李 勝 阮 健 孟 彬

浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310014

0 引言

在電液伺服控制系統(tǒng)中，電液伺服閥起著機(jī)－電轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大的作用，在很大程度上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能具有決定性的影響。噴嘴－擋板伺服閥將力矩馬達(dá)作為電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器，由于力矩馬達(dá)的銜鐵－擋板－反饋桿組件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，因而其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很快，同時(shí)由于該組件安裝在彈簧管上，先導(dǎo)級(jí)噴嘴－擋板閥不受摩擦力的影響，因而又具有較好的重復(fù)精度和分辨率等靜態(tài)特性。但是，噴嘴－擋板伺服閥的抗污染能力差，這是其致命的弱點(diǎn)[1－2]。此外，噴嘴－擋板閥還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工和裝配精度高、導(dǎo)控級(jí)泄漏限制工作壓力大及產(chǎn)生莫明的自激振蕩等缺點(diǎn)。采用射流管閥代替噴嘴－擋板閥作為伺服閥的先導(dǎo)級(jí)，雖然在一定程度上改善了閥的抗污染性能，但卻以較大的先導(dǎo)泄漏功耗為代價(jià)[3]。為解決噴嘴－擋板伺服閥抗污染能力差的問(wèn)題，并進(jìn)一步提高伺服閥的頻響性能，MOOG公司開(kāi)發(fā)了動(dòng)圈式伺服閥[4]。它具有電感很小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非常高的優(yōu)點(diǎn)[5－6]。但動(dòng)圈式伺服閥受閥芯摩擦力的影響較為嚴(yán)重，靜態(tài)特性不夠理想；同時(shí)受結(jié)構(gòu)限制，動(dòng)圈無(wú)法貼壁散熱，大電流工況下往往需要輔助的冷卻措施。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了采用LVDT測(cè)量閥芯位置的位置閉環(huán)控制比例服伺閥，該比例服伺閥具有很高的定位控制精度和分辨率，但動(dòng)態(tài)性能仍比噴嘴－擋板伺服閥的動(dòng)態(tài)性能差。

2D伺服閥利用螺旋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伺服閥功率級(jí)的液壓放大，相對(duì)其他伺服閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗污染能力強(qiáng)、構(gòu)成導(dǎo)控閥導(dǎo)控級(jí)的零位泄漏小、固有頻率高、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)[7]。電液伺服閥除了要求液壓功率放大級(jí)具有較優(yōu)的靜動(dòng)態(tài)特性外，還要求電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器具有很好的性能。2D數(shù)字伺服閥將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為電－機(jī)械的轉(zhuǎn)換器，為了保證有較高的響應(yīng)速度和定位精度，筆者應(yīng)用DSP設(shè)計(jì)了一種嵌入式數(shù)字閥專(zhuān)用控制器，并對(duì)其進(jìn)行嵌入式閉環(huán)伺服控制。

1 2D數(shù)字伺服閥的結(jié)構(gòu)原理

2D數(shù)字伺服閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由閥體、電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器（步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和角位移傳感器等組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要用來(lái)連接電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器與閥芯，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞和力矩的放大。角位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移，以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子角位移的閉環(huán)連續(xù)跟蹤控制。

圖1 2D數(shù)字伺服閥的示意圖

圖2 2D伺服閥結(jié)構(gòu)原理圖

2D伺服閥的結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖2。圖2中，P口為進(jìn)油口，T1口和T2口為回油口，A口和B口為負(fù)載口。2D伺服閥體右腔通過(guò)小孔b、閥芯桿內(nèi)通道和小孔a與P口相通，右腔壓力為進(jìn)油口的壓力（系統(tǒng)壓力），右腔截面面積為左敏感腔截面面積的一半。在閥芯左端臺(tái)肩上有一對(duì)高低壓孔；在閥芯孔左端有一螺旋槽。螺旋槽和高低壓孔相交構(gòu)成一液壓阻尼半橋，該液壓阻尼半橋控制了左敏感腔的壓力。靜態(tài)時(shí)，若不考慮摩擦力及閥口液動(dòng)力的影響，左敏感腔壓力為入口壓力的一半，閥芯在軸向保持靜壓平衡，此時(shí)，高低壓孔與螺旋槽相交的弓形面積相等。當(dāng)閥芯逆時(shí)針（面對(duì)閥芯伸出桿）轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，高壓孔與螺旋槽相交的弓形面積增大，低壓孔與螺旋槽相交的弓形面積減小，于是，左敏感腔的壓力升高。左敏感腔的壓力升高后，推動(dòng)閥芯右移。閥芯右移的結(jié)果是高低壓孔又回到螺旋槽的兩側(cè)，高低壓孔和螺旋槽的相交面積又重新相等，左敏感腔的壓力恢復(fù)為入口壓力的一半，閥芯重新保持軸向力的平衡。若閥芯順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，變化則正好相反。在2D伺服閥中，閥芯角位移與軸向位移（主閥開(kāi)口）之間的轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)與普通的機(jī)械螺旋機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)相一致，不同之處在于閥芯的軸向運(yùn)動(dòng)是由液壓驅(qū)動(dòng)的，因此實(shí)現(xiàn)2D伺服閥閥芯轉(zhuǎn)角與軸向位移轉(zhuǎn)換的導(dǎo)控結(jié)構(gòu)也稱(chēng)為液壓伺服螺旋機(jī)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)和工作原理可以看出，2D伺服閥為雙級(jí)位置反饋液壓流量伺服閥。

2 電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的研究

電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器是一種將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線機(jī)械量的元件，它是連接電氣信號(hào)和機(jī)械信號(hào)的橋梁，其性能在很大程度上決定了伺服閥的性能。2D數(shù)字伺服閥將混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器。

2.1 動(dòng)態(tài)特性支配方程

2.1.1 電壓平衡方程

為分析方便，在這里我們假設(shè)：定子齒的磁導(dǎo)按正弦變化；渦流和磁滯效應(yīng)忽略不計(jì)；相繞組沿定子圓周正弦分布[8]。這樣，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組電壓平衡方程可以表示為

式中，L為電感系數(shù)；R為繞組電阻；Ke為電樞繞組的反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；θ為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子角位移；Nr為電動(dòng)機(jī)的齒數(shù)；Ia、Ib分別為繞組a、b的電流；Ua、Ub分別為繞組a、b的電壓。

2.1.2 電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩方程[9]為

式中，Tm為繞組所產(chǎn)生的牽引力矩的峰值；θm為理論旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角位移。

2.1.3 轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程

根據(jù)力學(xué)定律可以寫(xiě)出電磁轉(zhuǎn)矩Te作用下的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程，即

式中，Jr為轉(zhuǎn)子及閥芯折算到轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Be為電動(dòng)機(jī)的摩擦阻尼系數(shù)；TD為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；KL為系統(tǒng)外加彈性剛度。

式（1）～式（4）構(gòu)成了電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的數(shù)學(xué)模型。

2.2 電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的仿真分析

根據(jù)電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的數(shù)學(xué)模型可以仿真出電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器在不同頻率下的時(shí)間響應(yīng)。仿真所采用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為FL42STH47－1684，外形尺寸為42mm×42mm×48mm，電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。所測(cè)得的電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器在不同頻率f下的時(shí)間響應(yīng)如圖3所示。

表1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖3 不同頻率信號(hào)下電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出

從圖3以看出，在低頻段，電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出很好地復(fù)現(xiàn)了其輸入，說(shuō)明電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器具有良好的靜態(tài)性能。隨著頻率的升高，電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出的幅值發(fā)生了衰減，相位也產(chǎn)生了滯后。這是因?yàn)樵诟哳l時(shí)，電動(dòng)機(jī)繞組反電勢(shì)的影響增大。根據(jù)在不同頻率下所測(cè)得的頻率響應(yīng)，可以得到電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的頻率特性，如圖4所示。從圖4可以看出，電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器－3dB所對(duì)應(yīng)頻率約為275Hz，這表明，該電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器具有良好的頻率特性。

圖4 電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的頻率特性

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了測(cè)得數(shù)字閥及其電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的實(shí)際頻率特性，建立圖5所示的測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)主要由液壓加載子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和指令及記錄子系統(tǒng)組成。液壓加載子系統(tǒng)主要由液壓控制回路和所設(shè)計(jì)的樣閥組成。指令及記錄子系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器、記憶示波器和工控機(jī)組成；信號(hào)發(fā)生器發(fā)出實(shí)驗(yàn)所需的信號(hào)，記憶示波器記錄信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)、閥芯位移信號(hào)（該信號(hào)由激光位移傳感器測(cè)得）以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子角位移信號(hào)

圖5 頻率特性測(cè)試系統(tǒng)

（該信號(hào)由固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的角位移傳感器——AS5045芯片所測(cè)得）。控制子系統(tǒng)主要由2D數(shù)字閥控制器組成，在指令信號(hào)作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。

3.1 2D數(shù)字伺服閥控制器設(shè)計(jì)

2D數(shù)字伺服閥的性能除了與閥的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的性能有關(guān)外，還與控制器設(shè)計(jì)的好壞有關(guān)。

2D閥控制器主要由DSP單元、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、電流檢測(cè)單元、位置檢測(cè)單元、電源單元等組成。DSP處理器為T(mén)I公司的TMS320F2812芯片。位置檢測(cè)單元采用無(wú)接觸式磁旋轉(zhuǎn)編碼器AS5045芯片來(lái)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子角位移。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元主要采用IR2110芯片來(lái)控制兩個(gè)“H橋”中IRF640的關(guān)斷，從而控制電動(dòng)機(jī)兩相繞組的電流，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)。

為了保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的定位精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，采用雙閉環(huán)的控制方法，如圖6所示。雙閉環(huán)控制的外環(huán)是位置反饋閉環(huán)，位置閉環(huán)是為了獲得理論旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角位移θm，以控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置與輸入信號(hào)保持一致。位置閉環(huán)的控制方法是：將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際角位移反饋到輸入端，再將其與輸入信號(hào)比較形成偏差，偏差信號(hào)經(jīng)PID運(yùn)算得到理論磁場(chǎng)角位移θm。內(nèi)環(huán)是相電流反饋閉環(huán)，即控制兩相繞組的電流以產(chǎn)生所需要的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角位移θm。由于失調(diào)角θm－θ超過(guò)半個(gè)齒距角，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生失步，因此還必須對(duì)PID運(yùn)算得到的θm加以限制，使得失調(diào)角保持在半個(gè)齒距角范圍內(nèi)。

圖6 控制框圖

3.2 電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的頻率特性的測(cè)試

電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器所需的不同頻率的控制信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器提供。2D閥DSP控制器采集來(lái)自信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)，根據(jù)固化在DSP芯片中的控制算法驅(qū)動(dòng)電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)動(dòng)。電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出由固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的角位移傳感器（AS5045芯片）測(cè)得，并通過(guò)SPI接口送到電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制器。信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移信號(hào)由控制器送至工控機(jī)保存。在不同頻率正弦信號(hào)作用下，電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的頻率響應(yīng)和頻率特性如圖7所示。從圖7可以看出，該電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器在低頻段輸出信號(hào)良好地跟隨了輸入信號(hào)的變化，在高頻段也有良好的頻率響應(yīng)。根據(jù)所測(cè)得的頻率特性曲線（圖8），該電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器在－3dB、－90°處的頻寬為250Hz。實(shí)驗(yàn)所測(cè)得頻率特性和仿真分析的結(jié)果是一致的。

圖7 不同頻率信號(hào)下電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的實(shí)測(cè)輸出

圖8 電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

3.3 2D數(shù)字伺服閥頻率特性測(cè)試

為了測(cè)試該電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的2D數(shù)字伺服閥的頻率特性，筆者專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)樣閥。實(shí)驗(yàn)所需要的控制信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出，2D數(shù)字伺服閥控制器根據(jù)所采集到的信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而控制2D數(shù)字伺服閥閥芯的運(yùn)動(dòng)。2D數(shù)字伺服閥閥芯的運(yùn)動(dòng)由激光位移傳感器測(cè)得。信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的控制信號(hào)和所測(cè)得的閥芯位移由記憶示波器記錄。所測(cè)得的不同頻率信號(hào)作用下的閥芯位移輸出如圖9所示，頻率特性如圖10所示。從圖9和圖10可以看出，2D數(shù)字伺服閥在低頻段具有良好的跟蹤特性，這和實(shí)測(cè)的電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的特性是一致的。但是在高頻段，2D數(shù)字伺服閥的特性和實(shí)測(cè)的電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的特性不一致，2D數(shù)字伺服閥在－3dB時(shí)的頻率約為130Hz，遠(yuǎn)較電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的頻寬要小。導(dǎo)致2D數(shù)字伺服閥的頻寬遠(yuǎn)小于電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的頻寬的原因是閥的初始導(dǎo)控流量較小。由于伺服螺旋機(jī)構(gòu)上的高低壓小孔為圓形小孔，而伺服螺旋機(jī)構(gòu)的初始弓高（高低壓小孔和螺旋槽的重疊部分初始高度）較小（初始弓高為0.03mm）。這樣，在閥響應(yīng)的初始階段，高低壓小孔和螺旋槽的接觸面積隨閥芯角位移的加大而緩慢增加，此階段導(dǎo)控流量較小，閥芯必須轉(zhuǎn)過(guò)較大的角度才能獲得較大的導(dǎo)控流量，這就嚴(yán)重影響了閥的頻寬。因此，要進(jìn)一步提高2D數(shù)字伺服閥的頻寬可以通過(guò)增大初始階段的導(dǎo)控級(jí)流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖9 不同頻率信號(hào)的作用下閥芯位移輸出

圖10 2D數(shù)字伺服閥的動(dòng)態(tài)特性

4 結(jié)論

（1）2D數(shù)字伺服閥的性能與閥的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器有關(guān)。2D數(shù)字伺服閥是以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器具有較好的動(dòng)靜態(tài)性能。仿真分析表明，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)－3dB、－90°處的頻寬約為275Hz。實(shí)測(cè)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)－3dB、－90°處的頻寬約為250Hz。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果均表明步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的頻響高于其他的電－機(jī)械轉(zhuǎn)換元件。

（2）2D數(shù)字伺服閥具有良好動(dòng)態(tài)特性，響應(yīng)速度較快，在幅值為25%的最大閥開(kāi)口的正弦輸入信號(hào)下，－3dB處的頻寬約為130Hz。但其頻寬遠(yuǎn)較電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器要小，這是因?yàn)樗欧菪龣C(jī)構(gòu)高低孔為圓孔的緣故。要進(jìn)一步提高2D數(shù)字伺服閥的頻寬可以通過(guò)增大初始階段的導(dǎo)控級(jí)流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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