， 　， 　， 　， 祖華

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部重點實驗室, 浙江 杭州　310014)

引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，大型、重載、高精度的機械設(shè)備得到了越來越廣泛的應(yīng)用，液壓技術(shù)作為高性能機械的關(guān)鍵技術(shù)也得到了高速的發(fā)展[1]。液壓伺服閥作為液壓技術(shù)的一個重要分支，很大程度上決定整個液壓系統(tǒng)的性能。目前大流量的伺服閥存在難以實現(xiàn)高頻響的問題，本研究采用了2D閥的解決方案，2D閥相對其他伺服閥具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強、構(gòu)成導(dǎo)控閥導(dǎo)控級的零位泄漏小、固有頻率高、動態(tài)性能好等優(yōu)點。為使大流量高頻響2D數(shù)字伺服閥達到設(shè)計要求，對 2D 數(shù)字伺服閥采用步進電機的位置和電流閉環(huán)控制能實現(xiàn)對閥芯運動的精確控制， 并且有很好的響應(yīng)速度[2]。理論分析與實驗結(jié)果表明，該閥具有理想的頻率特性。

1　大流量2D伺服閥工作原理

2D閥的工作原理圖如圖1所示，進油口為p，回油口為T。閥芯內(nèi)的油路將閥芯上的a孔和b孔連通，即壓力油可以通過閥芯上的a孔經(jīng)由b孔流入右腔[3]。此時右腔的壓力等于系統(tǒng)壓力p。將右腔的面積設(shè)計為敏感腔面積的一半。在閥芯的最左端臺肩上開有高壓孔和低壓孔。高壓孔通過閥芯的內(nèi)部油路與孔相同，低壓孔通過油路與T相通。敏感腔的壓力由高低壓孔和螺旋槽相交的微小弓形面積串聯(lián)的液壓阻力半橋控制[4]。在靜態(tài)時若不考慮摩擦力及閥口液動力的影響，敏感腔壓力為入口壓力系統(tǒng)壓力p的一半，閥芯軸向保持靜壓平衡，與螺旋槽相交的高低壓側(cè)的弓形面積相等。當(dāng)以逆時針(面對閥芯伸出桿)的方向轉(zhuǎn)動閥芯，則高壓側(cè)的相交面積增大、低壓側(cè)的相交面積減小，敏感腔壓力升高，并推動閥芯向右移動，同時低壓孔又回到螺旋槽的兩側(cè)，處于高低壓側(cè)相交面積相等的位置，敏感腔的壓力恢復(fù)為入口壓力p的一半，保持軸向力平衡; 若順時針的方向轉(zhuǎn)動閥芯，變化則正好相反，閥芯向左移動。這就實現(xiàn)了2D伺服閥閥芯轉(zhuǎn)角與軸向位移 (主閥開口)轉(zhuǎn)換的導(dǎo)控結(jié)構(gòu)也稱為液壓伺服螺旋機構(gòu)。

圖1　2D閥工作原理圖

2　動態(tài)特性分析

2.1　混合步進電機的數(shù)學(xué)模型

兩相混合式步進電機作為信號轉(zhuǎn)換元件，其本身就是一個系統(tǒng)。它可以通過電壓平衡方程和轉(zhuǎn)矩方程來描述。

電壓平衡方程：

(1)

轉(zhuǎn)矩方程：

T=Tmsin[Zi(θm-θ)]

(2)

式中，T為步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩；Tm為步進電機的靜轉(zhuǎn)矩；Zi為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；θm為旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)角；θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。

2.2　大流量2D伺服閥的數(shù)學(xué)模型

流入敏感腔的流量一部分是由高壓孔經(jīng)螺旋槽流入的流量，另一部分是高壓孔的泄漏量。流出敏感腔的流量一部分為經(jīng)螺旋槽由低壓孔流出的流量，另一部分為低壓孔的泄漏量。在不考慮泄漏的前提下流入敏感腔的流量方程為：

(3)

式中：θ—— 閥芯的旋轉(zhuǎn)角度

ρ—— 液壓油的密度

敏感腔流入低壓孔的流量方程：

(4)

閥芯的運動方程為：

(5)

式中：A—— 左側(cè)容腔的閥芯面積

pc—— 左側(cè)容腔的壓力

ps—— 系統(tǒng)壓力

mv—— 折算到閥芯上的總質(zhì)量

xv—— 閥芯的軸向位移

B—— 折算到閥芯上的總粘性系數(shù)

Kf—— 液壓彈簧剛度

FV—— 作用到閥芯上的負(fù)載

3　頻率特性試驗研究

為了研究大流量2D伺服閥的靜態(tài)和動態(tài)特性，搭建試驗平臺如圖2a、圖2b所示，試驗系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)、數(shù)字閥控制器、無接觸式磁感應(yīng)位移傳感器、激光位移傳感器、示波器信號發(fā)生器。信號發(fā)生器輸出的波形信號與步進電機轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)數(shù)字閥控制器驅(qū)動步進電機輸出小幅度的角位移，從而驅(qū)動閥芯旋轉(zhuǎn)，再通過伺服螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為閥芯的軸向位移閥芯的軸向位移[5]。由激光位移傳感器測得顯示在示波器上。這樣可以得到在不同幅值和頻率的波形信號作用下的閥芯位移響應(yīng)曲線。

圖2　試驗系統(tǒng)圖

采用顫振補償技術(shù)，在疊加信號幅值為間隙量的50%下，大流量2D伺服閥的靜態(tài)特性如圖3所示。從圖中可以看出，重復(fù)性很好，曲線基本重疊在一起，滯環(huán)寬度最大為1.7%。

圖3　50%間隙量靜態(tài)特性

在25%閥開口幅值條件下，測得2D伺服閥在不同頻率正弦信號作用下的頻率響應(yīng)如圖4～圖6所示(圖中虛線為控制信號，實線為閥芯位移)。從圖可以看出，2D伺服閥在低頻段具有良好的跟蹤特性，表明其具有良好的靜態(tài)特性。根據(jù)不同頻率正弦信號下頻率響應(yīng)可以得到2D伺服閥的頻率特性，如圖7～圖8所示。從圖可以看出，該2D閥在75 Hz時，相位滯后約90°，閥-3 dB對應(yīng)的頻寬約為50 Hz。

圖4　1 Hz閥芯位移動態(tài)響應(yīng)

圖5　50 Hz閥芯位移動態(tài)響應(yīng)

圖6　70 Hz閥芯位移動態(tài)響應(yīng)

圖7　幅頻特性

階躍響應(yīng)曲線是在閥滿開口幅值的階躍信號作用下測得的，如圖9所示，從圖中可以看出，階躍響應(yīng)的上升時間約為20 ms，最大百分比超調(diào)量為7.9%，穩(wěn)態(tài)誤差基本為0。

圖8　相頻特性

圖9　階躍響應(yīng)

4　結(jié)論

設(shè)計專門的嵌入式控制器實現(xiàn)對電機的位置閉環(huán)

和電流閉環(huán)。在任意輸入信號的作用下，電機能精確定位，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的輸出角位移保持對輸入信號的實時跟蹤控制。試驗結(jié)果表明，2D伺服閥具有良好的動態(tài)特性。但隨著頻率增大，幅值衰減明顯，相位滯后也逐漸增大。在25%閥開口幅值條件下,對應(yīng)-3 dB的頻寬為50 Hz，階躍響應(yīng)時間為20 ms。

參考文獻：

[1]駱涵秀，李世倫，陳大軍,等.機電控制[M].杭州：浙江大學(xué)出版社,2003.

[2]阮健.電液(氣)直接數(shù)字控制技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社,2000.

[3]Ruan J, Burton R, Ukrainetz P. An Investigation Into the Characteristic of a Two Dimensional “2D”Flow Control Valve[J]. Journal of Dynamic Systems Measurementand Control, 2002,24(1):214-220.

[4]阮健，李勝,孟彬.2D數(shù)字伺服閥[J]. 液壓與氣動，2010,(9)：77-81.

[5]Li S, Ruan J, Burton R, Ukrainetz P. Application of Stage Control in Material Testing Machine(MTS)[C]. Proceeding of 2ndChinese International Conference on Instrumention, Jinan, China,526-529.