動圈式全電反饋伺服閥自動檢測系統
1 引言
傳統的電液伺服閥中最典型也最常用的是雙噴嘴擋板式滑閥力反饋伺服閥，它采用力矩馬達作為電-機械轉換裝置，雙噴嘴擋板閥為液壓放大元件，力反饋桿與彈簧管構成機械反饋。雖然力矩馬達具有固有頻率高、結構緊湊等優點，但為了限制非線性，力矩馬達銜鐵的輸出位移一般都很小，制造精度要求高，力反饋桿與彈簧管構成的機械反饋使得力矩馬達的抗污染性差，價格高。
動(dong)圈(quan)式(shi)力馬(ma)(ma)達(da)(da)在(zai)氣(qi)隙中運動(dong)時不(bu)改變氣(qi)隙的(de)(de)(de)(de)長(chang)度(du)，具有位移(yi)量大(da)的(de)(de)(de)(de)特點，用力馬(ma)(ma)達(da)(da)直接(jie)驅(qu)動(dong)滑(hua)閥(fa)(fa)，可(ke)以增(zeng)加(jia)閥(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)抗污染能力。早期(qi)的(de)(de)(de)(de)動(dong)圈(quan)式(shi)力馬(ma)(ma)達(da)(da)伺(si)(si)服閥(fa)(fa)，由于為(wei)了充分利用力馬(ma)(ma)達(da)(da)的(de)(de)(de)(de)線(xian)性，閥(fa)(fa)芯(xin)行程大(da)，對中彈簧的(de)(de)(de)(de)剛度(du)一般較小(xiao)，而(er)動(dong)圈(quan)與(yu)先(xian)導閥(fa)(fa)芯(xin)連接(jie)在(zai)一起，運動(dong)部(bu)分質量大(da)，致使力馬(ma)(ma)達(da)(da)的(de)(de)(de)(de)頻率低，響(xiang)應速(su)度(du)慢。隨(sui)著電子(zi)技(ji)術(shu)與(yu)傳感器技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)發(fa)展，通過(guo)提(ti)高(gao)(gao)動(dong)圈(quan)式(shi)力馬(ma)(ma)達(da)(da)的(de)(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)電流來加(jia)大(da)力馬(ma)(ma)達(da)(da)的(de)(de)(de)(de)輸出力已不(bu)再困(kun)難，利用先(xian)進的(de)(de)(de)(de)位移(yi)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)技(ji)術(shu)實(shi)現閥(fa)(fa)芯(xin)位置的(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)精度(du)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)不(bu)僅(jin)可(ke)行而(er)且經(jing)濟，因(yin)此近年來，數百赫茲以上(shang)高(gao)(gao)頻響(xiang)大(da)流量伺(si)(si)服閥(fa)(fa)幾乎都采(cai)用動(dong)圈(quan)式(shi)力馬(ma)(ma)達(da)(da)結(jie)構。本文以日本KYB工(gong)業株式(shi)會社生產的(de)(de)(de)(de)MK伺(si)(si)服閥(fa)(fa)為(wei)例(li)，分析動(dong)圈(quan)式(shi)伺(si)(si)服閥(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)特點及其檢(jian)(jian)測(ce)(ce)問題。
2 MK閥及其(qi)放大器的特(te)點(dian)
MK電(dian)(dian)液伺(si)(si)服閥是(shi)一種全(quan)電(dian)(dian)反饋(kui)、二級驅動(dong)、雙位置閉(bi)環的(de)電(dian)(dian)液伺(si)(si)服閥。它具(ju)有高頻響、高精度、抗(kang)污染性(xing)好、性(xing)能穩定(ding)等(deng)特(te)點。與力反饋(kui)相比，采用(yong)電(dian)(dian)反饋(kui)不僅(jin)簡化了伺(si)(si)服閥的(de)結構，而(er)且為用(yong)電(dian)(dian)氣參數(shu)來改變閥的(de)特(te)性(xing)提供了技術基(ji)礎。
伺(si)服閥(fa)(fa)(fa)由(you)(you)先(xian)導(dao)(dao)閥(fa)(fa)(fa)、主(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)和(he)減(jian)壓閥(fa)(fa)(fa)等組(zu)成(cheng)。先(xian)導(dao)(dao)級(ji)主(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)要有：動(dong)圈力(li)馬達(da)、滑閥(fa)(fa)(fa)以及電(dian)渦(wo)流位(wei)(wei)移(yi)(yi)傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)等組(zu)成(cheng)，電(dian)氣(qi)部分(fen)是完(wan)全干式(shi)(shi)，動(dong)圈運(yun)動(dong)時直(zhi)接推動(dong)閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)移(yi)(yi)動(dong)，閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)的(de)(de)位(wei)(wei)移(yi)(yi)由(you)(you)嵌(qian)入(ru)式(shi)(shi)電(dian)渦(wo)流位(wei)(wei)移(yi)(yi)傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)檢(jian)測反(fan)饋(kui)到放(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)輸(shu)(shu)入(ru)端形成(cheng)電(dian)氣(qi)閉環。這種直(zhi)動(dong)加(jia)電(dian)氣(qi)反(fan)饋(kui)的(de)(de)方式(shi)(shi)，使得其(qi)結構特別簡單(dan)，大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)提高了可靠性。主(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)由(you)(you)先(xian)導(dao)(dao)級(ji)驅動(dong)，主(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)與(yu)嵌(qian)入(ru)式(shi)(shi)差動(dong)變壓器(qi)(qi)(qi)(qi)位(wei)(wei)移(yi)(yi)傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)鐵(tie)芯(xin)相連(lian)接，主(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)的(de)(de)位(wei)(wei)移(yi)(yi)由(you)(you)差動(dong)變壓器(qi)(qi)(qi)(qi)位(wei)(wei)移(yi)(yi)傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)檢(jian)測，反(fan)饋(kui)到放(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)輸(shu)(shu)入(ru)端形成(cheng)第(di)二級(ji)反(fan)饋(kui)。減(jian)壓閥(fa)(fa)(fa)位(wei)(wei)于(yu)主(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)與(yu)先(xian)導(dao)(dao)閥(fa)(fa)(fa)之間(jian)，以保證先(xian)導(dao)(dao)閥(fa)(fa)(fa)能得到穩定的(de)(de)供(gong)油壓力(li)。伺(si)服放(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)由(you)(you)功率放(fang)大(da)(da)(da)、主(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)環路(lu)、加(jia)算電(dian)路(lu)、直(zhi)流電(dian)源以及檢(jian)測電(dian)路(lu)等部分(fen)組(zu)成(cheng)，其(qi)電(dian)流驅動(dong)能力(li)為(wei)±3.5 A＠±48V。傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)、放(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)緊靠伺(si)服閥(fa)(fa)(fa)放(fang)置(zhi)，負責先(xian)導(dao)(dao)閥(fa)(fa)(fa)、主(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)位(wei)(wei)移(yi)(yi)信號的(de)(de)處(chu)理與(yu)放(fang)大(da)(da)(da)，并將(jiang)位(wei)(wei)移(yi)(yi)信號轉換為(wei)4～20 mA的(de)(de)電(dian)信號。這種電(dian)流傳(chuan)輸(shu)(shu)方式(shi)(shi)，大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)提高了系(xi)統的(de)(de)抗干擾能力(li)。
這種全電(dian)反(fan)饋、二(er)級驅動、雙(shuang)位置閉(bi)環的(de)電(dian)液(ye)伺(si)服(fu)閥本身是一(yi)個機、電(dian)、液(ye)一(yi)體化的(de)復雜精密控制系(xi)統(tong)，對其進行性(xing)能參數、品(pin)質指標(biao)的(de)檢(jian)測不僅是衡量其性(xing)能優劣的(de)重要(yao)手(shou)段，也是調(diao)節(jie)電(dian)氣參數保證其正常、高效(xiao)、穩(wen)定(ding)運行和(he)強化維修的(de)必要(yao)手(shou)段。
3 自(zi)動檢測系(xi)統組成(cheng)原理
從上述分析可知：動圈式全電反饋MK閥的性能檢測實際上是對全電反饋電液伺服系統的性能檢測。為了保證檢測系統的阻抗效應不影響MK閥的性能及其參數的調整，檢測系統除完成先導閥、主閥的流量特性、壓力泄漏特性、閥芯位移特性以及頻率特性等檢測功能外，還應采取隔離措施和有效的抗干擾技術，保證閥的性能不受影響。
圖2為自動檢測系統組成原理框圖。系統軟件在WINDOWS環境下實現，具有良好的人機界面和可操作性。系統硬件主要由監控計算機、激勵信號發生單元、傳感器及其變送單元、信號采集與處理單元、檢測結果輸出單元以及試驗裝置和被試伺服閥等組成。
(1) 監(jian)控計算機(ji)
監(jian)(jian)控(kong)計(ji)算機(ji)采(cai)用(yong)工(gong)業控(kong)制(zhi)機(ji)，是整(zheng)個測(ce)試(shi)系統的(de)主控(kong)機(ji)。通過友(you)好(hao)的(de)人機(ji)界面，負責(ze)接收(shou)用(yong)戶(hu)指令(ling)，根據試(shi)驗目的(de)監(jian)(jian)視、管理程控(kong)信(xin)號發(fa)生器、BCDGPIB數據轉換單元、1253增益相位分(fen)析(xi)儀、PM3384四通道數字-模(mo)擬組合式示波(bo)器等(deng)智能儀器的(de)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)，并(bing)負責(ze)控(kong)制(zhi)DS P接口板完成被(bei)測(ce)量的(de)模(mo)擬采(cai)集(ji)、分(fen)析(xi)與處理等(deng)。同時，監(jian)(jian)控(kong)計(ji)算機(ji)通過大(da)屏幕顯示器和打印(yin)機(ji)實現測(ce)試(shi)狀(zhuang)態(tai)和結果的(de)顯示、打印(yin)輸(shu)出。
通過IEEE488總線，監控計算機與程(cheng)控信(xin)號發生器(qi)(qi)、BCDGPIB數據轉換單元、1253增益相位分析儀、PM3384四(si)通道數字-模(mo)擬(ni)組合(he)式(shi)示波器(qi)(qi)等(deng)智(zhi)能(neng)儀器(qi)(qi)進行(xing)通信(xin)，完成這些智(zhi)能(neng)儀器(qi)(qi)工(gong)作模(mo)式(shi)和量程(cheng)等(deng)工(gong)作狀態的設置、試驗數據的獲得等(deng)工(gong)作。
(2) 激勵信(xin)號發生(sheng)單元
激(ji)勵(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)發(fa)(fa)生單元包括兩部分(fen)(fen)，一(yi)為程控(kong)信(xin)(xin)號(hao)發(fa)(fa)生器，二為1253增益(yi)相位(wei)分(fen)(fen)析器的激(ji)勵(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)輸(shu)出部分(fen)(fen)。程控(kong)信(xin)(xin)號(hao)發(fa)(fa)生器可以產(chan)生正弦(xian)波(bo)、三角波(bo)、偽(wei)隨(sui)機信(xin)(xin)號(hao)、階躍信(xin)(xin)號(hao)等(deng)，1253增益(yi)相位(wei)分(fen)(fen)析器的激(ji)勵(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)輸(shu)出為正弦(xian)波(bo)。監(jian)控(kong)計算機通過IEEE488總(zong)線(xian)操作(zuo)激(ji)勵(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)發(fa)(fa)生單元，設(she)置信(xin)(xin)號(hao)的類型、幅值等(deng)參數，產(chan)生試(shi)驗項目(mu)所需的各種激(ji)勵(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)。
(3) 傳感器及(ji)其變送單(dan)元
傳(chuan)感器及其變送(song)單(dan)元(yuan)是伺服閥(fa)檢測系統的(de)重要部件。表(biao)征被試伺服閥(fa)的(de)性能(neng)或(huo)狀態的(de)物理(li)(li)量(liang)，如壓力(li)、流量(liang)、溫度(du)等參(can)量(liang)，都需要由相應(ying)的(de)傳(chuan)感器轉換為電信號，然后經(jing)變送(song)器或(huo)二次儀表(biao)進(jin)行(xing)處理(li)(li)、顯示，并送(song)到信號采集與處理(li)(li)單(dan)元(yuan)進(jin)行(xing)分(fen)析處理(li)(li)。
壓力(li)檢測(ce)采(cai)用英(ying)國DRUCK公(gong)司的(de)PDCR-961壓力(li)傳感(gan)器(qi)(qi)和DPI-280數字(zi)壓力(li)顯(xian)示儀表(biao)，量(liang)(liang)程為0～35 MPa，準確度為±0.1%；流量(liang)(liang)測(ce)量(liang)(liang)采(cai)用德國VSE GmbH公(gong)司生產的(de)VSE1、VSE 2、VC0.2和VSE0.04 4種型號的(de)齒輪流量(liang)(liang)傳感(gan)器(qi)(qi)，二次儀表(biao)采(cai)用MFI數字(zi)流量(liang)(liang)顯(xian)示儀，流量(liang)(liang)傳感(gan)器(qi)(qi)的(de)性能參數見(jian)表(biao)1；溫度測(ce)量(liang)(liang)采(cai)用半導體熱敏(min)傳感(gan)器(qi)(qi)，變送及數字(zi)儀表(biao)自行開發，測(ce)溫范圍：－50～150℃，準確度0.5℃。
壓力、流量數(shu)字(zi)(zi)顯(xian)示儀表在顯(xian)示的同時還可輸出模擬量(4～20 mA／0～10 V)和BCD 數(shu)字(zi)(zi)量。
型號 VSE2 VSE1 VC0.2 VSE0. 04
線性(%) 0.3 0.3 1 0.3
測量范圍(L／min) 1.5～125 0.8～16 0.2～16 0.04～4
應用(yong)場合 流(liu)(liu)量特性(xing) 流(liu)(liu)量特性(xing) 泄(xie)漏特性(xing) 泄(xie)漏特性(xing)
(4) 信號采集(ji)與(yu)處理單元
信(xin)號采集(ji)與處理單元(yuan)主要由信(xin)號調理器(qi)(qi)、DSP接口板、BCDGPIB數(shu)據轉換單元(yuan)、1 253增益相位分析儀、PM3384四通道數(shu)字-模擬組(zu)合式示波器(qi)(qi)以及監(jian)控計(ji)算機等組(zu)成，負(fu)責(ze)來自傳感器(qi)(qi)信(xin)號的隔離、放大、濾波、采集(ji)、處理等功能。
信(xin)號(hao)(hao)調(diao)(diao)理(li)器(qi)(qi)(qi)除完(wan)成(cheng)來自(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)或二次儀表模擬(ni)(ni)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)放大、隔直、濾(lv)波(bo)等功(gong)能(neng)外，它還提(ti)供(gong)模擬(ni)(ni)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)隔離(li)功(gong)能(neng)，有效地(di)消(xiao)除了(le)由(you)于(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)地(di)網絡(luo)對測試(shi)系(xi)統(tong)的(de)(de)影響(xiang)。伺(si)(si)(si)服(fu)放大器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)輸入、輸出及先導閥(fa)閥(fa)芯位(wei)移、主閥(fa)閥(fa)芯位(wei)移信(xin)號(hao)(hao)通(tong)過(guo)調(diao)(diao)理(li)器(qi)(qi)(qi)隔離(li)后與測試(shi)系(xi)統(tong)相連，從(cong)而(er)避免了(le)測試(shi)系(xi)統(tong)對伺(si)(si)(si)服(fu)閥(fa)及伺(si)(si)(si)服(fu)放大器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)影響(xiang)，保(bao)證了(le)伺(si)(si)(si)服(fu)閥(fa)和伺(si)(si)(si)服(fu)放大器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)正常工作及參數(shu)(shu)調(diao)(diao)節的(de)(de)獨立性。 在DSP接(jie)口板采集來自(zi)信(xin)號(hao)(hao)調(diao)(diao)理(li)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)模擬(ni)(ni)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)同時(shi)，監控(kong)計(ji)算機(ji)通(tong)過(guo)BCDGPIB 數(shu)(shu)據(ju)轉換單元采集來自(zi)二次儀表的(de)(de)BCD數(shu)(shu)字量，這樣可(ke)以(yi)方便地(di)實現模擬(ni)(ni)量的(de)(de)在線校(xiao)準和調(diao)(diao)零。伺(si)(si)(si)服(fu)閥(fa)的(de)(de)靜態特性曲線使用數(shu)(shu)字量校(xiao)準后的(de)(de)模擬(ni)(ni)量來繪制，從(cong)而(er)既(ji)保(bao)證了(le)伺(si)(si)(si)服(fu)閥(fa)靜態特性的(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)準確性，又保(bao)證了(le)伺(si)(si)(si)服(fu)閥(fa)靜態特性曲線的(de)(de)分辨率和完(wan)整性。
頻率(lv)特性可以由1253增(zeng)益相位分析儀(yi)完成，結果通過IEEE488總(zong)線傳(chuan)送到監控(kong)計算機(ji)進(jin)行二(er)次處理后(hou)由監控(kong)計算機(ji)進(jin)行顯(xian)示、打印等輸(shu)出。
階躍(yue)特性由(you)PM3384四通(tong)道-模擬組合式示波器采集，然后通(tong)過監控計算機分析(xi)處理后顯(xian)示、打印等。
(5) 檢測結(jie)果輸出單元
X-Y記錄儀、大屏幕顯示器、打印機以及PM3384四通道-模擬示波器等構成測試系統的檢測結果輸出單元。
4 試驗回路及實驗
(1) 靜(jing)態特性試驗(yan)回(hui)路及實(shi)驗(yan)
電液伺服(fu)(fu)閥的(de)靜態特(te)(te)性(xing)試驗主要包括無載控(kong)制流(liu)(liu)量特(te)(te)性(xing)、壓(ya)(ya)力增益特(te)(te)性(xing)以及內泄(xie)漏(lou)特(te)(te)性(xing)等(deng)內容，從這3條特(te)(te)性(xing)曲(qu)線(xian)上，可以求得電液伺服(fu)(fu)閥的(de)流(liu)(liu)量增益、線(xian)性(xing)度、滯環、對(dui)稱度、極性(xing)、壓(ya)(ya)力增益、零偏以及內泄(xie)漏(lou)等(deng)特(te)(te)性(xing)參數。
圖(tu)(tu)3為(wei)電液伺服閥(fa)(fa)(fa)靜態特性(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)環(huan)路(lu)圖(tu)(tu)。為(wei)了保(bao)證閥(fa)(fa)(fa)芯移(yi)動時，試(shi)(shi)驗(yan)(yan)系(xi)統不(bu)受擾動，用比例放(fang)大器、比例閥(fa)(fa)(fa)、伺服閥(fa)(fa)(fa)P、T口壓力傳(chuan)感(gan)器以(yi)及PI調節器等(deng)構(gou)成試(shi)(shi)驗(yan)(yan)環(huan)路(lu)的壓力閉(bi)(bi)環(huan)，從而滿(man)足了流量(liang)特性(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)中伺服閥(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)壓降基本保(bao)持恒定的要求。無(wu)載控(kong)制(zhi)流量(liang)特性(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)時，打開截(jie)止(zhi)(zhi)閥(fa)(fa)(fa)1、3、5、6、7，關閉(bi)(bi)截(jie)止(zhi)(zhi)閥(fa)(fa)(fa)8。壓力增益特性(xing)以(yi)及內泄漏特性(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)時，打開截(jie)止(zhi)(zhi)閥(fa)(fa)(fa) 1、3、8，關閉(bi)(bi)截(jie)止(zhi)(zhi)閥(fa)(fa)(fa)5、6、7。
試(shi)驗(yan)信號采用頻率為25 mHz三角波，在供(gong)油溫度(du)44.2℃、先導環(huan)路(lu)增益(yi)3.0、主閥(fa)(fa)環(huan)路(lu)增益(yi)3.0、速(su)度(du)阻尼增益(yi)6.0、閥(fa)(fa)壓降為6.6 MPa條件下(xia)，對某MK閥(fa)(fa)無載控制(zhi)流量特性(xing)曲線(xian)、主閥(fa)(fa)芯位(wei)移特性(xing)曲線(xian)的測試(shi)。
試(shi)驗信號采用(yong)頻率為20 mHz三(san)角波，在供(gong)油(you)溫(wen)度40.2℃、先導(dao)環路增(zeng)(zeng)益3.0、主閥環路增(zeng)(zeng)益3.0、速度阻尼(ni)增(zeng)(zeng)益6.0、供(gong)油(you)壓(ya)力為21.2 MPa條件下，對某(mou)MK閥壓(ya)力增(zeng)(zeng)益特(te)性曲線(xian)、內(nei)泄(xie)漏(lou)特(te)性曲線(xian)的測(ce)試(shi)結果如圖5所(suo)示。
(2) 動態特性試驗環路及實驗
圖(tu)6為電(dian)液伺服(fu)閥頻率特性(xing)試驗環(huan)路圖(tu)，試驗時(shi)，關閉(bi)截止閥6、7，打(da)開(kai)其他(ta)截止閥。
在系統壓力為11.7 MPa、供油溫度40.9℃、先導環路增益3.0、主閥環路增益3.0 、速度阻尼增益6.0、輸入幅值為0.35 V條件下，使用頻率響應法得到的某MK閥的頻率特性。
5 結 論
動圈式全電反饋伺服閥自動檢測系統有以下特點：(1)利用數字量在線自動校準模擬量的技術，保證了電液伺服閥靜態特性測試的準確性；(2)為了保證無載流量控制試驗閥壓降恒定的條件，使用比例閥構成了壓力閉環；(3)系統采用了隔離等抗干擾措施，保證了測試系統的準確度和全電反饋伺服閥正常工作；(4)多臺智能儀器通過IEE488總線與監控機通信，數據傳輸可靠、速度快；(5)軟件在WINDOWS環境下設計，具有友好的人機界面。
通(tong)過在(zai)上海寶鋼集團近一年的實踐(jian)證(zheng)明(ming)：該系(xi)統工作穩定，操(cao)作方(fang)便，實驗數(shu)據(ju)準確、可(ke)靠(kao)。
