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比例閥滯環、顫振與PWM驅動知識詳解

2020-1-30 17:55| 發布者: 液壓哥| 查看: 2606| 評論: 0 |原作者: 呂振軍 |來自: 卓客電液

簡介:比例閥滯環的定義 滯環是比例閥重要的靜態指標,其定義為指令0-100%以及100%-0兩條“流量vs指令曲線”相距最寬點的指令差值百分比(參考下圖)。 滯環的存在會降低開環控制系統的重復精度。 對于閉環控制系統,比例閥 ...

比例閥滯環的定義

滯環是比例閥重要的靜態指標,其定義為指令0-100%以及100%-0兩條“流量vs指令曲線”相距最寬點的指令差值百分比(參考下圖)。

滯環的存在會降低開環控制系統的重復精度。

對于閉環控制系統,比例閥滯環過大會導致系統振動,閉環控制失效。

滯環的來源與規避

滯環主要來源于閥芯和閥體之間的摩檫力以及靜態液動力。對于由比例電磁鐵驅動的直驅閥,比例電磁鐵的磁滯與摩擦滯環也是比例閥滯環的重要來源。以下的方法可以減小比例閥滯環:

閥芯閥孔合理的間隙與形狀精度。

比例電磁鐵選擇合理的工作氣隙以及非工作氣隙尺寸,控制鐵芯與導套的同軸度。

采用閥芯位移閉環可以顯著的減小比例閥的滯環(<1%)。

開環控制比例閥在線圈驅動電流上疊加顫振。

從表格中的數據可以大致了解到,閥芯位移閉環可以顯著的改善比例閥滯環。

而開環比例閥(不帶閥芯位置閉環)也可以通過在驅動電流上疊加顫振來顯著降低滯環,后文有詳細描述。

常見的顫振形式

目前作者所了解的用于減小力反饋型伺服閥、比例閥滯環的顫振方式,有以下三種:

疊加獨立顫振:線性驅動電流(驅動效率較低,發熱嚴重)上疊加三角波,常用于較小線圈電流的伺服閥驅動。屬于獨立顫振(顫振的頻率和幅度可以單獨調節)。

獨立PWM顫振:以高頻PWM(等幅脈寬調制)波作為載波,載波頻率較高,并在載波上疊加較低頻率的三角波。亦屬于獨立顫振。

寄生PWM顫振:直接以PWM波(50~500HZ)驅動產生的充放電波形(近似三角波)作為顫振來源(如下圖)。屬于寄生顫振,顫振的幅度不是獨立可調的。目前卓客US系列放大器采用的是寄生PWM顫振。

(PWM方波與電流曲線)

(不同電流值導致顫振幅度不恒定,這是寄生PWM顫振的缺點)

以上前兩種屬于獨立顫振,其特點是可以更加細致的調整顫振波形,并且顫振波形不會隨著控制電流的變化而發生改變。其減小滯環的效果更好。其缺點是成本較高,現場調整復雜(顫振頻率和幅度兩個參數需要調整)。

第三種寄生PWM顫振可以滿足大多數工程應用,現場調試簡單(只需要調整顫振頻率)。缺點是顫振的效果隨著電流值的改變有所改變(上圖是較壞情況的示意)。

寄生PWM顫振的頻率調整

以卓客電液US系列放大器為例,顫振頻率作為一個參數可以在現場進行調整。

(參數:PdF --- dither frequency)

US系列比例放大器顫振頻率調整范圍是50-450HZ。這個頻率范圍涵蓋了絕大多數開環比例閥的最佳PWM寄生顫振頻率。

一般來說,更低的顫振頻率可以得到更小的流量曲線滯環,但是顫振頻率要遠高于系統帶寬并避開系統自振頻率。因為液壓系統工作在一定的帶寬內,如果顫振頻率低至系統的工作帶寬以內,或者接近比例閥以及系統的自振頻率,那么顫振本身會成為一個振動觸發源,影響系統正常工作,引發系統的振動。

目前US系列放大器的出廠顫振頻率是150HZ,因為US系列是通用比例放大器,其控制對象是所有不帶位置閉環的比例閥,所以這個出廠數值的選取比較折中。用戶如果需要進一步改善比例閥滯環,可以在不引發引發系統振動的情況下降低這個參數。如果系統出現了與顫振頻率接近的振蕩,用戶可以提高顫振頻率以避開系統的工作帶寬以及自振頻率。

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