图4。当错误发生或者失电时，阀迅速关闭，油缸被液压锁止在既定位置。