□ 呂永福 □ 金俠杰 □ 高施琛 □ 邢科禮

上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072

電液伺服閥是機(jī)械和電子相結(jié)合的高精密部件，廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金、鋼鐵、艦船等領(lǐng)域［1］。由于伺服閥性能的優(yōu)劣直接影響到電液伺服系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性和可靠性，因此在電液伺服閥出廠前和維修后要求對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的性能試驗(yàn)，其中空載流量特性測(cè)試是必不可少的。筆者研制的電液伺服閥空載流量特性測(cè)試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)對(duì)各試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行采集、處理并輸出測(cè)試結(jié)果，同時(shí)測(cè)試所需的激勵(lì)信號(hào)也由計(jì)算機(jī)提供，加大了自動(dòng)化測(cè)試的程度，并提高了測(cè)試精度。

1 測(cè)試液壓系統(tǒng)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了伺服閥對(duì)測(cè)試液壓系統(tǒng)的嚴(yán)格要求，系統(tǒng)在液壓泵出口設(shè)置了一個(gè)蓄能器，可吸收壓力脈動(dòng)；為了控制油污，分別在吸油口和回油口各設(shè)計(jì)了一個(gè)吸油過(guò)濾器和回油過(guò)濾器，同時(shí)在伺服閥的進(jìn)油口設(shè)計(jì)了一個(gè)高精度過(guò)濾器；伺服閥的回油阻力通過(guò)比例溢流閥提供。液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。

此系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)方便，加載過(guò)程中負(fù)載不受流量變化的影響，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置了散熱、過(guò)濾回路，保證了系統(tǒng)的油液清潔度。

2 測(cè)試系統(tǒng)組成

測(cè)試系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成，伺服閥的流量信號(hào)和電流信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和處理，最后繪制出空載流量特性曲線。

2.1 硬件部分

測(cè)試系統(tǒng)硬件組成原理框圖如圖2所示，由工控機(jī)、打印機(jī)、模擬量輸出卡、功率驅(qū)動(dòng)卡和數(shù)據(jù)采集卡等組成。

①模擬量輸出卡：輸出試驗(yàn)用的低頻控制信號(hào)，16位高精度的D/A轉(zhuǎn)換，輸出為電壓信號(hào)。

②功率驅(qū)動(dòng)卡：將控制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為被試伺服閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，包括電壓信號(hào)（－10～10 V）和電流信號(hào)（0～±50 mA 和 0～±200 mA）。

③ 數(shù)據(jù)采集卡：實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)中的壓力、流量、溫度、電流信號(hào)。

④ 數(shù)字儀表：主要顯示試驗(yàn)臺(tái)上的壓力、電流、溫度和流量等值。

⑤信號(hào)調(diào)理板：主要用于信號(hào)的過(guò)濾處理，隔離外界雜波信號(hào)的干擾。

▲圖1 測(cè)試液壓系統(tǒng)原理圖

2.2 軟件部分

測(cè)試系統(tǒng)軟件采用虛擬儀器技術(shù)，利用美國(guó)NI公司的產(chǎn)品LabVIEW11.0軟件作為開(kāi)發(fā)工具，可根據(jù)用戶要求完全定制化，測(cè)試系統(tǒng)操作主界面如圖3所示。軟件具有良好的可靠性、易用性、準(zhǔn)確性等［2］，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等處理，并按照虛擬儀器的思想進(jìn)行模塊化和層次化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

測(cè)試軟件主要由數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)處理模塊、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊和數(shù)據(jù)顯示保存及報(bào)表生成模塊等組成，主要完成測(cè)試數(shù)據(jù)采集和處理、繪制波形曲線、設(shè)置測(cè)試參數(shù)、保存測(cè)試結(jié)果、設(shè)備狀態(tài)顯示等，測(cè)試軟件程序流程如圖4所示。

3 激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器

▲圖2 測(cè)控系統(tǒng)組成原理框圖

在傳統(tǒng)的伺服閥空載流量特性測(cè)試中，所需的信號(hào)通過(guò)超低頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，本文測(cè)試所需的低頻信號(hào)完全由計(jì)算機(jī)通過(guò)模擬量輸出卡實(shí)現(xiàn)，這樣不僅提高了測(cè)試的自動(dòng)化程度，而且還能降低測(cè)試成本。根據(jù)測(cè)試要求提供單路電流信號(hào)，可通過(guò)軟件獨(dú)立控制其通斷狀態(tài)。輸出電流信號(hào)滿足以下指標(biāo)要求。

① 電流幅值：0～±65 mA。

② 電流精度：0.05 mA。

③零點(diǎn)漂移：穩(wěn)定工作后不大于0.1 mA/12 h。

④ 頻率：0.005～20 Hz可調(diào)。

⑤波形：三角波非線性失真不大于1%。

▲圖3 測(cè)試系統(tǒng)主界面

筆者設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器采用變點(diǎn)數(shù)定時(shí)間間隔的方法［3］，即在定時(shí)循環(huán)中定時(shí)器的數(shù)值固定，而每個(gè)周期的輸出點(diǎn)數(shù)隨頻率的改變而改變。輸出點(diǎn)數(shù)的數(shù)值按下式計(jì)算:

式中：X表示信號(hào)一個(gè)周期輸出的點(diǎn)數(shù)；Y表示一次定時(shí)循環(huán)的時(shí)間值；f表示定時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率；F表示輸出信號(hào)的頻率。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5所示為試驗(yàn)得到的伺服閥空載流量曲線分析圖，由此計(jì)算出的零偏電流為0.22 mA（2.469%），滯環(huán)為1.089 mA （12.222%），正向額定流量為63.467 L/min，負(fù)向額定流量為64.404 L/min，正向非線性度為3.03%，負(fù)向非線性度為2.918%，正向流量增益為124.505 mL/s/mA，負(fù)向流量增益為120.972 mL/s/mA，3 mA對(duì)稱(chēng)度為10.456%，5 mA對(duì)稱(chēng)度為5.665%，7 mA對(duì)稱(chēng)度為0.787%。

在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，一般伺服閥的線性度指標(biāo)是＜7.5%，對(duì)稱(chēng)度指標(biāo)是＜7.5%，滯環(huán)指標(biāo)是＜6%額定電流，零偏指標(biāo)是＜2%額定電流，流量增益指標(biāo)是（1±7.5%）公稱(chēng)值。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以看出此伺服閥的滯環(huán)明顯偏大。

5 伺服閥靜態(tài)性能指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的影響

線性度和對(duì)稱(chēng)度影響伺服閥系統(tǒng)的精度，其中影響最大最直接的是速度控制系統(tǒng)。速度控制系統(tǒng)要選線性度好的伺服閥。此外選流量規(guī)格時(shí)，要選比額定流量略偏大的規(guī)格，以避免伺服閥工作在流量的飽和段。由于伺服閥在位置控制系統(tǒng)中通常是閉環(huán)的，伺服閥工作在零位區(qū)域附近，只要系統(tǒng)增益調(diào)得合適，可使非線性度和對(duì)稱(chēng)度的影響減到最小。伺服閥的滯環(huán)是由于力（矩）馬達(dá)的磁滯和閥的油隙造成的，閥的油隙是由于摩擦力及機(jī)械固定部分的間隙造成的，磁滯回環(huán)寬度會(huì)隨著輸入信號(hào)減小而縮小，因此這種滯環(huán)在大多數(shù)伺服系統(tǒng)中都不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。油隙引起的回環(huán)值為定值，油液臟時(shí)油隙顯著增加，可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。精度要求比較高的系統(tǒng)最好選分辨率高的閥，分辨率高意味著摩擦影響比較小，影響閥分辨率的主要因素是閥的靜摩擦力和油隙。在恒幅的輸入電流條件下，油臟時(shí)摩擦力增大，分辨率將降低。

▲圖4 測(cè)試系統(tǒng)軟件程序流程圖

▲圖5 空載流量曲線分析圖

雖然在固定時(shí)域條件下已調(diào)好了伺服閥的零點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，零點(diǎn)要發(fā)生變化，這是由于閥的結(jié)構(gòu)尺寸、組件應(yīng)力、電磁性能、流力特性等可能發(fā)生變化，從而使輸入電流為零時(shí)輸出流量不為零。為使輸出流量為零，必須預(yù)置零偏電流。

6 總結(jié)

該測(cè)試系統(tǒng)完全滿足電液伺服閥的空載流量特性試驗(yàn)的要求，實(shí)際使用表明，測(cè)試系統(tǒng)具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、檢修方便、可靠性高等特點(diǎn)，還具備可擴(kuò)展性。

［1］ 方群，黃增.電液伺服閥的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.機(jī)床與液壓，2007，35（11）:162-165.

［2］ 楊樂(lè)平.LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］ 趙江波，王軍政，汪首坤.伺服閥靜、動(dòng)態(tài)性能測(cè)試中多功能信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 ［J］.液壓與氣動(dòng)，2003（6）：37-39.