英文作者：Peter Nachtwey / Delta Computer Systems

中文校譯：騰益登

*本文約4500字，建議閱讀時間15mins*

引言

最好的控制器和軟件也無法克服設計拙劣的液壓系統。

本文要點

典型的伺服液壓運動控制系統，伺服閥都是盡可能的靠近油缸安裝。一些專家也推薦對此類液壓應用采用特殊設計的控制器。

對油缸缸徑的仿真也驗證了，油缸缸徑越大，壓力也越相對穩定。

典型的伯德圖顯示了閥芯的幅值響應和相位滯后相對于控制信號頻率的函數。

閥的測試特性曲線顯示了不同閥的工作特性。只要經過閥的壓差穩定，具有伺服閥品質閥芯的線性閥可以提供比例于控制信號的流量。

正文

全球化競爭要求我們的工廠運營者面臨著永無止境的讓設備更高效運行的任務之中。這常常要求我們的運動控制系統更高速，更精確。但是在一個閉環控制系統，更高的速度和精度必須始于良好的元件設計。無論你是多么在意控制器和軟件，如果流體控制系統中的油缸和閥沒有得到很好的設計選型或者正確的安裝，系統的性能就會大打折扣。

油缸設計選型

對于線性執行器，系統應用要求通常側重于設定行程和循環周期。設計者決定油缸規格尺寸以及油壓大小。現實中的一個共性問題就是試圖通過降低油缸尺寸來達到提升執行器速度的目的。工程師常常假定，對于給定的流量，油缸越小，加速更迅速，運行更快。然而，這只適用于輕載。對于中、重載使用的執行器，其提供的力而不是流量限制了加速、勻速以及減速。因為活塞直徑決定輸出力，太小的油缸就永遠無法得到所需的速度和循環周期。

設計者首先考慮到的就是使用非常簡單的公式V = Q/A，但是這只有當質量m=0的時候才是計算精確的。當計算流量時，只使用公式Q = VA。

事實上，沒有很簡單的工具來優化油缸的直徑。這里討論兩個公式，每個都有其優點和局限性。我們建議用這兩個公式來計算油缸面積，取其大者。第一個公式來自Jack Johnson的著作：Design of Electrohydraulic Systems for Industrial Motion Control（工業運動控制電液系統的設計）。

基于在兩個工作點給定的力和速度，它精確的計算了油缸所需的面積。舉個例子，一個點就是當油缸運行到端部：F = ApPs 和 V = 0。另外一個點就是在期望的運行速度下所需的力大小。當加速度為零時，這樣的公式計算是正確的，但是沒有考慮到當執行器加速和減速時油液的壓縮和膨脹。這也會導致讓人相信提升系統壓力是一個很好的減小油缸規格尺寸的辦法，然而這不適用于加速和減速很快的場合。

對于高性能運動控制，Delta Computer Systems公司提出了第二個公式用以確保系統的自然的頻率高于運動頻率的3~4倍。舉個例說，如果加速頻率是5Hz，執行器的自然頻率就應該約20Hz。這取決于β：

β是油液的不可壓縮性常數或者叫體積彈性模量。其通常取200,000 psi，但是當油液里含有氣體時，其值大大降低。

這個式子也在試圖降低油缸的規格尺寸，因為它做了一些樂觀的假設。重要的一點就是閥直接裝在油缸上。如果不是這種情況，就是需要考慮連接至油缸的軟管長度。軟管的橫截面通常比油缸的小很多。在閥和油缸之間的軟管或者硬管使計算復雜化并降低了系統性能。正是因為這個原因，盡可能的把閥就近油缸安裝，并且采用硬管連接。

閥的考量

上述所討論的第一步首先計算油缸規格，可以確保系統有良好的動態響應，滿足加速、減速的要求。這也通常意味著需要計算系統所需的壓力。

下一步就是需要決定閥的規格（額定流量），在計算完油缸尺寸之后，這是直驅而入的一步。需要注意的是：伺服閥和伺服比例閥的額定流量通常是基于壓降ΔP = 70 bar (1,015 psi)而其它比例閥通常基于壓降ΔP = 10bar (145 psi)。這個差別是很大的。1000psi壓降的流量大約是150psi壓降的流量的2.65倍。然而，選擇合適的閥不只是一個額定流量的選擇，因為大多閥還有很多功能選項需要考慮。

選擇什么類型的閥

第一個需要確定的就是用伺服閥還是比例閥。兩者主要的區別就在于閥芯是如何移動的（編者注：不同觀點請查看 比例閥和伺服閥的區別，誰說清楚了）。比例閥采用電氣線圈和磁鐵推動閥芯移動，工作原理有點像音響的音圈。另外一方面，伺服閥利用一個很小的力矩馬達控制先導壓力，接著控制主閥芯移動。

產生移動閥芯的力和閥的響應各不相同。伺服閥通常移動更快，因為液壓力與閥芯質量的比率很高，雖然一些比例閥具有與伺服閥類似的響應。比例閥必須產生足夠的力來移動閥芯，內置LVDT，電磁鐵螺線管以及克服彈簧對中力。

伺服閥先導級高精度的制造誤差要求和較小的精密節流孔，提高了成本，也使得其抗污染能力降低。因此對于很多應用，人們轉向使用比例閥。盡管如此，伺服閥依然有其用武之地。比如他們常常在大流量應用方面有更好的工作表現。

在一些情況，比例閥并沒有足夠的功率去克服由于大流量產生的伯努利力，閥會短暫的失去控制直至伯努利力降低。當處理諸如此類故障的時候，人們常常判斷是控制器的問題而與閥無關。能記錄控制信號，閥芯以及執行器位移的示波器或者其它的診斷工具，有助于解決此類問題。在這樣的應用中，伺服閥就是一種更安全的設計選擇。它們表現得更好，因為其更快，響應更線性，也因而更容易控制。

比例閥放大器

比例閥需要一個放大器，把運動控制器的輸出電壓轉化成高的電流信號，從而驅動閥芯。對于伺服比例閥，放大器比較由控制信號或參考信號與LVDT反饋過來的閥芯位置信號所產生的偏差。一些放大器用簡單的比例控制，而一些采用PI或者PID控制。如果放大器沒有很好的與閥適配，閥的性能就會打折扣。最好的辦法就是選擇帶集成電子的比例閥，有助于確保放大器得到很好的匹配。采購獨立的放大器卡需要額外的努力和知識來調整放大器增益，從而閥芯會相對于控制信號能夠快速響應。

伯德圖

伯德圖是選擇閥的一個必須工具。它用對數表，并顯示閥芯的幅值響應與相位滯后，其是控制信號頻率的函數。通常，幅值響應在最初的幾Hz區間曲線平坦，接著迅速下降。相位滯后在最初的幾Hz也相對較小，曲線平坦，但在高頻區間則迅速上升。

伯德圖上相位滯后90°的點決定了閥的額定頻寬。在該點，幅值通常接近+6 dB，或者約是原始值的一半。例如，正弦信號也許在10Hz的時候工作很好——此區間伯德圖顯示增益下降或者相位上升皆很少，但是在40Hz的時候閥就不一定能很好的工作，此時閥響應也許只有一半的幅值。帶前饋增益的運動控制器可以補償閥增益和相位滯后的損失。在較高的頻率區間，控制器提高控制信號，以彌補閥增益的下降。但是控制器不能提供超出100%的控制信號。因此設計者必須要么在系統里留有足夠的空間用以額外的控制信號，要么使用更高頻率的閥，以使得在整個頻率應用范圍，閥能夠具有增益下降或者相位滯后皆都小的特點。

閥規格

另外一個事實就是并不是所有閥的制造商都在同一條件下測試伯德圖。不同的制造商在不同的閥芯位移定義其額定值。100%的控制信號與5%控制信號相比，閥芯行程響應通常會差很多。這也就意味著同樣定義為30Hz的兩個閥，假設一個閥額定值使用5%的控制信號而另外一個閥使用50%的控制信號，實際上其是不同的。許多伯德圖顯示頻率響應時使用5%或者25%的正弦信號。5%的額定值在對閥顫振約為0%的應用非常適用，諸如壓力和力控制系統。然而，它們并不適用于高速應用，因為此時閥工作行程將達到100%。一個好的原則就是取0~100%的上升時間，乘以4，然后除以1，從而得到全行程的頻率。

具有高頻響的線性閥對于高性能位置/壓力控制系統是必須的。當然，光有閥的性能是不夠的，也需要一個好的運動控制器來補償閥的響應以及執行器和負載的彈簧質量效應。為了最大化一個設計良好的液壓系統的性能，同時需要選擇一個合適的運動控制器。他們應該具有這樣的特征，諸如獨立的上升和下降增益調節，位置-壓力/力控制，同時也可以直接連接至磁致伸縮位移傳感器等。

閥芯選擇

之所以定義為比例閥，是因為閥芯位移與驅動閥工作的控制信號成比例。然而，流量卻不一定成比例。比例閥通常有不同的閥芯結構，選擇合適閥芯結構對于系統性能的最大化相當重要。

伺服比例閥閥芯

對于位置和壓力/力控制，選擇伺服比例閥。只要通過閥的壓降保持不變，閥芯提供的流量與控制信號成正比例。這類閥擁有穩定的增益，因為響應是線性的。

正遮蓋閥芯

非線性閥芯具有多種型式，也有多種命名。最常用就是正遮蓋或者O型機能閥芯，其表現為有一個死區或者零位區域，因為當控制信號很小的時候，閥沒有流量輸出。這也許可以減小泄漏，手動控制時使系統停止更為容易，但是它也可能對于位置或者壓力控制系統來說并不是一個很好的選擇，因為閥芯必須快速移動離開中位之后才能實現精密調整。

死區越大，閥芯移動離開死區的時間越長。在這很短的毫秒時間內，閥幾乎沒有流量輸出，導致輸入至運動控制器的位置和壓力都沒有變化。這種反饋的非連續性限制了運動控制器用以保持精確的位置和壓力控制的能力。因此正遮蓋閥只是用于閥芯不需要快速移動跨過死區的場合，比如運動方向改變不是非常快速或頻繁。皮帶傳送機的速度控制就是一個良好的應用案例。

雙增益或變增益閥芯

一些閥的流量增益隨著控制信號改變。這些閥通常在控制信號接近零的區域流量增益低，當控制信號將近±100%的時候流量增益高。帶槽口或者雙增益的閥有著明顯的低增益和高增益區間，而非線性閥有著連續的變增益特性。對于手動操控系統，兩種類型的閥都可以提供精確調整，無論工作流量處于低速還是高速區間。

對于手動或者開環控制這不是問題，但是非線性閥使得整個系統非線性和閉環控制更困難。當閥在高增益和低增益區間工作切換時，控制器必須能快速改變增益。理論上，閥的線性化（補償變增益時作為控制信號的函數）可以利用運動控制器來調節。然而，這需要匹配閥的具體特性，因此限制了它的應用。對于低增益區間給定的流量變化，閥芯必須移動更多，從而降低在該區間的響應，降低了系統性能。

帶開口槽的閥芯在閉環控制只用于低速時，工作非常好。開環或者手動控制可以用在高速區間，此時閥處于高增益區間。這樣，閥在高增益和低增益兩個區間切換工作時，就沒有必要快速改變閉環控制器的增益。然而，對于大多的位置和壓力控制應用，最好避免采用帶開口槽的或者非線性閥。

更大也許更好？

金屬制造工業的制造商們面臨著這樣一個問題，就是伺服系統沒有達到設計的性能要求。液壓仿真認為油缸沒有提供足夠的力控制更大的負載，數學模型建議采用更大規格尺寸的油缸，并安裝適合的更大規格的液壓閥。

圖形分析也顯示，小尺寸的油缸是如何不能提供足夠的力，使大型負載加快減速。更小尺寸的油缸在油缸端蓋排油（壓力降為零），而有桿腔端壓力超出了系統壓力。系統無法控制，因為活塞桿端的油液流至供油單元，實際上使得減速降低。

大規格的油缸可以以同一速率加速負載，但是其更大的活塞面積意味著壓力改變不會太大。整個循環周期里油缸壓力基本處于壓力范圍的中間，為保證良好控制，經過活塞的壓力損失很大。

提高油缸直徑也就是提高系統的自然頻率（剛度），讓運動控制器可以處理更快的加速和減速控制。當正確調試的時候，就會提高系統性能。然而需要記住的是，更大的油缸需要更大的閥和更多的油。過大的油缸成本會更高，并且更大的閥響應會更慢，在某些情況，提高閥的規格尺寸并不能提高系統的響應。