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(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(shè)伺服閥的流量為q，動態(tài)液壓缸的活塞面積為A_p，活塞運動速度為y，顯然有如下關(guān)系

Q=A_py

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。

(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(shè)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(guān)。

(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V_t盡可能小，應參照圖6結(jié)構(gòu)原理進行設(shè)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(shè)計成內(nèi)置式，沉浸在液壓缸的左、右兩腔內(nèi)。活塞兩端無外伸活塞桿，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q_n大小有關(guān)。下面的設(shè)計計算公式是基于活塞容腔為最小原則下推導出來的。

設(shè)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

Y=y₀sin2πωt

式中：ω為正弦運動頻率，Hz。

相應地活塞運動速度為

y=2πωy₀cos2πωt

設(shè)伺服閥的額定流量為q_n，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

Y₀=0.3377×(q_n/D²)

這是閥的額定流量q_n、缸徑D和初始振幅y₀的關(guān)系式。設(shè)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。

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所示模型進行數(shù)字仿真。取不同的輸出狀態(tài)參量，即閥心位移x_v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x_v（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(shè)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(shè)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x_v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。