液壓與氣動--電液伺服閥測試系統研究

            電液伺服閥測試系統研究

               李健鋒，袁銳波，張自華
        The Research of the Testing System of Electro一hydraulic Servo Valve
             LI Jian-feng, YUAN Rui-bo, ZHANG Zi-hua
         (昆明理工大學流體控制工程研究所，云南昆明650093)
    摘要 :該電液伺服閥測試系統主要用來測試伺服閥的靜態和動態性能。介紹了系統組成及功能，研究了系統的測試原理圖，最后分析了伺服閥的靜態和動態測試。
    關鍵詞 :電液伺服閥;靜態測試;動態測試
    1、前言
  電液控制伺服閥簡稱伺服閥，相對于普通液壓系統中的常規閥來說，伺服閥是一種高級的、精密的液壓元件。伺服閥既是信號轉換元件，又是功率放大元件。在電液伺服控制系統中，伺服閥將系統的電氣部分與液壓部分連接起來，實現電液信號的轉換與放大，對液壓執行元件進行控制，具有控制精度高、響應速度快、信號處理靈活、輸出功率大和結構緊湊等優點。為了更好地利用電液伺服閥，必須對它進行充分的實驗。
    2、系統組成及功能
  電液伺服閥測試系統主要由泵站系統、測試臺、計算機測控系統等組成。小泵額定壓力為21 M Pa，流量10 L/min;大泵額定壓力為7 MPa，流量90 L/min。測試臺設計成兩個工位，即電液伺服閥靜態測試工位和動態測試工位。測控系統主要包括:電源開關電路、信號調理器、Avant測試分析儀、控制軟件(液壓CAT控制測試軟件)和計算機系統。測控系統實施對液壓能源、液
壓測試臺的控制，實現對電液伺服閥某項或多項液壓參數測試的油路轉換，同時采集各項所需的液壓參數，經軟件處理獲得符合電液伺服閥試驗規范要求的曲線、數據、報表等。實現了對電液伺服閥的動、靜態特性的實時顯示及描繪，并自動進行相關數據分析和處理。
    3、電液伺服閥測試系統原理
  電液伺服閥測試系統原理圖如圖1所示。

    4、電液伺服閥特性測試
    4.1、靜態測試
  1) 空載流量特性測試
  在無載 ( 即A,B 兩腔的壓力差極小)的條件下，向伺服閥輸入緩慢變化的電流，測得伺服閥輸出流量與輸人電流的關系，即±q = f(±i)△PL。當被試閥輸入電流i變化一個工作周期(即由

)，對應輸出流量q的變化。所得曲線即為空載流量特性，如圖2所示。由于伺服閥的流量測試是在“空載”條件下，即負載壓力非常低的條件下進行的，因此要求流量傳感器必須具有極低的啟動壓力。通過控制圖1中截止閥25,28,29,31的位置，在工作壓力下繪制空載流量曲線，通過計算機測控系統對其進行采集、分析，能得到伺服閥的流量增益、額定流量、飽和流量、飽和電流、線性度、對稱度、滯環等性能指標的值。

    2) 負載流量特性測試
  在輸入電流i和供油壓力Ps，為常數的情況下，輸出流量q隨負載壓力差△PL的變化關系。士q=f(土△PL)i= 常數。負載壓差△PL的變化范圍是從零到Ps，在此范圍內測出對應的輸出流量q值.改變電流i為不同常數，可得到一簇曲線，即為負載流量特性曲線，如圖3 (a)所示。通過控制圖1中截止閥25,28,29,31的位置，調節節流閥30，給電液伺服閥加一個負載，然后繪制帶載流量曲線，通過計算機測控系統測試相關性能指標的值。
    3) 壓力增益特性測試
  首先將供油壓力調整為額定壓力加回油壓力，并將伺服閥的A,B 口切斷，在輸出流量q為零的情況下，負載壓差PL與輸入電流i的關系，即士PL= f(士i)q=0。當輸入電流i變化一個工作周期(即由

)，對應負載壓差PL的變化。所得曲線即為壓力特性曲線，如圖3(b)所示。在壓力特性曲線上某點或某段的斜率即為壓力增益。伺服閥的壓力增益越高，伺服系統的剛度越大，克服負載能力越強，系統誤差越小。壓力增益越低，表明零位泄漏量大，閥芯和閥套配合不好，從而使伺服系統的響應遲緩。如圖1中，檢測數字式壓力計34,36的壓力值，通過計算機系統處理分析，得到伺服閥的壓力增益值，并可在終端上顯示或存儲、打印。
4) 內泄漏特性測試
伺服閥的內泄漏特性是指伺服閥輸出流量為零(在負載通道關閉時)，由回油口流出的內部泄漏流量，通常泄漏流量隨輸人電流變化而變化，當閥處于零位時為最大值qLo，見圖3(c)。對于兩級伺服閥泄漏量由前置級的泄漏量qq0和輸出級的泄漏量qLo
組成。零位泄漏量qc�？勺鳛榛y制造質量指標，對舊閥可反映其磨損情況。另外，伺服閥的壓力特性也能反映其內泄漏情況。

                       圖3 試驗曲線
    4.2 動態測試
  主要測量伺服閥的幅頻特性、相頻特性及幅頻寬和相頻寬。讓伺服閥的輸人電流在某個頻率范圍內作正弦變化時，閥的空載流量對輸人電流的復數比，即為伺服閥的頻率特性。
  通過流量來測試系統頻率特性，電液伺服閥的頻率特性要求在空載條件下測量，采用具有小質量、低摩擦的無載動態缸和速度傳感器作為流量傳感器，液壓缸的速度與電液伺服閥輸出的流量在一定頻率范圍內成比例，液壓缸活塞桿一端帶速度傳感器，將流量信號轉化為電壓信號.測試系統數學模型如圖4所示，Q為流量，G1(s)為動態缸和速度傳感器。

雖然動態缸小質量、低摩擦、無載，但由于制造工藝和實際質量的存在，活塞左右移動時受質量、阻尼固有特性作用，故系統簡化為二階環節，即

。ξ為阻尼系數，ωn為流量傳感器的固有頻率。系統截止頻率受質量、阻尼系數的影響，從閥芯到液壓缸的固有頻率為:

  其中:A為液壓缸活塞有效面積;β為油液的有效容積模數;Vt為液壓缸兩腔的可壓縮體積;m為活塞質量;ωh為動態缸的固有頻率。
   提高動態缸的頻率特性的方法是減少質量和液壓缸兩腔的可壓縮體積，增加動態缸活塞的有效面積.
   測試系統的動態特性可采用相關譜分析法分析系統的動態特性，也可以采用最小二乘法辨識系統的數學模型，做幅頻特性曲線和相頻特性曲線.實驗主要是在實驗室測量電液伺服閥的動態特性、-3dB時對應的頻率和90°相移對應的頻率.考慮動態缸特性的影響，采用正弦信號做激勵信號，分別求不同頻率下的正弦信號的幅值比和相位差.由于電液伺服閥并不是確定的線性系統，不易采用系統辨識法辨識電液伺服閥的數學模型然后計算幅相頻特性曲線，故可采用正弦信號頻率對數等間隔分段掃描法測試系統的幅頻特性與相頻特性。
     5、結束語
   該電液伺服閥測試系統將計算機控制、檢測技術與液壓控制系統有效地相結合，使實驗的自動化程度、可靠性、準確性、效率大為提高，而且節省了部分儀器、設備。該系統不但可以進行靜態特性測試，而且可以進行動態特性測試。由計算機完成測試數據的處理，并計算伺服閥的性能指標，消除了人工讀取數據計算性能指標而造成的隨機誤差。
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