液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計步驟

來源：機械工程文萃

液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計步驟大致如下:

明確設(shè)計要求；

擬定控制方案，畫出系統(tǒng)原理圖；

靜態(tài)計算:確定動力元件參數(shù)，選擇系統(tǒng)組成元件；

動態(tài)計算:確定系統(tǒng)組成元件的動態(tài)特性，畫出系統(tǒng)方塊圖，計算系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)特性和靜態(tài)精度；

校驗系統(tǒng)動、靜態(tài)品質(zhì)，需要時對系統(tǒng)進行校正。

選擇液壓能源。

在設(shè)計過程中，以上各步驟實際上是交叉和反復(fù)進行的，直至獲得滿意結(jié)果為止。

01明確設(shè)計要求

在設(shè)計時，首先要根據(jù)主機要求明確設(shè)計任務(wù)，包括:

明確被控制的物理量是什么，是位置、速度、力還是其它物理量?？刂埔?guī)律是恒值控制還是隨動控制。

明確負載特性，即負載的類型、大小和負載的運動規(guī)律。確定負載最大位移、最大速度、最大加速度、最大消耗功率及控制范圍等。

控制精度的要求:由指令信號、負載力引起的穩(wěn)態(tài)誤差;由參數(shù)變化和元件零漂引起的靜差;非線性因素(執(zhí)行元件和負載的摩擦力，放大器和伺服閥的滯環(huán)、死區(qū)，傳動機構(gòu)的間隙等)引起的誤差等。

動態(tài)品質(zhì)的要求:相對穩(wěn)定性可用相位裕量和增益裕量、諧振峰值或超調(diào)量等來規(guī)定。響應(yīng)的快速性可用穿越頻率、頻寬、上升時間和調(diào)整時間等來規(guī)定。

明確工作環(huán)境，如環(huán)境溫度、周圍介質(zhì)、環(huán)境濕度、外界沖擊與振動、噪聲干擾等。

其它要求，如尺寸重量、可靠性、壽命及成本等。

02擬定控制方案，畫出原理圖

1.伺服系統(tǒng)的控制方案主要是根據(jù)被控物理量類型、控制功率的大小、執(zhí)行元件運動方式、各種靜、動態(tài)性能指標值以及環(huán)境條件和價格等因素考慮決定的。在確定控制方案時應(yīng)考慮

采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制要求結(jié)構(gòu)簡單、造價低、控制精度不需很高的場合宜采用開環(huán)控制。反之，對外界干擾敏感、控制精度要求高的場合宜采用閉環(huán)。

采用閥控還是泵控凡是要求響應(yīng)快、精度高、結(jié)構(gòu)簡單，而不計較效率低、發(fā)熱量大、參數(shù)變化范圍大的小功率系統(tǒng)可采用閥控方式。反之，追求效率高、發(fā)熱量小、溫升有嚴格限制、參數(shù)量值比較穩(wěn)定，而容許結(jié)構(gòu)復(fù)雜些、價格高些、響應(yīng)低些的大功率系統(tǒng)可采用泵控方式

執(zhí)行元件采用液壓缸還是液壓馬達在選擇執(zhí)行元件時，除了運動形式以外，還需考慮行程和負載。例如，直線位移式伺服系統(tǒng)在行程短、出力大時宜采用液壓缸，行程長、出力小時宜采用液壓馬達。

采用機液伺服還是電液伺服

2.控制方案決定以后，就可以構(gòu)成控制系統(tǒng)職能方塊圖，從原理上滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。在構(gòu)成職能方塊圖時，還要考慮輸入信號發(fā)送器和反饋傳感器的形式。因為輸入信號和反饋信號的形式不同，系統(tǒng)電子部分的方塊結(jié)構(gòu)也不同。

03確定動力元件參數(shù)，選擇系統(tǒng)元件

液壓動力元件參數(shù)的選擇是系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計的一個主要內(nèi)容。動力元件參數(shù)選擇包括系統(tǒng)的供油壓力Ps，液壓執(zhí)行元件的主要規(guī)格尺寸，即液壓缸的有效面積Ap，或液壓馬達的排量Dm，伺服閥的最大空載流量Qom。當(dāng)選擇液壓馬達作執(zhí)行元件時，還應(yīng)包括齒輪傳動比i的選擇。

(一)供油壓力的選擇

選擇較高的供油壓力，可以減小液壓動力元件、液壓能源裝置和連接管道等部件的重量和尺寸，可以減小壓縮性容積和減小油液中所含空氣對體積彈性模量的影響，有利于提高液壓固有頻率。但執(zhí)行元件主要規(guī)格尺寸(活塞面積和液壓馬達排量)減小，又不利于液壓固有頻率提高。

選擇較低的供油壓力，可以降低成本，可以減小泄漏、減小能量損失和溫升，可以延長使用壽命，易于維護，噪聲較低。在條件允許時，通常還是選用較低的供油壓力。

在一般工業(yè)的伺服系統(tǒng)中，供油壓力可在2.514MPa的范圍內(nèi)選取，在軍用伺服系統(tǒng)中可在2132MPa的范圍內(nèi)選取

（二）液壓執(zhí)行元件主要規(guī)格尺寸和伺服閥空載流量的確定

1.按負載匹配確定

有負載匹配的圖解法和負載最佳匹配的解析法兩種。按負載匹配確定執(zhí)行元件的主要規(guī)格尺寸和伺服閥空載流量，系統(tǒng)效率較高，適合于較大功率的伺服系統(tǒng)。

2.按最大負載力和最大負載速度確定

工程上常用近似計算的方法確定執(zhí)行元件的主要規(guī)格尺寸和伺服閥空載流量。

按最大負載力FLmax確定執(zhí)行元件的規(guī)格尺寸，并限定伺服閥的負載壓力PL≤2Ps/3，則液壓缸的有效面積為

對系統(tǒng)的典型工作循環(huán)加以分析，可以確定最大負載力FLmax。但作工作循環(huán)圖是比較麻煩的，有時難以確定。作為近似計算，可以認為各類負載力同時存在且為最大值。

伺服閥空載流量可按最大負載速度確定，并認為最大負載速度和最大負載力是同時出現(xiàn)的。則伺服閥空載流量為

這種近似的計算方法偏于保守，計算出的活塞面積和伺服閥空載流量偏大，系統(tǒng)功率儲備大。

另一種方法是按最大負載力確定液壓缸活塞面積，然后按負載最大功率點的速度或最大負載速度確定伺服閥的空載流量，根據(jù)兩者中的較大值選擇伺服閥。

3.按液壓固有頻率確定執(zhí)行元件的主要規(guī)格尺寸

在負載很小并要求有較高的頻率響應(yīng)時，可按液壓固有頻率確定執(zhí)行元件的規(guī)格尺寸。液壓缸活塞面積為

液壓固有頻率可按系統(tǒng)要求頻寬的5~10倍來確定。按液壓固有頻率確定的執(zhí)行元件規(guī)格尺寸一般偏大，系統(tǒng)功率儲備大。

（三）伺服閥的選擇

伺服閥最大的壓力-流量曲線應(yīng)包圍所有的負載工況點，并使PL≤2Ps/3(對位置或速度控制)。伺服閥的額定流量應(yīng)留有一定余量，通常取該余量為負載所需流量的15%左右，在快速性高的系統(tǒng)中可取到30%。根據(jù)選定的供油壓力Ps和計算出的伺服閥空載流量q0m，可從伺服閥樣本中選出合適的伺服閥。

除了流量規(guī)格之外，在選擇伺服閥時還應(yīng)考慮以下因素:

流量增益的線性要好，壓力靈敏度較大，但對力控制系統(tǒng)要求壓力靈敏度較低為好;

不靈敏度、溫度和壓力零漂盡量小，泄漏較小;

伺服閥的頻寬應(yīng)滿足系統(tǒng)要求，頻寬過低將限制系統(tǒng)的響應(yīng)特性，過高將損壞系統(tǒng)的抗干擾能力。伺服閥的頻寬應(yīng)高出液壓固有頻率的3~5倍;

其它，如對污染的敏感性、是否加顫振信號、可靠性、價格等。

（四）齒輪傳動比的選擇

1.直接驅(qū)動

采用液壓馬達直接驅(qū)動，能獲得較大的負載加速度，負載加速特性好;不存在齒輪傳動間隙的非線性;避免了傳動機構(gòu)柔度的影響，可以提高連接剛度;但要求液壓馬達的低速性能好，適用于控制系統(tǒng)的低速液壓馬達難以得到。

2.齒輪傳動

選擇齒輪傳動比應(yīng)考慮:

1)首先必須滿足負載速度的要求，即

i--齒輪傳動比;Wm max液壓馬達最高額定轉(zhuǎn)速;Wm min--液壓馬達最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速;

WL max負載最高轉(zhuǎn)速;@WL min--負載最低轉(zhuǎn)速。

最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速所要求的傳動比可能是不一樣的，兩者之間必須滿足

式中，i是可取的傳動比。

2)為獲得滿意的液壓固有頻率，齒輪傳動比應(yīng)足夠大。提高齒輪減速比可以減小負載慣量的影響，提高液壓固有頻率。在極端的情況下，液壓固有頻率將由液壓馬達和第一級齒輪的慣量所決定。

3)應(yīng)使負載加速度盡量大，提高負載加速能力。負載軸上的力矩平衡方程為

式中，Tm--液壓馬達產(chǎn)生的力矩;

J ~m~ --液壓馬達和第一級齒輪的轉(zhuǎn)動慣量; J ~L~ --末級齒輪和負載的轉(zhuǎn)動慣量; 負載的加速度為：

將上式對i求導(dǎo)令其等于零，求得最佳傳動比為

此時，負載最大加速度為

當(dāng)負載慣量Jm一定時，為了增大負載最大加速度,應(yīng)使液壓馬達的Tm/√Jm 盡量大。

采用齒輪減速，高速液壓馬達容易得到;價格便宜，同時改善了系統(tǒng)低速平穩(wěn)性，但存在齒隙非線性。

(五)其它元件的選擇

反饋傳感器或偏差檢測器、交流誤差放大器、解調(diào)器、直流功率放大器等元件的選擇。

在選擇這些元件時，要考慮系統(tǒng)在增益和精度上的要求。根據(jù)系統(tǒng)總誤差的分配情況，看它們的精度(如零漂、不靈敏度等)是否滿足要求。反饋傳感器或偏差檢測器的選擇特別重要，檢測器的精度應(yīng)高于系統(tǒng)所要求的精度。反饋傳感器或偏差檢測器的精度、線性度、測量范圍、測量速度等要滿足要求。交流誤差放大器、解調(diào)器、直流功率放大器的增益應(yīng)滿足系統(tǒng)要求，而且希望增益有一個調(diào)節(jié)范圍。在增益分配允許的情況下，應(yīng)使交流放大器保持較高的增益，這樣可以減小直流放大器漂移引起的誤差。

04動態(tài)計算

確定各組成元件的動態(tài)特性(傳遞函數(shù)、頻率特性)畫出系統(tǒng)方塊圖，求出傳遞函數(shù)，畫出開環(huán)伯德圖。伺服閥和一些元件的傳遞函數(shù)可從樣本中查到。通常，傳感器、放大器的動態(tài)特性可以忽略，將其看成比例環(huán)節(jié)。

由穩(wěn)定性確定開環(huán)放大系數(shù)和放大器增益。

由開環(huán)伯德圖通過尼柯爾斯圖畫出閉環(huán)伯德圖，確定系統(tǒng)的頻寬等閉環(huán)參數(shù)。

根據(jù)求出的開環(huán)增益計算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。

05檢驗系統(tǒng)的靜動態(tài)指標

檢驗系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)性能指標是否滿足設(shè)計要求，如不滿足要求，就需對系統(tǒng)進行校正，或者重新選擇動力元件參數(shù)，直至重新選擇控制方案。

審核編輯：湯梓紅