FF-102電液伺服閥的動態(tài)性能測試

動態(tài)試驗一直是電液伺服閥性能測試中的難點，需要解決許多關(guān)鍵的技術(shù)問題。測試對象是型號為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。

電液伺服閥動態(tài)性能的測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)測試法，本例采用正弦頻率掃描法進行伺服閥頻率特性測試。動態(tài)性能測試則完全通過計算機和測試軟件來實現(xiàn)。

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

1．測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)由無載液壓缸、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)字式信號發(fā)生器、功率放大器和工業(yè)PC等組成，動態(tài)測試系統(tǒng)框圖如圖9所示。

被試閥的輸入信號由數(shù)字式信號發(fā)生器提供。信號發(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等多種信號。信號發(fā)生器具有本地和遠(yuǎn)程兩種操作模式：①本地方式下通過信號發(fā)生器面板上的專用觸摸鍵盤設(shè)定信號參數(shù)；②遠(yuǎn)程方式下由工控機設(shè)定信號參數(shù)，通過串口下裝給信號發(fā)生器。信號發(fā)生器輸出信號的頻率范圍為0.01～1kHz，完全滿足伺服閥動態(tài)性能測試的需要。

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

速度系統(tǒng)不穩(wěn)定，無載液壓缸在往復(fù)運動中會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)。

本測試系統(tǒng)完全由計算機和測試軟件完成伺服閥動態(tài)性能測試，測試過程中，能夠?qū)崟r顯示試驗曲線，在線處理和打印試驗結(jié)果。測試軟件運行在Windows平臺上，使用Delphi5.0進行開發(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，此外軟件還具有動態(tài)試驗的示波器功能，能夠?qū)崟r顯示測試頻率點處的信號波形。

2．動態(tài)測試的關(guān)鍵技術(shù)

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

(1)無載液壓缸的設(shè)計和加工。無載液壓缸是伺服閥動態(tài)測試的關(guān)鍵元件，要求摩擦力必須很小同時叉不能有泄漏，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。無載液壓缸固有頻率w_h的計算公式為

w_h=√（4A²β）/V_tm

式中：A為無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為液壓缸活塞及運動部件的質(zhì)量。

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

經(jīng)過綜合分析并根據(jù)設(shè)計計算，測試系統(tǒng)無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號青銅，活塞與缸筒、活塞桿與缸筒的加工間隙為5μm。無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)固有頻率的計算公式，按照上述參數(shù)設(shè)計的無載液壓缸固有頻率大約為l2kHz，完全滿足伺服閥動態(tài)測試的要求。

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

(2)無載液壓缸速度測量。速度測量一般使用速度傳感器，但是在本測試系統(tǒng)中不采用速度傳感器測量速度，這是因為：

1)速度傳感器對安裝位置和精度要求極高，位置精度將極大影響速度信號的質(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，在高頻段測試時容易產(chǎn)生共振，導(dǎo)致速度信號畸變。

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

測試系統(tǒng)通過加速度信號獲取速度：采用加速度傳感器測量無載液壓缸的加速度，然后通過放大電路和積分電路轉(zhuǎn)換為速度信號。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，其獲取的加速度信號在各個方向完全獨立，因此安裝極為簡單方便，可以直接固定在無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過程中發(fā)生共振。加速度傳感器輸出的是電荷信號，需要經(jīng)過電荷放大器進行信號放大，然后通過純積分電路獲取速度信號。

試驗結(jié)果表明：通過加速度傳感器和放大積分電路測量無載液壓缸速度的方法是可行的，獲取的速度信號理想、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)的作用是保證無載液壓缸活塞運動時的平衡點不偏離初始位置。在液壓缸活塞桿的一端帶位移傳感器（另一端為加速度計），傳感器為LVDT差動變壓器式位移傳感器，用它作為活塞偏離的檢測元件，其輸出信號通過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。圖10為加入位置閉環(huán)定中系統(tǒng)后的測試系統(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。頻率特性試驗過程中，信號發(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，由計算機設(shè)定掃描信號并通過串口下裝給信號發(fā)生器，信號設(shè)定包括設(shè)定掃描方式（對數(shù)掃描和線性掃描，通常采用對數(shù)掃描方式）、信號的幅值、掃描頻率范圍（開始頻率和結(jié)束頻率）、掃描間隔（對數(shù)掃描方式下為10倍頻程的掃描點數(shù)，線性掃描方式下為頻率間隔）和積分波數(shù)量（單個頻率點的掃描次數(shù)）等。

計算機采集伺服閥的電流信號和無載液壓缸的速度(乘以無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流量Q)，同時信號發(fā)生器將信號頻率通過串口返回給計算機，計算機根據(jù)這些數(shù)據(jù)實時繪制幅頻特性和相頻特性的曲線。

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

(5)計算機數(shù)據(jù)處理。為求取信號的幅值比和相位差，要求嚴(yán)格測量一完整周期內(nèi)的電流信號和速度信號，計算其幅值比和相位差。通過軟件或硬件的方式可以采集信號峰值并獲取峰值時間，然而由于干擾信號（在速度信號中最為嚴(yán)重）的存在，這種方案在實際應(yīng)用中難以準(zhǔn)確計算出信號的幅值比和相位差。為消除干擾信號的影響，本系統(tǒng)對電流和速度信號進行高速連續(xù)采樣，并對一完整周期的數(shù)據(jù)進行正弦擬合，計算信號的幅值和相位。設(shè)，頻率下電流信號的正弦擬合方程為A_I=sin(2πft+Ф_I)，速度信號的擬合方程為A₀=sin(2πft+Ф₀)，則可計算出廠頻率下信號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)隨機誤差，對同一頻率點采樣多個周分波數(shù)量較多。測試軟件采用樣條函數(shù)對最終的幅頻特性和相頻特性曲線進行擬合，移動光標(biāo)可以讀取任一頻率點的幅值和相位，對于非測試頻率點的幅值和相位的計算，采用B樣條函數(shù)進行差值處理。

3．測試結(jié)果

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

圖11 (a)是測試系統(tǒng)對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結(jié)果(油溫40℃，液壓油為SH0358-1995)，與頻率特性動態(tài)分析儀的試驗結(jié)果完全相同。圖11 (h)是在相同測試條件下，通過測試軟件的示波器功能記錄的伺服閥在頻率為10Hz時的電流和流量（由無載液壓缸速度值計算得到）時域信號。