应用小百科|液压比例阀死区特性

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关键词：液压、比例阀、死区

死区特性是液压比例阀的重要特征，同时也是引起比例阀控液压缸系统非线性的重要原因。死区特性的存在也是液压比例阀在动态特性方面始终不如液压伺服阀的主要原因。因此，对液压比例阀死区特性的研究一直是工程上的重要课题。

生产工艺的缺陷和库伦摩擦是导致液压比例阀死区产生的主要原因。在液压比例阀的制造过程中，阀芯在中位时，会对阀口有一定的重叠覆盖量，这个重叠量就导致了液压比例阀在一定的输入信号范围内无法对这部分阀芯的移动做出响应（没有对应的压力或者流量产生），即形成了死区【1】。

图 1 中位重叠示意图

以三位四通比例流量阀为例，如图1所示，当阀芯位于中位时，为了保证阀芯能有效阻断各个阀口的流量，阀芯的台肩宽略大于阀体的阀口槽宽，即形成了阀口重叠量，如图1中的?。当阀芯处于中位时，流量关于阀芯位移的完整函数关系如下【1】。

上式中，?为阀口重叠量，x v为阀芯位移，Q(x v)为阀芯位移超过?时的流量函数，q(x v)为流量关于阀芯位移的完整函数。从表达式中可以清晰的看出，在死区内，液压比例阀阀芯无法响应输入信号，死区的图形表示如图2所示，其中u为输入信号，u zm为流量，zme~zmd即为死区。

图 2 死区的图形表示

死区的补偿方法

由于死区的存在会严重影响液压比例阀的稳定性和动态特性，因此实际应用中应尽量减少液压比例阀死区的影响，目前比较常用的减小液压比例阀死区的方法主要有先导电流法和变增益法【2】，也有研究使用模糊补偿算法降低死区的课题。

先导电流法，顾名思义，即是在液压比例阀输入信号上叠加一个最小电流或是提高控制器在液压比例阀死区附近的灵敏度来降低或消除死区的影响。通过叠加小的电流，可以使阀芯“跳过”死区【2】。

变增益控制法，即当阀工作在不同区段时，变化放大器的增益，使控制电流增大或者减小，增益放大，控制电流增大，阀芯快速通过死区，从而减小死区的影响。使用变增益控制法需要匹配具体的液压比例阀，只能通过实验确定。

死区的测量

通过控制器给液压比例阀输入信号，控制阀芯移动，从而改变液压比例阀的流量，采用高性能多功能数据采集卡【3】采集位于液压比例阀后端的流量传感器每个控制信号下每一时刻的输出信号，使用开源测控软件【4】开发上位机程序，绘制每个输入信号与该信号下的一系列流量值，即绘制出死区特性曲线。

参考

1. 《比例阀控液压缸系统的非线性特性及控制方法研究》
2. 《电液比例阀中位死区的线性化补偿方法》

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