比例阀滞环、颤振与PWM驱动知识详解

比例阀滞环的定义

滞环是比例阀重要的静态指标，其定义为指令0-100%以及100%-0两条“流量vs指令曲线”相距最宽点的指令差值百分比(参考下图)。

滞环的存在会降低开环控制系统的重复精度。

对于闭环控制系统，比例阀滞环过大会导致系统振动，闭环控制失效。

滞环的来源与规避

滞环主要来源于阀芯和阀体之间的摩檫力以及静态液动力。对于由比例电磁铁驱动的直驱阀，比例电磁铁的磁滞与摩擦滞环也是比例阀滞环的重要来源。以下的方法可以减小比例阀滞环：

阀芯阀孔合理的间隙与形状精度。

比例电磁铁选择合理的工作气隙以及非工作气隙尺寸，控制铁芯与导套的同轴度。

采用阀芯位移闭环可以显著的减小比例阀的滞环(<1%)。

开环控制比例阀在线圈驱动电流上叠加颤振。

从表格中的数据可以大致了解到，阀芯位移闭环可以显著的改善比例阀滞环。

而开环比例阀(不带阀芯位置闭环)也可以通过在驱动电流上叠加颤振来显著降低滞环，后文有详细描述。

常见的颤振形式

目前作者所了解的用于减小力反馈型伺服阀、比例阀滞环的颤振方式，有以下三种：

叠加独立颤振：线性驱动电流(驱动效率较低，发热严重)上叠加三角波，常用于较小线圈电流的伺服阀驱动。属于独立颤振(颤振的频率和幅度可以单独调节)。

独立PWM颤振：以高频PWM(等幅脉宽调制)波作为载波，载波频率较高，并在载波上叠加较低频率的三角波。亦属于独立颤振。

寄生PWM颤振：直接以PWM波(50~500HZ)驱动产生的充放电波形(近似三角波)作为颤振来源(如下图)。属于寄生颤振，颤振的幅度不是独立可调的。目前卓客US系列放大器采用的是寄生PWM颤振。

(PWM方波与电流曲线)

(不同电流值导致颤振幅度不恒定，这是寄生PWM颤振的缺点)

以上前两种属于独立颤振，其特点是可以更加细致的调整颤振波形，并且颤振波形不会随着控制电流的变化而发生改变。其减小滞环的效果更好。其缺点是成本较高，现场调整复杂(颤振频率和幅度两个参数需要调整)。

第三种寄生PWM颤振可以满足大多数工程应用，现场调试简单(只需要调整颤振频率)。缺点是颤振的效果随着电流值的改变有所改变(上图是较坏情况的示意)。

寄生PWM颤振的频率调整

以卓客电液US系列放大器为例，颤振频率作为一个参数可以在现场进行调整。

(参数：PdF --- dither frequency)

US系列比例放大器颤振频率调整范围是50-450HZ。这个频率范围涵盖了绝大多数开环比例阀的最佳PWM寄生颤振频率。

一般来说，更低的颤振频率可以得到更小的流量曲线滞环，但是颤振频率要远高于系统带宽并避开系统自振频率。因为液压系统工作在一定的带宽内，如果颤振频率低至系统的工作带宽以内，或者接近比例阀以及系统的自振频率，那么颤振本身会成为一个振动触发源，影响系统正常工作，引发系统的振动。

目前US系列放大器的出厂颤振频率是150HZ，因为US系列是通用比例放大器，其控制对象是所有不带位置闭环的比例阀，所以这个出厂数值的选取比较折中。用户如果需要进一步改善比例阀滞环，可以在不引发引发系统振动的情况下降低这个参数。如果系统出现了与颤振频率接近的振荡，用户可以提高颤振频率以避开系统的工作带宽以及自振频率。