電液伺服閥頻率測試

　　電液流量伺服閥頻率特性定義為：控制電流在某個頻率范圍內(nèi)做正弦變化時，閥的空載控制流量對控制電流的復數(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在標準試驗條件及控制電流峰間值為50%額定輸入信號下測定。

　　設伺服閥的傳遞函數(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，相應地測取伺服閥輸出的階躍響應，然后用傅氏變換方法求出伺服閥頻率響應。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。由于伺服閥的瞬時流量很難直接測取，一般用動態(tài)液壓缸間接測取。設伺服閥的流量為q，動態(tài)液壓缸的活塞面積為Ap，活塞運動速度為y，顯然有如下關系：

　　活塞運動速度與伺服閥流量成比例，可以用活塞運動速度變化代表閥輸出流量變化，在工程上測取活塞運動速度是很易實現(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接收動態(tài)液壓缸的速度信號；③將發(fā)出信號和接收信號進行數(shù)據(jù)處理，顯示出閥的幅值響應和相位響應。

　?。?）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)出相應幅值恒定的電流正弦信號，使伺服閥作相應正弦響應；②接收動態(tài)液壓缸位移y信號，使伺服閥、動態(tài)液壓缸構(gòu)成閉環(huán)位置控制回路；③接收動態(tài)液壓缸的速度y信號，經(jīng)適當放大后直接輸給動態(tài)測試儀。

　　電控器位置回路的作用是：在動態(tài)測試過程中使活塞運動的平均位置始終處于動態(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，同時也提高了測試精度。電控器內(nèi)的位置反饋信道應是低通濾波型的，濾波轉(zhuǎn)折頻率應≤0.5Hz。對≤0.2Hz范圍的信號，位置回路實現(xiàn)閉環(huán)控制功能，大于上述頻率，反饋回路實質(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，才能得到真實的伺服閥頻率響應。位置閉環(huán)回路應有適宜的回路增益，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，這一點十分重要。通常伺服閥的動態(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。因為速度傳感器的磁場在軸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，就有可能使前后兩次檢測的速度信號不是唯一恒定的，因而導致動態(tài)測試數(shù)據(jù)一致性不好。電控器的功率放大器應設計成深度電流反饋型，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：在高達數(shù)百赫茲頻率的測試范圍內(nèi)，伺服閥的動態(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定值與閥的線圈電阻無關。

　　（3）動態(tài)液壓缸。動態(tài)液壓缸的活塞運動摩擦力、質(zhì)量m及內(nèi)漏應盡可能小，活塞容腔Vt盡可能小，應參照圖6結(jié)構(gòu)原理進行設計。

　　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設計成內(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)設計動態(tài)液壓缸的摩擦力和運動件的質(zhì)量應該是很小。

　　動態(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。下面的設計計算公式是基于活塞容腔為最小原則下推導出來的。

　　設活塞在伺服閥驅(qū)動下做正弦運動，活塞行程為y，低頻時振幅為y0，則有

　　式中：ω為正弦運動頻率，Hz。

　　相應地活塞運動速度為

　　設伺服閥的額定流量為qn，檢測頻率特性時輸給伺服閥電流信號峰值為0.5iN，iN為閥的額定電流，則在初始低頻時閥的流量峰值為0.5qn，于是式（2）成立

　　檢測頻率特性時，往往取初始頻率為5Hx。頻率為5Hz時，圖5的位置回路實際上處于斷開狀態(tài)。此外，伺服閥頻率響應一般都很高，頻率5Hz時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

　　這是閥的額定流量qn、缸徑D和初始振幅y0的關系式。設計計算時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的初始振幅y0。活塞的限位行程L應滿足L≥y0，推薦取L=y0。

　　推薦常用的不同流量動態(tài)液壓缸參數(shù)見下表。

　　按圖7所示模型進行數(shù)字仿真。取不同的輸出狀態(tài)參量，即閥心位移xv幅值和動態(tài)液壓缸活塞運動速度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）和動態(tài)液壓缸活塞運動速度y（輸出的頻率響應）是一致的，這說明活塞等運動件的質(zhì)量和活塞容腔對伺服閥真實頻率響應的影響很小。按表3尺寸設計出來的動態(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，需對一種新設計的動態(tài)液壓缸或外購的動態(tài)液壓缸，或使用時間很長后動態(tài)液壓缸的檢測可信度進行標定，標定方法如下：

　　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態(tài)液壓缸上。動態(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。標定動態(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。可見伺服閥的頻率特性可同時從兩個不同輸出信號檢測出：①從動態(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，說明用該動態(tài)液壓缸檢測頻率特性不可信，應查明原因，予以排除。

　　電液伺服閥結(jié)構(gòu)圖

　　圖所示為一種典型的電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理。力矩馬達由一對永久磁鐵1、一對導磁體2、銜鐵3、線圈4和彈簧管5組成。雙噴嘴擋板閥構(gòu)成了前置放大器；功率放大器為四邊滑閥。銜鐵3、彈簧管5與噴嘴擋板閥的擋板6連接在一起，擋板末端為小球狀，嵌放在滑閥8的中間凹槽內(nèi)，構(gòu)成反饋桿傳遞滑閥對力矩馬達的反饋力。

　　其工作原理如下：當線圈中無信號電流輸入時，銜鐵、擋板和滑閥都處于中間對稱位置，如圖所示。當線圈中有信號電流輸入時，銜鐵被磁化，與永久磁鐵和導磁體形成的磁場，合成產(chǎn)生電磁力矩，使銜鐵連同擋板偏轉(zhuǎn)θ角，擋板的偏轉(zhuǎn)使兩噴嘴與擋板之間的縫隙發(fā)生相反的變化，滑閥閥芯兩端壓力pv1、pv2也發(fā)生相反的變化，一個壓力上升，另一個壓力下降，從而推動滑閥閥芯移動。閥芯移動的同時使反饋桿產(chǎn)生彈性變形，對銜鐵擋板組件產(chǎn)生一反力矩。當作用在銜鐵擋板組件上的電磁力矩與彈簧管反力矩、反饋桿反力矩達到平衡時，滑閥停止移動，保持在一定的開口上，并有相應的流量輸出。由于銜鐵、擋板的轉(zhuǎn)角、滑閥的位移都與信號電流成比例變化，在負載壓差一定時，閥的輸出流量也與輸入電流成比例。當輸入信號電流反向時，輸出油液的方向也發(fā)生改變。所以，這是一種流量控制電液伺服閥。