FF-102電液伺服閥的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)一直是電液伺服閥性能測(cè)試中的難點(diǎn)，需要解決許多關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。測(cè)試對(duì)象是型號(hào)為FF-102電液伺服閥，額定電流40mA，額定流量25L/min，幅頻寬和相頻寬大約在60～200Hz之間。

電液伺服閥動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試方法有正弦頻率掃描法和譜分析法，正弦頻率掃描法是最常用的傳統(tǒng)測(cè)試法，本例采用正弦頻率掃描法進(jìn)行伺服閥頻率特性測(cè)試。動(dòng)態(tài)性能測(cè)試則完全通過(guò)計(jì)算機(jī)和測(cè)試軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

電液伺服閥的動(dòng)態(tài)特性可由頻率特性函數(shù)G(f)來(lái)描敘，G(f)=Y(f)/X(f)，X為輸入信號(hào)（電液伺服閥的給定電流），y為輸出信號(hào)（無(wú)載液壓缸的速度），f為輸入信號(hào)的頻率。電液伺服閥是線性時(shí)不變系統(tǒng)，當(dāng)輸入信號(hào)為振幅不變、頻率不斷變化的正弦信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)為頻率相同的正弦信號(hào)，而振幅和相位有所變化。輸入、輸出信號(hào)的振幅比隨頻率的變化就是幅頻特性L(f)，輸入、輸出信號(hào)的相位差隨頻率的變化就是相頻特性Ф(f)。

1．測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)由無(wú)載液壓缸、加速度傳感器與積分器、位移傳感器、低增益位置閉環(huán)定中系統(tǒng)、數(shù)字式信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和工業(yè)PC等組成，動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖9所示。

被試閥的輸入信號(hào)由數(shù)字式信號(hào)發(fā)生器提供。信號(hào)發(fā)生器是自行研制開發(fā)的產(chǎn)品，采用嵌入式CPU，配有通信口、專用觸摸鍵盤、液晶顯示屏和16位高精度的D/A模塊，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、正弦頻率掃描和偽隨機(jī)等多種信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器具有本地和遠(yuǎn)程兩種操作模式：①本地方式下通過(guò)信號(hào)發(fā)生器面板上的專用觸摸鍵盤設(shè)定信號(hào)參數(shù)；②遠(yuǎn)程方式下由工控機(jī)設(shè)定信號(hào)參數(shù)，通過(guò)串口下裝給信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的頻率范圍為0.01～1kHz，完全滿足伺服閥動(dòng)態(tài)性能測(cè)試的需要。

被試閥的輸出信號(hào)為流量，由小質(zhì)量、低摩擦的無(wú)載液壓缸作為測(cè)試裝置，液壓缸的速度與輸出流量成正比，因此將液壓缸速度信號(hào)作為被試閥的輸出信號(hào)。

速度系統(tǒng)不穩(wěn)定，無(wú)載液壓缸在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中會(huì)逐漸偏離其原始位置，為防止漂移，增加了低增益位置閉環(huán)定中系統(tǒng)。

本測(cè)試系統(tǒng)完全由計(jì)算機(jī)和測(cè)試軟件完成伺服閥動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中，能夠?qū)崟r(shí)顯示試驗(yàn)曲線，在線處理和打印試驗(yàn)結(jié)果。測(cè)試軟件運(yùn)行在Windows平臺(tái)上，使用Delphi5.0進(jìn)行開發(fā)，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)設(shè)置和通信等功能，此外軟件還具有動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的示波器功能，能夠?qū)崟r(shí)顯示測(cè)試頻率點(diǎn)處的信號(hào)波形。

2．動(dòng)態(tài)測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)

電液伺服閥的動(dòng)態(tài)測(cè)試需要解決一系列的關(guān)鍵問(wèn)題，包括：如何設(shè)計(jì)和加工無(wú)載液壓缸，如何測(cè)量無(wú)載液壓缸的速度，如何防止液壓缸偏離其初始位置，計(jì)算機(jī)如何高速采集和處理測(cè)試數(shù)據(jù)等。正確解決這些問(wèn)題是成功完成伺服閥動(dòng)態(tài)測(cè)試的關(guān)鍵。

(1)無(wú)載液壓缸的設(shè)計(jì)和加工。無(wú)載液壓缸是伺服閥動(dòng)態(tài)測(cè)試的關(guān)鍵元件，要求摩擦力必須很小同時(shí)叉不能有泄漏，因此活塞與缸筒之間只能靠間隙密封，加工精度要求非常高。另外，無(wú)載液壓缸的固有頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被試閥的固有頻率，一般在10倍以上。無(wú)載液壓缸固有頻率w_h的計(jì)算公式為

w_h=√（4A²β）/V_tm

式中：A為無(wú)載液壓缸活塞有效面積；β為油液有效體積模數(shù)；V_t為管道及液壓缸的可壓縮體積；m為液壓缸活塞及運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量。

為提高無(wú)載液壓缸的固有頻率，應(yīng)盡可能減少活塞、活塞桿等可動(dòng)部分的質(zhì)量m，將被試閥直接安裝在無(wú)載液壓缸上。另外，增大活塞的有效面積也有利于提高固有頻率，但是有效面積過(guò)大將使液壓缸兩端蓋受力面積增大，高壓下具有危險(xiǎn)性，因此要合理設(shè)計(jì)液壓缸的直徑以及活塞桿徑。

經(jīng)過(guò)綜合分析并根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，測(cè)試系統(tǒng)無(wú)載液壓缸缸體材料選用合金鋼

38CrMnA1，缸筒的材料與活塞相同，端蓋的材料為94號(hào)青銅，活塞與缸筒、活塞桿與缸筒的加工間隙為5μm。無(wú)載液壓缸的最大行程為38mm，液壓缸直徑為50mm，活塞桿直徑為16mm。根據(jù)固有頻率的計(jì)算公式，按照上述參數(shù)設(shè)計(jì)的無(wú)載液壓缸固有頻率大約為l2kHz，完全滿足伺服閥動(dòng)態(tài)測(cè)試的要求。

檢測(cè)無(wú)載液壓缸的加工質(zhì)量可以采用如下方法：將無(wú)載液壓缸傾斜50°左右，活塞將勻速緩慢滑下，下滑過(guò)程中無(wú)加速和停滯現(xiàn)象；封住伺服閥的A口和B口，難以用手拖動(dòng)活塞桿（由于空氣的壓縮性，會(huì)有微小移動(dòng)）。

(2)無(wú)載液壓缸速度測(cè)量。速度測(cè)量一般使用速度傳感器，但是在本測(cè)試系統(tǒng)中不采用速度傳感器測(cè)量速度，這是因?yàn)椋?/span>

1)速度傳感器對(duì)安裝位置和精度要求極高，位置精度將極大影響速度信號(hào)的質(zhì)量。

2)一般的速度傳感器固有頻率較低，與伺服閥的頻寬比較接近，在高頻段測(cè)試時(shí)容易產(chǎn)生共振，導(dǎo)致速度信號(hào)畸變。

3)系統(tǒng)要求速度傳感器速度慢，靈敏度高，同時(shí)行程大，而一般的直線速度傳感器用于測(cè)振，其速度快，行程小，靈敏度低。

測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)加速度信號(hào)獲取速度：采用加速度傳感器測(cè)量無(wú)載液壓缸的加速度，然后通過(guò)放大電路和積分電路轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)。加速度傳感器選用壓電式，它具有體積小，質(zhì)量小和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，其獲取的加速度信號(hào)在各個(gè)方向完全獨(dú)立，因此安裝極為簡(jiǎn)單方便，可以直接固定在無(wú)載液壓缸的活塞桿上。壓電式加速度傳感器的固有頻率極高，一般在1GHz以上，有效地防止了在高頻段試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生共振。加速度傳感器輸出的是電荷信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)電荷放大器進(jìn)行信號(hào)放大，然后通過(guò)純積分電路獲取速度信號(hào)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)加速度傳感器和放大積分電路測(cè)量無(wú)載液壓缸速度的方法是可行的，獲取的速度信號(hào)理想、準(zhǔn)確，并且安裝非常方便。

(3)低增益位置閉環(huán)定中系統(tǒng)。位置閉環(huán)定中系統(tǒng)的作用是保證無(wú)載液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的平衡點(diǎn)不偏離初始位置。在液壓缸活塞桿的一端帶位移傳感器（另一端為加速度計(jì)），傳感器為L(zhǎng)VDT差動(dòng)變壓器式位移傳感器，用它作為活塞偏離的檢測(cè)元件，其輸出信號(hào)通過(guò)放大電路后反饋給伺服閥放大器的輸入端，作為活塞的糾正信號(hào)。圖10為加入位置閉環(huán)定中系統(tǒng)后的測(cè)試系統(tǒng)框圖。位置定中系統(tǒng)并不要求很高的位置定中精度，采用低增益系統(tǒng)就可以滿足。

(4)高速精確數(shù)據(jù)采集。頻率特性試驗(yàn)過(guò)程中，信號(hào)發(fā)生器發(fā)送一系列幅值不變而頻率連續(xù)變化的正弦頻率掃描信號(hào)，由計(jì)算機(jī)設(shè)定掃描信號(hào)并通過(guò)串口下裝給信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)設(shè)定包括設(shè)定掃描方式（對(duì)數(shù)掃描和線性掃描，通常采用對(duì)數(shù)掃描方式）、信號(hào)的幅值、掃描頻率范圍（開始頻率和結(jié)束頻率）、掃描間隔（對(duì)數(shù)掃描方式下為10倍頻程的掃描點(diǎn)數(shù)，線性掃描方式下為頻率間隔）和積分波數(shù)量（單個(gè)頻率點(diǎn)的掃描次數(shù)）等。

計(jì)算機(jī)采集伺服閥的電流信號(hào)和無(wú)載液壓缸的速度(乘以無(wú)載液壓缸有效面積和傳感器的靈敏度系數(shù)可以得到伺服閥的瞬時(shí)流量Q)，同時(shí)信號(hào)發(fā)生器將信號(hào)頻率通過(guò)串口返回給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制幅頻特性和相頻特性的曲線。

頻率特性試驗(yàn)要求高速數(shù)據(jù)采集，同時(shí)還要嚴(yán)格保證采樣間隔的精確性，由于Windows系統(tǒng)是多任務(wù)、非實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)，在該環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高速精確采集比較困難。本測(cè)試系統(tǒng)采用臺(tái)灣研華16位高精度數(shù)據(jù)采集卡PCL816，通過(guò)編程設(shè)置采集卡工作在硬件中斷采集方式下，并利用板載定時(shí)器作為中斷采集的觸發(fā)信號(hào)，采樣數(shù)據(jù)以DMA方式高速傳送至數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這樣就實(shí)現(xiàn)了最高50K的采樣速度，同時(shí)保證了采樣間隔嚴(yán)格準(zhǔn)確。

(5)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理。為求取信號(hào)的幅值比和相位差，要求嚴(yán)格測(cè)量一完整周期內(nèi)的電流信號(hào)和速度信號(hào)，計(jì)算其幅值比和相位差。通過(guò)軟件或硬件的方式可以采集信號(hào)峰值并獲取峰值時(shí)間，然而由于干擾信號(hào)（在速度信號(hào)中最為嚴(yán)重）的存在，這種方案在實(shí)際應(yīng)用中難以準(zhǔn)確計(jì)算出信號(hào)的幅值比和相位差。為消除干擾信號(hào)的影響，本系統(tǒng)對(duì)電流和速度信號(hào)進(jìn)行高速連續(xù)采樣，并對(duì)一完整周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行正弦擬合，計(jì)算信號(hào)的幅值和相位。設(shè)，頻率下電流信號(hào)的正弦擬合方程為A_I=sin(2πft+Ф_I)，速度信號(hào)的擬合方程為A₀=sin(2πft+Ф₀)，則可計(jì)算出廠頻率下信號(hào)的幅值比和相位差為

L(f)=20lg(A₀/A_I)；Ф(f)=Ф₀-Ф_I

為防止出現(xiàn)隨機(jī)誤差，對(duì)同一頻率點(diǎn)采樣多個(gè)周分波數(shù)量較多。測(cè)試軟件采用樣條函數(shù)對(duì)最終的幅頻特性和相頻特性曲線進(jìn)行擬合，移動(dòng)光標(biāo)可以讀取任一頻率點(diǎn)的幅值和相位，對(duì)于非測(cè)試頻率點(diǎn)的幅值和相位的計(jì)算，采用B樣條函數(shù)進(jìn)行差值處理。

3．測(cè)試結(jié)果

電液伺服閥動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。

圖11 (a)是測(cè)試系統(tǒng)對(duì)FF102型電液伺服閥(額定流量25L/min，額定電流40mA)在21MPa額定壓力和50%額定電流下的頻率特性試驗(yàn)結(jié)果(油溫40℃，液壓油為SH0358-1995)，與頻率特性動(dòng)態(tài)分析儀的試驗(yàn)結(jié)果完全相同。圖11 (h)是在相同測(cè)試條件下，通過(guò)測(cè)試軟件的示波器功能記錄的伺服閥在頻率為10Hz時(shí)的電流和流量（由無(wú)載液壓缸速度值計(jì)算得到）時(shí)域信號(hào)。