袁吉勝，王娜娜，段緒偉

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

電液執(zhí)行器（Electro-Hydrostatic Actuator，EHA）是一種集機、電、液一體的新型電液傳動系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的EH油系統(tǒng)，去掉了復(fù)雜的管路，改善了設(shè)備的可維護性。電液執(zhí)行器由本體部分和控制箱2部分組成，伺服電機接受控制模塊的功能指令，控制動力頭部分及油缸部分，以線性位移大力矩輸出驅(qū)動被控對象，同時通過自身位移反饋，完成調(diào)節(jié)過程，實現(xiàn)各種功能控制。控制精度是衡量其性能的重要指標(biāo)之一，因此執(zhí)行器位移的輸出精度尤為重要。執(zhí)行器常用的幾種位移傳感器有LVDT、電位計、磁致伸縮位移傳感器，本文根據(jù)電液執(zhí)行器的各項性能要求對位移傳感器的選用進行了技術(shù)研究、參數(shù)及結(jié)構(gòu)對比和試驗驗證[1]。

1 電液執(zhí)行器位移傳感器選用分析

1.1 電液執(zhí)行器控制原理及關(guān)鍵指標(biāo)

如圖1所示，控制系統(tǒng)對給出的指令信號與執(zhí)行器的位移反饋信號進行運算比較，當(dāng)位移反饋信號與指令輸出位置有偏差時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令給伺服電機，電機運轉(zhuǎn)驅(qū)動泵，輸出流量、壓力信號給控制閥組，控制油缸運動位置的變化，油缸的運動位置與位移傳感器成線性關(guān)系，直至位置符合輸入指令要求[2]。

圖1 系統(tǒng)示意圖

電液執(zhí)行器定位精度要求小于全行程的0.3%，通過對電液執(zhí)行器控制原理的解讀可知，控制箱參數(shù)設(shè)置、控制器硬件和執(zhí)行器的位置檢測裝置的精度直接影響了執(zhí)行器的精度，同時由于應(yīng)用現(xiàn)場環(huán)境的影響，電液執(zhí)行器元器件的選型需滿足電磁兼容等規(guī)定和要求，另外受安裝空間限制，應(yīng)盡量減小電液執(zhí)行器本體設(shè)備體積。

1.1 各位移傳感器原理分析

1.1.1 LVDT 傳感器測量原理

LVDT是一種常見類型的機電傳感器，可將以機械方式耦合的物體的直線運動轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電氣信號。

其由1個初級線圈、2個次級線圈、鐵芯、線圈骨架和外殼等部件組成，見圖2。

圖2 LVDT 結(jié)構(gòu)圖

初級線圈、次級線圈分布在線圈骨架上，線圈內(nèi)部有一個可自由移動的桿狀鐵芯。當(dāng)鐵芯處于中間位置時，2個次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相等，這樣輸出電壓為0；當(dāng)鐵芯在線圈內(nèi)部移動并偏離中心位置時，2個線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不等，有電壓輸出，其電壓大小取決于位移量的大小。

為了提高傳感器的靈敏度，改善傳感器的線性度、增大傳感器的線性范圍，設(shè)計時將2個線圈反串相接、2個次級線圈的電壓極性相反，LVDT輸出的電壓是2個次級線圈的電壓之差，這個輸出的電壓值與鐵芯的位移量成線性關(guān)系[3-4]。

1.1.2 電位計位移傳感器測量原理電位器是人們常用到的一種電子元件，它作為傳感器可以將機械位移或其他能轉(zhuǎn)換為位移的非電量轉(zhuǎn)換為其有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化，從而引起輸出電壓的變化，是一種機電傳感元件。圖3為電位計位移傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理。圖3中：R為長度為l的電阻元器件阻值；RL為隨電刷位移x而變化的阻值。在一定電源e和負(fù)載RL情況下，電刷位移x處的電位器輸出電壓V0為

圖3 電位器式位移傳感器結(jié)構(gòu)原理

位移傳感器與被測物體相連，物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓，以把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

1.1.3 磁致伸縮位移傳感器測量原理磁致伸縮位移傳感器是利用磁致伸縮原理、通過2個不同磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號來準(zhǔn)確地測量位置的。測量元件是一根波導(dǎo)管，波導(dǎo)管內(nèi)的敏感元件由特殊的磁致伸縮材料制成的。測量過程是由傳感器的電子室內(nèi)產(chǎn)生電流脈沖，該電流脈沖在波導(dǎo)管內(nèi)傳輸，從而在波導(dǎo)管外產(chǎn)生一個圓周磁場，當(dāng)該磁場和套在波導(dǎo)管上作為位置變化的活動磁環(huán)產(chǎn)生的磁場相交時，由于磁致伸縮的作用，波導(dǎo)管內(nèi)會產(chǎn)生一個應(yīng)變機械波脈沖信號，這個應(yīng)變機械波脈沖信號以固定的聲音速度傳輸，并很快被電子室所檢測到。見圖4。

圖4 磁致伸縮位移傳感器結(jié)構(gòu)原理

由于這個應(yīng)變機械波脈沖信號在波導(dǎo)管內(nèi)的傳輸時間和活動磁環(huán)與電子室之間的距離成正比，通過測量時間，就可以高度精確地確定這個距離。由于輸出信號是一個真正的絕對值，而不是比例的或放大處理的信號，所以不存在信號漂移或變值的情況，更無需定期重標(biāo)。

1.2 位移傳感器選用分析

從位移傳感器的線性度分析，一般磁致伸縮位移傳感器的線性度可實現(xiàn)＜0.1%，且不存在信號漂移或變值的情況，測量精度最佳，但是短量程準(zhǔn)確度低；電位計位移傳感器線性度正常為＜0.5%，特殊定制最高可＜0.1%；LVDT線性度＜0.5%。

從體積及重量看，磁致伸縮位移傳感器一般內(nèi)置于油缸，占用體積大；LVDT采用的是繞繞變壓器的結(jié)構(gòu)，因此往往體積大，重量輕；電位計位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，重量最輕便。

從外界干擾看，LVDT和磁致伸縮位移傳感器對雜散磁場敏感，因此使用時需要考慮，保護它們免受雜散磁場的影響。位移傳感器對比見表1。

表1 位移傳感器對比

根據(jù)對比，依據(jù)前文提到的電液執(zhí)行器的性能及結(jié)構(gòu)要求，故在電液執(zhí)行器系統(tǒng)中選用電位計位移傳感器作為其位置反饋元件。

2 試驗方案

2.1 測試方案

為了驗證選用的電位計可靠性，進行了試驗驗證，見圖5，電位計位移傳感器內(nèi)置于執(zhí)行器油缸缸筒內(nèi)，活塞桿與電位計通過安裝板相連，電位計轉(zhuǎn)接電路板采用內(nèi)部走線，并且線纜采用屏蔽電纜，提高抗電磁環(huán)境能力，且結(jié)構(gòu)緊湊，滿足結(jié)構(gòu)空間設(shè)計要求。

圖5 電位計安裝示意

電液執(zhí)行器合上電控箱電源開關(guān)，在電控箱操作面板標(biāo)定后進行增減閥門指令，觀察是電液執(zhí)行器否能夠跟隨指令動作；動作正常后，進行定位精度測試，采取多點、多次測量并取最大差值作為控制精度的測量方法。首先，執(zhí)行3次電液執(zhí)行器開的過程，分別輸入電液執(zhí)行器控制指令為0、25%、50%、75%和100%，記錄電液執(zhí)行器的開度百分比；其次，執(zhí)行3次電液調(diào)執(zhí)行器關(guān)的過程，分別輸入電液執(zhí)行器的指令為100%、75%、50%、25%和0，記錄電液執(zhí)行器的開度百分比。計算各控制指令與開度百分比之差的絕對值，最大的偏差即為定位精度。

2.2 試驗結(jié)果及分析

電液執(zhí)行器定位精度測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 電液執(zhí)行器定位精度測試數(shù)據(jù)

從表2可知，選用的電位計位移傳感器可滿足電液執(zhí)行器的控制需求。

3 結(jié)論

通過將電位計位移傳感器內(nèi)置于執(zhí)行器油缸缸筒內(nèi)，活塞桿與電位計通過安裝板相連，電位計轉(zhuǎn)接電路板采用內(nèi)部走線，并且線纜采用屏蔽電纜的方案。通過最終試驗數(shù)據(jù)對比，電位計傳感器比LVDT、磁致伸縮傳感器更適用于電液執(zhí)行器位移傳感器。