鄒正佳,李 勝,阮 健,陳夷平

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械制造及自動(dòng)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310032)

在電液伺服控制系統(tǒng)中,電液伺服閥是一個(gè)關(guān)鍵控制元件.它起著機(jī)電轉(zhuǎn)換及信號(hào)放大的作用,在很大程度上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能起到?jīng)Q定性的影響,同時(shí)也決定了電液伺服系統(tǒng)不同的控制方式.2D數(shù)字伺服閥是電液伺服閥的一種,2D數(shù)字伺服閥除傳統(tǒng)數(shù)字閥應(yīng)具有的優(yōu)點(diǎn)(可直接與計(jì)算機(jī)連接、不需要D/A轉(zhuǎn)換器、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、功耗小、工作穩(wěn)定可靠等)外[1],相對(duì)其他伺服閥更具有抗污染能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、構(gòu)成導(dǎo)控閥導(dǎo)控級(jí)的零位泄露(伺服螺旋機(jī)構(gòu)泄漏)極小、無(wú)滯環(huán)、無(wú)死區(qū)以及良好的動(dòng)靜態(tài)特性等優(yōu)點(diǎn)[2].

電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器作為連接電氣元件和機(jī)械元件的橋梁,是電液伺服閥的核心元件,其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到電液伺服閥的整體性能的好壞[3].2D數(shù)字伺服閥的動(dòng)態(tài)性能除受閥體本身機(jī)械結(jié)構(gòu)的頻響影響外,很大程度上受電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器頻響的制約.當(dāng)閥體設(shè)計(jì)完成后,電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器的高頻響是決定其實(shí)現(xiàn)的極為重要的因素.所以提高電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器的頻響是實(shí)現(xiàn)2D數(shù)字伺服閥高頻響的前提.2D數(shù)字閥選擇步進(jìn)電機(jī)作為電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器.

1 2D數(shù)字伺服閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

本實(shí)驗(yàn)采用的閥為三位四通2D數(shù)字伺服閥,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.2D數(shù)字伺服閥是由閥體、電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及位置傳感器等組成.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是用來(lái)連接電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器與閥芯,位置傳感器是用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移.

圖1 2D數(shù)字伺服閥的示意圖Fig.1 Construction Schematic diagram of 2D digital servo valve

1.1 2D數(shù)字伺服閥的工作原理

2D數(shù)字伺服閥是指利用閥芯雙運(yùn)動(dòng)自由度及伺服螺旋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)字伺服閥[2].本實(shí)驗(yàn)采用的閥為三位四通2D數(shù)字伺服閥,其工作原理如圖2所示.最左邊是敏感腔,在閥芯的左端臺(tái)肩上軸對(duì)稱(chēng)的開(kāi)有一對(duì)與進(jìn)油口相通的高壓孔和一對(duì)與回油口相通的低壓孔,在閥套左端內(nèi)壁軸對(duì)稱(chēng)的開(kāi)有兩個(gè)螺旋槽.在初始位置,螺旋槽位于高壓孔與低壓孔的中間位置,此時(shí)流過(guò)高壓孔與低壓孔的油液平衡.當(dāng)電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器帶動(dòng)閥芯順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一角度,如圖2(a)所示,則高壓孔的遮蓋面積比低壓孔的遮蓋面積大,此時(shí)敏感腔的壓力比右腔壓力小,閥芯向左移動(dòng).隨著閥芯向左移動(dòng),高壓孔的遮蓋面積逐漸變小,低壓孔的遮蓋面積逐漸變大,左右兩腔的壓力趨于平衡.當(dāng)電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器帶動(dòng)閥芯逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一角度,如圖2(b)所示,則敏感腔壓力上升,閥芯右移[4-5].

圖2 2D數(shù)字伺服閥的工作原理Fig.2 Working principle of 2D digital servo valve

1.2 電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器的工作原理

2D數(shù)字閥的電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器采用二相混合式步進(jìn)電機(jī).混合式步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)感應(yīng)子式同步電機(jī),是一種低速的同步電動(dòng)機(jī),其工作原理如圖3所示.在其A相與B相線圈中通入相位差為90°的正弦波電流,便會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生類(lèi)正弦波(因磁路的非線性不是嚴(yán)格的正弦波)的驅(qū)動(dòng)力矩 TA和TB,該力矩合成后驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子使其角位移發(fā)生變化.

圖3 混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理Fig.3 Working principle of hybrid stepping motor

采用混合式步進(jìn)電機(jī)作為電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器具有閥體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,并且在工作過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)子每運(yùn)行半個(gè)齒距角,輸入-輸出的單調(diào)比例控制特性便重復(fù)一次.工作行程內(nèi)的多次重復(fù),將使非線性及摩擦力的影響被限制在很小的范圍內(nèi),因此能得到較為理想的定位精度[6-7].但是在工作過(guò)程中,在任意輸入信號(hào)的作用下,要求失調(diào)角大小必須保持在半個(gè)齒距范圍內(nèi)快速響應(yīng),否則將造成轉(zhuǎn)子失步.解決方法是設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的嵌入式控制器對(duì)轉(zhuǎn)子的輸出角位移保持對(duì)輸入信號(hào)實(shí)時(shí)跟蹤控制.

設(shè)計(jì)的控制器的功能框圖如圖4所示.該控制器采用DSP(TMS320F2812)芯片設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)系統(tǒng),一是位置反饋閉環(huán),實(shí)時(shí)讀取電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移θ;一是相電流反饋閉環(huán),實(shí)測(cè)兩相電流的合成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相位θm;然后計(jì)算出二者的差值得到失調(diào)角θm-θ,使其大小保持在半個(gè)齒距角范圍內(nèi)快速響應(yīng).為了保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器既有較高的響應(yīng)速度,同時(shí)又保證其具有較高的定位精度,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)采用同步電機(jī)的控制方法,在其定子各相通入一定相位差的連續(xù)變化的正弦電流,保證轉(zhuǎn)子的輸出角位移可以快速跟蹤輸入信號(hào)的變化.

圖4 控制器功能框圖Fig.4 Function block of controller

2 2D數(shù)字伺服閥的閥動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究

動(dòng)態(tài)特性是指在最大閥開(kāi)口的25%,輸入不同頻率的正弦信號(hào),得出閥芯位移的波形.為了測(cè)量閥的動(dòng)態(tài)特性,專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一樣閥,并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖5所示.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括標(biāo)準(zhǔn)的液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),2D數(shù)字伺服閥(其中包括電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器,選用混合式兩相步進(jìn)電機(jī),其型號(hào)為FL42STH47-1684MA),無(wú)接觸式磁感應(yīng)位移傳感器(AS5045),激光位移傳感器(LK-GD500),信號(hào)發(fā)生器(Agilent 33250A),記錄示波器(Agilent DSO6014A),工控機(jī)等.實(shí)驗(yàn)原理為:信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一定幅值和頻率的正弦信號(hào)傳給2D數(shù)字伺服閥控制器,經(jīng)嵌入控制器的控制算法處理后,DSP處理器中的EVA模塊輸出4路PWM波形控制混合式兩相步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),步進(jìn)電機(jī)的軸通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與閥芯相連,再利用流過(guò)閥芯的油壓,從而將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成閥芯的軸向運(yùn)動(dòng).通過(guò)激光位移傳感器把閥芯位移傳給記錄示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄.在必要的時(shí)候通過(guò)工控機(jī)實(shí)行在線調(diào)節(jié)PID參數(shù),避免重復(fù)往DSP中燒寫(xiě)程序的麻煩.輸入正弦波的幅值為最大閥開(kāi)口25%情況下,不同頻率下的閥芯位移波形如圖6(a-d)所示.

圖6 2D數(shù)字伺服閥的動(dòng)態(tài)特性Fig.6 Dynamic response of 2D digital servo valve

分析波形得出:由于閥的機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響,閥的波形在高頻時(shí)明顯不如電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器的波形.隨著頻率的增加,閥的相位滯后越來(lái)越嚴(yán)重,在140 Hz時(shí),相位滯后已經(jīng)超過(guò)90°.結(jié)合閥的幅頻特性圖7可以得出閥在-3 dB時(shí)的頻寬約為130 Hz.

圖7 2D數(shù)字伺服閥的幅頻特性Fig.7 Amplitude-frequency characteristic of valve

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的嵌入式控制器對(duì)轉(zhuǎn)子的輸出角位移保持對(duì)輸入信號(hào)實(shí)時(shí)跟蹤控制,解決了2D數(shù)字伺服閥采用混合式步進(jìn)電機(jī)作為閥電―機(jī)械轉(zhuǎn)換器存在的問(wèn)題.保證了在工作過(guò)程中,在任意輸入信號(hào)的作用下,失調(diào)角大小保持在半個(gè)齒距范圍內(nèi)快速響應(yīng),并且能精確定位,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤控制.分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:2D數(shù)字伺服閥具有良好動(dòng)態(tài)特性,響應(yīng)速度快,定位精度高.但隨著頻率的增大,相位滯后增大,閥芯位移幅值衰減增加.在幅值為25%的最大閥開(kāi)口的正弦輸入信號(hào)下,對(duì)應(yīng)-3 dB的頻寬約為130 Hz.

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