電液伺服閥頻率特性測(cè)試方法

電液流量伺服閥頻率特性定義為：控制電流在某個(gè)頻率范圍內(nèi)做正弦變化時(shí)，閥的空載控制流量對(duì)控制電流的復(fù)數(shù)比。因伺服閥內(nèi)部含有多種非線性環(huán)節(jié)，伺服閥的性能又受外界環(huán)境條件影響，因此規(guī)定伺服閥的頻率特性應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件及控制電流峰間值為50%額定輸入信號(hào)下測(cè)定。

設(shè)伺服閥的傳遞函數(shù)為G(s)，伺服閥的頻率特性為G(jω)=G(s)|s=jω，G|(jω)|表示頻率特性的幅值，∠G(jω)表示頻率特性的相角。當(dāng)對(duì)閾值恒定的、頻率在某一范圍內(nèi)變化的正弦信號(hào)，便可以得到G|(jω)|和∠G(jω)變化情況，分別稱為伺服閥的幅頻特性和相頻特性。也可以對(duì)伺服閥輸入某一幅值的階躍信號(hào)，相應(yīng)地測(cè)取伺服閥輸出的階躍響應(yīng)，然后用傅氏變換方法求出伺服閥頻率響應(yīng)。目前，生產(chǎn)廠家一般用正弦輸入法來(lái)測(cè)取伺服閥頻率特性。由于伺服閥的瞬時(shí)流量很難直接測(cè)取，一般用動(dòng)態(tài)液壓缸間接測(cè)取。設(shè)伺服閥的流量為q，動(dòng)態(tài)液壓缸的活塞面積為A_p，活塞運(yùn)動(dòng)速度為y，顯然有如下關(guān)系

Q=A_py

活塞運(yùn)動(dòng)速度與伺服閥流量成比例，可以用活塞運(yùn)動(dòng)速度變化代表閥輸出流量變化，在工程上測(cè)取活塞運(yùn)動(dòng)速度是很易實(shí)現(xiàn)的。用輸入正弦信號(hào)測(cè)試伺服閥頻率特性框圖如圖5所示。

(1)頻率特性測(cè)試。頻率特性測(cè)試儀具有以下作用：①向電控器發(fā)出幅值恒定的、頻率按某一步長(zhǎng)遞增的正弦信號(hào)；②接收動(dòng)態(tài)液壓缸的速度信號(hào)；③將發(fā)出信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示出閥的幅值響應(yīng)和相位響應(yīng)。

(2)電控器的功能和要求。電控器的功能和要求如下：①接受頻率特性測(cè)試儀發(fā)出的正弦信號(hào)，給伺服閥發(fā)出相應(yīng)幅值恒定的電流正弦信號(hào)，使伺服閥作相應(yīng)正弦響應(yīng)；②接收動(dòng)態(tài)液壓缸位移y信號(hào)，使伺服閥、動(dòng)態(tài)液壓缸構(gòu)成閉環(huán)位置控制回路；③接收動(dòng)態(tài)液壓缸的速度y信號(hào)，經(jīng)適當(dāng)放大后直接輸給動(dòng)態(tài)測(cè)試儀。

電控器位置回路的作用是：在動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程中使活塞運(yùn)動(dòng)的平均位置始終處于動(dòng)態(tài)液壓缸的中位，或接近于中位的某一位置，這樣在測(cè)試過(guò)程中不會(huì)發(fā)生撞缸現(xiàn)象，同時(shí)也提高了測(cè)試精度。電控器內(nèi)的位置反饋信道應(yīng)是低通濾波型的，濾波轉(zhuǎn)折頻率應(yīng)≤0.5Hz。對(duì)≤0.2Hz范圍的信號(hào)，位置回路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制功能，大于上述頻率，反饋回路實(shí)質(zhì)是“開”的，位置閉環(huán)變成位置開環(huán)。只有在開環(huán)條件下測(cè)試，才能得到真實(shí)的伺服閥頻率響應(yīng)。位置閉環(huán)回路應(yīng)有適宜的回路增益，使在測(cè)試過(guò)程中活塞的平均位置始終能保持在某一位置，從而使測(cè)試結(jié)果更精確可靠，這一點(diǎn)十分重要。通常伺服閥的動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果一致性不是很好，原因之一就是在測(cè)試過(guò)程中活塞位置定位不好。因?yàn)樗俣葌鞲衅鞯拇艌?chǎng)在軸線方向上的分布雖然是恒定的，但卻不均等。在測(cè)試過(guò)程中如活塞的定位浮動(dòng)，就有可能使前后兩次檢測(cè)的速度信號(hào)不是唯一恒定的，因而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)一致性不好。電控器的功率放大器應(yīng)設(shè)計(jì)成深度電流反饋型，而且具有足夠大的功率，這樣在寬廣的頻率范圍內(nèi)的測(cè)試過(guò)程中才能滿足要求：在高達(dá)數(shù)百赫茲頻率的測(cè)試范圍內(nèi)，伺服閥的動(dòng)態(tài)特性不受閥線圈電感影響，輸給閥的正弦信號(hào)也不會(huì)失真，電控器人口輸入電壓與閥輸入電流標(biāo)定值與閥的線圈電阻無(wú)關(guān)。

(3)動(dòng)態(tài)液壓缸。動(dòng)態(tài)液壓缸的活塞運(yùn)動(dòng)摩擦力、質(zhì)量m及內(nèi)漏應(yīng)盡可能小，活塞容腔V_t盡可能小，應(yīng)參照?qǐng)D6結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。

活塞頭與缸筒之間的密封可以不采用密封件密封，用高精度間隙密封。如采用密封件密封，密封件的壓縮量不宜取大，采用結(jié)構(gòu)合理低摩擦因數(shù)的密封件。位移傳感器和速度傳感器應(yīng)設(shè)計(jì)成內(nèi)置式，沉浸在液壓缸的左、右兩腔內(nèi)。活塞兩端無(wú)外伸活塞桿，這將避免通常結(jié)構(gòu)的桿密封和桿端支撐。按這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)液壓缸的摩擦力和運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量應(yīng)該是很小。

動(dòng)態(tài)液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸是液壓缸缸徑D和活塞限位行程L，D、L大小與待試伺服閥額定流量q_n大小有關(guān)。下面的設(shè)計(jì)計(jì)算公式是基于活塞容腔為最小原則下推導(dǎo)出來(lái)的。

設(shè)活塞在伺服閥驅(qū)動(dòng)下做正弦運(yùn)動(dòng)，活塞行程為y，低頻時(shí)振幅為y₀，則有

Y=y₀sin2πωt

式中：ω為正弦運(yùn)動(dòng)頻率，Hz。

相應(yīng)地活塞運(yùn)動(dòng)速度為

y=2πωy₀cos2πωt

設(shè)伺服閥的額定流量為q_n，檢測(cè)頻率特性時(shí)輸給伺服閥電流信號(hào)峰值為0.5iN，iN為閥的額定電流，則在初始低頻時(shí)閥的流量峰值為0.5qn，于是式(2)成立

檢測(cè)頻率特性時(shí)，往往取初始頻率為5Hx。頻率為5Hz時(shí)，圖5的位置回路實(shí)際上處于斷開狀態(tài)。此外，伺服閥頻率響應(yīng)一般都很高，頻率5Hz時(shí)輸出幅值基本沒(méi)有衰減，因此，起始頻率為5Hz是合理的。把起始頻率5Hz代八式(2)，則有

Y₀=0.3377×(q_n/D²)

這是閥的額定流量q_n、缸徑D和初始振幅y₀的關(guān)系式。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)將已知閥的額定流量qn、初步選定的缸徑D代入式(3)，便可求出活塞初始頻率點(diǎn)的初始振幅y₀。活塞的限位行程L應(yīng)滿足L≥y₀，推薦取L=y₀。

推薦常用的不同流量動(dòng)態(tài)液壓缸參數(shù)見下表。

額定流量qn/(L/min)	≤10	≤100	≤400
缸徑D/cm	4	8	10
活塞限位行程L/cm	0.7	1	1.8

按圖7所示模型進(jìn)行數(shù)字仿真。取不同的輸出狀態(tài)參量，即閥心位移x_v幅值和動(dòng)態(tài)液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)速度y幅值分別與輸入幅值為I₀的正弦電流信號(hào)相比較，得出伺服閥閥心x_v（輸出的頻率響應(yīng)）和動(dòng)態(tài)液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)速度y（輸出的頻率響應(yīng)）是一致的，這說(shuō)明活塞等運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量和活塞容腔對(duì)伺服閥真實(shí)頻率響應(yīng)的影響很小。按表3尺寸設(shè)計(jì)出來(lái)的動(dòng)態(tài)液壓缸，不會(huì)給檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)誤差。

為保證伺服閥頻率特性測(cè)試的可信度，需對(duì)一種新設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)液壓缸或外購(gòu)的動(dòng)態(tài)液壓缸，或使用時(shí)間很長(zhǎng)后動(dòng)態(tài)液壓缸的檢測(cè)可信度進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定方法如下：

用電反饋電液流量伺服閥代替一般電液流量伺服閥裝到動(dòng)態(tài)液壓缸上。動(dòng)態(tài)液壓缸缸徑小的，采用二級(jí)電反饋電液流量伺服閥；缸徑大的，采用三級(jí)電液流量伺服閥。標(biāo)定動(dòng)態(tài)液壓缸的信號(hào)傳遞框圖如圖8所示。圖8中電控器功能與圖5中的電控器功能一樣，只不過(guò)此處電控器輸出信號(hào)為電壓，而圖5為電流。圖中的閥心位移x，信號(hào)是從電反饋伺服閥的內(nèi)裝放大器反饋通道中引出。可見伺服閥的頻率特性可同時(shí)從兩個(gè)不同輸出信號(hào)檢測(cè)出：①?gòu)膭?dòng)態(tài)液壓缸的輸出速度信號(hào)y；②從伺服閥的閥心位移信號(hào)x_v檢測(cè)出。如果兩者測(cè)出的頻率特性一致，說(shuō)明用該動(dòng)態(tài)液壓缸檢測(cè)頻率特性是可信的；如果兩者檢測(cè)出的頻率特性不一致且相差較大，說(shuō)明用該動(dòng)態(tài)液壓缸檢測(cè)頻率特性不可信，應(yīng)查明原因，予以排除。