電液伺服閥頻率特性測試方法
電液流量伺服閥頻率特性定義為:控制電流在某個(gè)頻率范圍內(nèi)做正弦變化時(shí),閥的空載控制流量對控制電流的復(fù)數(shù)比。因伺服閥內(nèi)部含有多種非線性環(huán)節(jié),伺服閥的性能又受外界環(huán)境條件影響,因此規(guī)定伺服閥的頻率特性應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件及控制電流峰間值為50%額定輸入信號下測定。
設(shè)伺服閥的傳遞函數(shù)為G(s),伺服閥的頻率特性為G(jω)=G(s)|s=jω,G|(jω)|表示頻率特性的幅值,∠G(jω)表示頻率特性的相角。當(dāng)對閾值恒定的、頻率在某一范圍內(nèi)變化的正弦信號,便可以得到G|(jω)|和∠G(jω)變化情況,分別稱為伺服閥的幅頻特性和相頻特性。也可以對伺服閥輸入某一幅值的階躍信號,相應(yīng)地測取伺服閥輸出的階躍響應(yīng),然后用傅氏變換方法求出伺服閥頻率響應(yīng)。目前,生產(chǎn)廠家一般用正弦輸入法來測取伺服閥頻率特性。由于伺服閥的瞬時(shí)流量很難直接測取,一般用動(dòng)態(tài)液壓缸間接測取。設(shè)伺服閥的流量為q,動(dòng)態(tài)液壓缸的活塞面積為Ap,活塞運(yùn)動(dòng)速度為y,顯然有如下關(guān)系
Q=Apy
活塞運(yùn)動(dòng)速度與伺服閥流量成比例,可以用活塞運(yùn)動(dòng)速度變化代表閥輸出流量變化,在工程上測取活塞運(yùn)動(dòng)速度是很易實(shí)現(xiàn)的。用輸入正弦信號測試伺服閥頻率特性框圖如圖5所示。
(1)頻率特性測試。頻率特性測試儀具有以下作用:①向電控器發(fā)出幅值恒定的、頻率按某一步長遞增的正弦信號;②接收動(dòng)態(tài)液壓缸的速度信號;③將發(fā)出信號和接收信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,顯示出閥的幅值響應(yīng)和相位響應(yīng)。
(2)電控器的功能和要求。電控器的功能和要求如下:①接受頻率特性測試儀發(fā)出的正弦信號,給伺服閥發(fā)出相應(yīng)幅值恒定的電流正弦信號,使伺服閥作相應(yīng)正弦響應(yīng);②接收動(dòng)態(tài)液壓缸位移y信號,使伺服閥、動(dòng)態(tài)液壓缸構(gòu)成閉環(huán)位置控制回路;③接收動(dòng)態(tài)液壓缸的速度y信號,經(jīng)適當(dāng)放大后直接輸給動(dòng)態(tài)測試儀。
電控器位置回路的作用是:在動(dòng)態(tài)測試過程中使活塞運(yùn)動(dòng)的平均位置始終處于動(dòng)態(tài)液壓缸的中位,或接近于中位的某一位置,這樣在測試過程中不會發(fā)生撞缸現(xiàn)象,同時(shí)也提高了測試精度。電控器內(nèi)的位置反饋信道應(yīng)是低通濾波型的,濾波轉(zhuǎn)折頻率應(yīng)≤0.5Hz。對≤0.2Hz范圍的信號,位置回路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制功能,大于上述頻率,反饋回路實(shí)質(zhì)是“開”的,位置閉環(huán)變成位置開環(huán)。只有在開環(huán)條件下測試,才能得到真實(shí)的伺服閥頻率響應(yīng)。位置閉環(huán)回路應(yīng)有適宜的回路增益,使在測試過程中活塞的平均位置始終能保持在某一位置,從而使測試結(jié)果更精確可靠,這一點(diǎn)十分重要。通常伺服閥的動(dòng)態(tài)測試結(jié)果一致性不是很好,原因之一就是在測試過程中活塞位置定位不好。因?yàn)樗俣葌鞲衅鞯拇艌鲈谳S線方向上的分布雖然是恒定的,但卻不均等。在測試過程中如活塞的定位浮動(dòng),就有可能使前后兩次檢測的速度信號不是唯一恒定的,因而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)一致性不好。電控器的功率放大器應(yīng)設(shè)計(jì)成深度電流反饋型,而且具有足夠大的功率,這樣在寬廣的頻率范圍內(nèi)的測試過程中才能滿足要求:在高達(dá)數(shù)百赫茲頻率的測試范圍內(nèi),伺服閥的動(dòng)態(tài)特性不受閥線圈電感影響,輸給閥的正弦信號也不會失真,電控器人口輸入電壓與閥輸入電流標(biāo)定值與閥的線圈電阻無關(guān)。
(3)動(dòng)態(tài)液壓缸。動(dòng)態(tài)液壓缸的活塞運(yùn)動(dòng)摩擦力、質(zhì)量m及內(nèi)漏應(yīng)盡可能小,活塞容腔Vt盡可能小,應(yīng)參照圖6結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。
活塞頭與缸筒之間的密封可以不采用密封件密封,用高精度間隙密封。如采用密封件密封,密封件的壓縮量不宜取大,采用結(jié)構(gòu)合理低摩擦因數(shù)的密封件。位移傳感器和速度傳感器應(yīng)設(shè)計(jì)成內(nèi)置式,沉浸在液壓缸的左、右兩腔內(nèi)?;钊麅啥藷o外伸活塞桿,這將避免通常結(jié)構(gòu)的桿密封和桿端支撐。按這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)液壓缸的摩擦力和運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量應(yīng)該是很小。
動(dòng)態(tài)液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸是液壓缸缸徑D和活塞限位行程L,D、L大小與待試伺服閥額定流量qn大小有關(guān)。下面的設(shè)計(jì)計(jì)算公式是基于活塞容腔為最小原則下推導(dǎo)出來的。
設(shè)活塞在伺服閥驅(qū)動(dòng)下做正弦運(yùn)動(dòng),活塞行程為y,低頻時(shí)振幅為y0,則有
Y=y0sin2πωt
式中:ω為正弦運(yùn)動(dòng)頻率,Hz。
相應(yīng)地活塞運(yùn)動(dòng)速度為
y=2πωy0cos2πωt
設(shè)伺服閥的額定流量為qn,檢測頻率特性時(shí)輸給伺服閥電流信號峰值為0.5iN,iN為閥的額定電流,則在初始低頻時(shí)閥的流量峰值為0.5qn,于是式(2)成立
檢測頻率特性時(shí),往往取初始頻率為5Hx。頻率為5Hz時(shí),圖5的位置回路實(shí)際上處于斷開狀態(tài)。此外,伺服閥頻率響應(yīng)一般都很高,頻率5Hz時(shí)輸出幅值基本沒有衰減,因此,起始頻率為5Hz是合理的。把起始頻率5Hz代八式(2),則有
Y0=0.3377×(qn/D2)
這是閥的額定流量qn、缸徑D和初始振幅y0的關(guān)系式。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)將已知閥的額定流量qn、初步選定的缸徑D代入式(3),便可求出活塞初始頻率點(diǎn)的初始振幅y0?;钊南尬恍谐蘈應(yīng)滿足L≥y0,推薦取L=y0。
推薦常用的不同流量動(dòng)態(tài)液壓缸參數(shù)見下表。
額定流量qn/(L/min) |
≤10 |
≤100 |
≤400 |
缸徑D/cm |
4 |
8 |
10 |
活塞限位行程L/cm |
0.7 |
1 |
1.8 |
按圖7所示模型進(jìn)行數(shù)字仿真。取不同的輸出狀態(tài)參量,即閥心位移xv幅值和動(dòng)態(tài)液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)速度y幅值分別與輸入幅值為I0的正弦電流信號相比較,得出伺服閥閥心xv(輸出的頻率響應(yīng))和動(dòng)態(tài)液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)速度y(輸出的頻率響應(yīng))是一致的,這說明活塞等運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量和活塞容腔對伺服閥真實(shí)頻率響應(yīng)的影響很小。按表3尺寸設(shè)計(jì)出來的動(dòng)態(tài)液壓缸,不會給檢測結(jié)果帶來誤差。
為保證伺服閥頻率特性測試的可信度,需對一種新設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)液壓缸或外購的動(dòng)態(tài)液壓缸,或使用時(shí)間很長后動(dòng)態(tài)液壓缸的檢測可信度進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定方法如下:
用電反饋電液流量伺服閥代替一般電液流量伺服閥裝到動(dòng)態(tài)液壓缸上。動(dòng)態(tài)液壓缸缸徑小的,采用二級電反饋電液流量伺服閥;缸徑大的,采用三級電液流量伺服閥。標(biāo)定動(dòng)態(tài)液壓缸的信號傳遞框圖如圖8所示。圖8中電控器功能與圖5中的電控器功能一樣,只不過此處電控器輸出信號為電壓,而圖5為電流。圖中的閥心位移x,信號是從電反饋伺服閥的內(nèi)裝放大器反饋通道中引出??梢娝欧y的頻率特性可同時(shí)從兩個(gè)不同輸出信號檢測出:①從動(dòng)態(tài)液壓缸的輸出速度信號y;②從伺服閥的閥心位移信號xv檢測出。如果兩者測出的頻率特性一致,說明用該動(dòng)態(tài)液壓缸檢測頻率特性是可信的;如果兩者檢測出的頻率特性不一致且相差較大,說明用該動(dòng)態(tài)液壓缸檢測頻率特性不可信,應(yīng)查明原因,予以排除。