鐘蜀華

摘要：電液伺服閥是電液伺服控制系統(tǒng)的核心部件，其性能對(duì)控制系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性有著直接而重要的影響。

關(guān)鍵詞：電液伺服閥;動(dòng)態(tài)特性;測(cè)試

電液伺服閥動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，動(dòng)態(tài)缸高頻振動(dòng)引起的測(cè)試臺(tái)架振動(dòng)、變頻器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾，以及傳感器電源波動(dòng)等因素，將以速度測(cè)試通道噪聲的形式竄入數(shù)據(jù)采樣通道，這些噪聲信號(hào)具有不同的幅值和較寬的頻寬，難以通過硬件濾波有效消除，降低了電液伺服閥頻率特性測(cè)量數(shù)據(jù)的信噪比，若不進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)濾波處理，電液伺服閥的動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)將失效?；诖?，本文分析了電液伺服閥動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)處理方法。

一、電液伺服閥

電液伺服閥是電液伺服控制的關(guān)鍵元件，是接收到模擬電信號(hào)后輸出調(diào)制流量及壓力的液壓控制閥，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、冶金、化工等領(lǐng)域的電液伺服控制系統(tǒng)。

1、組成。電液伺服閥通常由力矩馬達(dá)、液壓放大器、反饋機(jī)構(gòu)組成。①力矩馬達(dá)：將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為力矩或力。②液壓放大器：控制流向液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量或壓力。③反饋機(jī)構(gòu)：也稱平衡機(jī)構(gòu)，使輸出的流量或壓力與輸入的電氣控制信號(hào)成比例。

2、工作原理。當(dāng)無控制信號(hào)時(shí)，力矩馬達(dá)銜鐵處于平衡位置，擋板固定在兩噴嘴中間。高壓油從油口流入，經(jīng)濾器后分四路流出，其中兩路經(jīng)左右節(jié)流孔，到閥芯左右兩端，再經(jīng)左右噴嘴噴出至溢流腔，最后經(jīng)回油節(jié)流孔從回油口流出。另外兩路高壓油分別流到閥套上被閥芯左右兩凸肩蓋住的窗孔處，而不能流入負(fù)載油路（與作動(dòng)筒相通的油路）。

當(dāng)有控制信號(hào)時(shí)，銜鐵帶動(dòng)擋板偏轉(zhuǎn)一定角度，使閥芯偏離中間位置（如向左移動(dòng)），閥芯的左凸肩處窗孔打開，使高壓油與作動(dòng)筒進(jìn)油管路接通，閥芯中間凸肩右端處回油窗孔打開，使之與作動(dòng)筒的回油接通，這樣，伺服閥便可控制作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)。

二、伺服閥頻率特性測(cè)試原理

動(dòng)態(tài)缸轉(zhuǎn)速用于間接測(cè)試伺服閥頻率特性，測(cè)試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、伺服閥、無載高頻動(dòng)態(tài)缸、位移傳感器、速度傳感器、高速采集卡等組成。被測(cè)伺服閥直接安裝在動(dòng)態(tài)缸上，計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)高速數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生頻率信號(hào)并輸出到高頻響伺服放大器，然后伺服放大器向伺服閥輸入正弦電流，伺服閥線圈在電流作用下驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，輸出動(dòng)態(tài)流量。動(dòng)態(tài)流量由動(dòng)態(tài)氣缸中的速度傳感器檢測(cè)而感應(yīng)出電壓信號(hào)，通過高頻數(shù)據(jù)采集卡將輸入伺服閥的正弦電流及速度傳感器輸出電壓傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行頻譜分析，計(jì)算伺服閥頻率響應(yīng)。

信號(hào)采集卡采用NI高速多功能數(shù)據(jù)采集卡，采集卡最大采樣率可達(dá)250kS/s。為減小動(dòng)態(tài)缸對(duì)伺服閥頻率特性的影響，其固有頻率設(shè)計(jì)為1000Hz，高壓無泄漏，速度、位移傳感器安裝在動(dòng)態(tài)缸兩端，兩者均內(nèi)置式安裝。

位移傳感器參與動(dòng)態(tài)缸的低增益閉環(huán)控制，以防撞缸。測(cè)試閥為MOOG19661系列伺服閥，輸入信號(hào)為±10mA。

三、測(cè)試分析

設(shè)定伺服閥啟動(dòng)頻率為5Hz，結(jié)束頻率為100Hz，試驗(yàn)信號(hào)為額定信號(hào)的25%，系統(tǒng)壓力為21MPa。為濾除不確定干擾，測(cè)試前使用典型的模擬濾波器-巴特沃斯低通濾波器進(jìn)行濾波。結(jié)果表明，當(dāng)幅頻特性曲線低于約45Hz時(shí)，波動(dòng)增大，45Hz后突然下降，諧振峰值點(diǎn)出現(xiàn)在45Hz左右，諧振峰值約1.5dB;在70Hz左右頻率下，幅頻有明顯擾動(dòng)，降至-3dB以下，對(duì)計(jì)算有一定影響。100Hz時(shí)相頻特性的跳躍現(xiàn)象與實(shí)際曲線不一致。伺服閥頻率特性失真，測(cè)試曲線難以描述伺服閥真實(shí)特性，導(dǎo)致評(píng)價(jià)失敗。為分析該結(jié)果的原因，在測(cè)試中同時(shí)采集未濾波前動(dòng)態(tài)缸速度傳感器信號(hào)及濾波后速度傳感器信號(hào)，為便于分析觀察，采樣率降至5kS/s。

從濾波前后可看出，典型模擬濾波器具有良好的濾波效果，但速度信號(hào)的幅值仍存在嚴(yán)重波峰值擾動(dòng)，波峰值最大約為4.2V，波谷值最大約為-5V，嚴(yán)重影響伺服閥幅頻特性。根據(jù)伺服閥測(cè)試原理，幅頻特性取決于速度峰值，相頻特性取決于上升期及零速期。根據(jù)濾波后速度曲線，動(dòng)態(tài)缸高速運(yùn)行時(shí)，升速特性較好，此時(shí)相頻特性表現(xiàn)較好;在極限峰值期間，噪聲較大，在高速階段有明顯的尖峰干擾，此時(shí)幅頻特性失真。

由此可知，典型模擬濾波器并不能完全消除干擾現(xiàn)象，所以采用數(shù)字FIR-IIR雙聯(lián)濾波法來消除干擾。

四、FIR-IIR濾波器分析及實(shí)現(xiàn)

IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即具有反饋環(huán)路的結(jié)構(gòu)。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)、相加等基本運(yùn)算組成，可組合成直接型、正準(zhǔn)型、并聯(lián)型結(jié)構(gòu)形式，具有反饋回路。然而，由于運(yùn)算中的舍入處理，誤差不斷累積，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)微弱的寄生振蕩。

根據(jù)物理系統(tǒng)穩(wěn)定性原則，其單位脈沖響應(yīng)滿足以下條件：

（1）h（n）=O，n<O;

（2）

即IIR濾波器頻率響應(yīng)H（z）有理函數(shù)分母多項(xiàng)式階次必須大于或至少等于分子多項(xiàng)式階次;H（z）極點(diǎn)必須分布在z平面單位圓內(nèi)。

根據(jù)上述原則，IIR濾波器結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

其系統(tǒng)函數(shù)為：

FIR濾波器：有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器，又稱非遞歸濾波器，是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中最基本元件，它能保證任意幅頻特性和嚴(yán)格的線性相頻特性。同時(shí)，其單位抽樣響應(yīng)有限長(zhǎng)，因此濾波器是一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)。

其系統(tǒng)函數(shù)為：

與IIR濾波器相比，F(xiàn)IR濾波器特點(diǎn)：①其幅頻特性差，但不同頻率分量的原始信號(hào)經(jīng)FIR系統(tǒng)后，其原始時(shí)差不會(huì)發(fā)生變化，即FIR系統(tǒng)具有嚴(yán)格的線性相位特性;②FIR濾波器的沖激響應(yīng)是有限長(zhǎng)序列，其系統(tǒng)函數(shù)是多項(xiàng)式，極點(diǎn)位于原點(diǎn)，因此FIR濾波器始終穩(wěn)定;③FIR濾波器可通過FFT變換實(shí)現(xiàn)，提高了濾波器運(yùn)算效率。

此外，與FIR濾波器相比，IIR濾波器具有以下特點(diǎn)：①IIR濾波器系統(tǒng)具有無限長(zhǎng)序列和良好的幅頻特性;②IIR濾波器的輸出相位不嚴(yán)格線性。

基于以上分析，IIR濾波器是一個(gè)無限長(zhǎng)序列，其本質(zhì)可從模擬式濾波器設(shè)計(jì)而來，它綜合了模擬濾波器的優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)IR濾波器的相位嚴(yán)格不失真且永遠(yuǎn)穩(wěn)定。根據(jù)伺服閥頻率特性分析，為得到伺服閥真實(shí)的幅相頻特性曲線，在伺服閥幅頻特性測(cè)量中應(yīng)采用IIR濾波器，以保證濾波后幅值不衰減;在伺服閥相頻特性測(cè)量中，采用FIR濾波器，保證濾波后相位嚴(yán)格線性且不存在相位漂移。因此，采用兩種濾波器雙聯(lián)濾波，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)缸速度信號(hào)的濾波處理。

五、實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)FIR及IIR濾波后的動(dòng)態(tài)缸速度可知，IIR濾波器的濾波效果明顯，在10Hz處測(cè)得的幅值保持不變，無波峰值干擾。然而，濾波后的相位與FIR濾波后的速度相位產(chǎn)生偏移。與IIR濾波器相比，F(xiàn)IR濾波后仍有明顯的波峰點(diǎn)，但相位基本保持不變。

根據(jù)伺服閥速度，濾波后的動(dòng)態(tài)缸速度較濾波前有明顯改善，噪聲基本消除。根據(jù)伺服閥幅相頻率，F(xiàn)IR-IIR濾波器有效濾除幅頻特性的尖峰值干擾，相頻特性變換平緩，準(zhǔn)確還原了伺服閥的幅頻、相頻特性。

六、結(jié)論

根據(jù)伺服閥幅頻特性的測(cè)試特點(diǎn)，對(duì)FIR及IIR濾波器進(jìn)行理論分析，根據(jù)它們各自的特點(diǎn)，提出了一種伺服閥頻率特性的雙聯(lián)濾波方法，分別對(duì)伺服閥的幅頻、相頻特性進(jìn)行濾波，速度貶值從±5V降到±3V，諧振峰值點(diǎn)2dB得到有效濾除，幅相頻特性平滑，濾波后伺服閥的福相頻特性測(cè)量精度顯著提高。

參考文獻(xiàn)

[1]趙瑞堃.基于MATLAB的FIR和IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015.

[2]李曉濤.電液伺服閥動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)處理方法的研究[J].液壓與氣動(dòng)，2018（08）.