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)(quan)式(shi)力(li)馬(ma)(ma)達(da)在(zai)氣隙中(zhong)運(yun)(yun)動(dong)時不(bu)改變(bian)氣隙的(de)長度，具有(you)位移(yi)量(liang)大(da)的(de)特(te)點，用(yong)力(li)馬(ma)(ma)達(da)直接(jie)驅(qu)動(dong)滑閥(fa)，可以增(zeng)加閥(fa)的(de)抗(kang)污染(ran)能(neng)力(li)。早期的(de)動(dong)圈(quan)(quan)式(shi)力(li)馬(ma)(ma)達(da)伺(si)服閥(fa)，由(you)于為了充分(fen)利用(yong)力(li)馬(ma)(ma)達(da)的(de)線(xian)性，閥(fa)芯行(xing)程(cheng)大(da)，對(dui)中(zhong)彈簧的(de)剛度一般較小，而動(dong)圈(quan)(quan)與先(xian)導閥(fa)芯連接(jie)在(zai)一起，運(yun)(yun)動(dong)部分(fen)質量(liang)大(da)，致(zhi)使力(li)馬(ma)(ma)達(da)的(de)頻(pin)率(lv)低，響(xiang)應速度慢。隨(sui)著電(dian)子技(ji)術(shu)與傳感器技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展，通(tong)過提(ti)高(gao)動(dong)圈(quan)(quan)式(shi)力(li)馬(ma)(ma)達(da)的(de)驅(qu)動(dong)電(dian)流來(lai)(lai)加大(da)力(li)馬(ma)(ma)達(da)的(de)輸出(chu)力(li)已(yi)不(bu)再困難(nan)，利用(yong)先(xian)進(jin)的(de)位移(yi)檢測(ce)技(ji)術(shu)實現閥(fa)芯位置的(de)高(gao)精度檢測(ce)不(bu)僅可行(xing)而且經濟，因此近年來(lai)(lai)，數百(bai)赫茲以上高(gao)頻(pin)響(xiang)大(da)流量(liang)伺(si)服閥(fa)幾乎都采用(yong)動(dong)圈(quan)(quan)式(shi)力(li)馬(ma)(ma)達(da)結構。本文(wen)以日本KYB工業(ye)株式(shi)會社生產的(de)MK伺(si)服閥(fa)為例，分(fen)析動(dong)圈(quan)(quan)式(shi)伺(si)服閥(fa)的(de)特(te)點及其檢測(ce)問題。
2 MK閥及其放(fang)大(da)器的特點
MK電液伺服(fu)(fu)閥是一(yi)種全(quan)電反饋(kui)、二級驅動、雙位置閉環的(de)電液伺服(fu)(fu)閥。它具有高頻響、高精度、抗污(wu)染性(xing)(xing)好、性(xing)(xing)能穩定(ding)等特點。與力(li)反饋(kui)相(xiang)比，采用(yong)電反饋(kui)不僅簡(jian)化了伺服(fu)(fu)閥的(de)結構，而且為用(yong)電氣參(can)數來改(gai)變閥的(de)特性(xing)(xing)提供了技術基礎。
伺服(fu)閥(fa)(fa)(fa)由(you)先(xian)導閥(fa)(fa)(fa)、主(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)和(he)減壓閥(fa)(fa)(fa)等(deng)(deng)組(zu)成(cheng)(cheng)。先(xian)導級主(zhu)(zhu)要(yao)有：動(dong)(dong)(dong)(dong)圈力馬達、滑(hua)閥(fa)(fa)(fa)以(yi)及(ji)電(dian)(dian)渦流位(wei)(wei)移(yi)傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)等(deng)(deng)組(zu)成(cheng)(cheng)，電(dian)(dian)氣(qi)部分(fen)是(shi)完全干式(shi)，動(dong)(dong)(dong)(dong)圈運動(dong)(dong)(dong)(dong)時(shi)直接(jie)推動(dong)(dong)(dong)(dong)閥(fa)(fa)(fa)芯移(yi)動(dong)(dong)(dong)(dong)，閥(fa)(fa)(fa)芯的(de)(de)位(wei)(wei)移(yi)由(you)嵌入(ru)式(shi)電(dian)(dian)渦流位(wei)(wei)移(yi)傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)檢(jian)測反(fan)(fan)饋(kui)到放大器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)輸(shu)入(ru)端(duan)形成(cheng)(cheng)電(dian)(dian)氣(qi)閉(bi)環(huan)。這(zhe)種直動(dong)(dong)(dong)(dong)加(jia)電(dian)(dian)氣(qi)反(fan)(fan)饋(kui)的(de)(de)方(fang)式(shi)，使得(de)其結(jie)構(gou)特別(bie)簡(jian)單，大大提高(gao)了可靠(kao)性。主(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)由(you)先(xian)導級驅(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)，主(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)芯與(yu)嵌入(ru)式(shi)差動(dong)(dong)(dong)(dong)變壓器(qi)(qi)(qi)位(wei)(wei)移(yi)傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)鐵芯相連接(jie)，主(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)芯的(de)(de)位(wei)(wei)移(yi)由(you)差動(dong)(dong)(dong)(dong)變壓器(qi)(qi)(qi)位(wei)(wei)移(yi)傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)檢(jian)測，反(fan)(fan)饋(kui)到放大器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)輸(shu)入(ru)端(duan)形成(cheng)(cheng)第二級反(fan)(fan)饋(kui)。減壓閥(fa)(fa)(fa)位(wei)(wei)于主(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)與(yu)先(xian)導閥(fa)(fa)(fa)之間(jian)，以(yi)保證(zheng)先(xian)導閥(fa)(fa)(fa)能得(de)到穩(wen)定的(de)(de)供油(you)壓力。伺服(fu)放大器(qi)(qi)(qi)由(you)功率放大、主(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)環(huan)路(lu)(lu)、加(jia)算電(dian)(dian)路(lu)(lu)、直流電(dian)(dian)源以(yi)及(ji)檢(jian)測電(dian)(dian)路(lu)(lu)等(deng)(deng)部分(fen)組(zu)成(cheng)(cheng)，其電(dian)(dian)流驅(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)能力為±3.5 A＠±48V。傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)、放大器(qi)(qi)(qi)緊靠(kao)伺服(fu)閥(fa)(fa)(fa)放置，負責先(xian)導閥(fa)(fa)(fa)、主(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)芯位(wei)(wei)移(yi)信(xin)號(hao)的(de)(de)處理與(yu)放大，并將位(wei)(wei)移(yi)信(xin)號(hao)轉換為4～20 mA的(de)(de)電(dian)(dian)信(xin)號(hao)。這(zhe)種電(dian)(dian)流傳(chuan)輸(shu)方(fang)式(shi)，大大提高(gao)了系統的(de)(de)抗干擾能力。
這種全電(dian)反饋、二(er)級驅動、雙(shuang)位置閉環(huan)的電(dian)液(ye)伺服閥本身是一個機、電(dian)、液(ye)一體化的復(fu)雜精(jing)密控制系統，對其進(jin)行(xing)性(xing)能參數、品(pin)質(zhi)指標的檢(jian)測不(bu)僅是衡量其性(xing)能優劣的重要手段，也是調(diao)節電(dian)氣參數保證其正常(chang)、高效、穩定運(yun)行(xing)和(he)強化維修的必要手段。
3 自動檢測系統(tong)組(zu)成原理
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) 監控計算機
監(jian)控(kong)(kong)計(ji)(ji)算機(ji)采(cai)用工業控(kong)(kong)制機(ji)，是(shi)整個測(ce)試(shi)系(xi)統的主控(kong)(kong)機(ji)。通過友好(hao)的人機(ji)界面(mian)，負(fu)(fu)責(ze)接收用戶指令，根(gen)據(ju)試(shi)驗目的監(jian)視、管理程控(kong)(kong)信號發生器(qi)(qi)、BCDGPIB數據(ju)轉(zhuan)換單元、1253增益(yi)相位分析(xi)儀(yi)、PM3384四通道數字-模擬組合式示(shi)波器(qi)(qi)等智能儀(yi)器(qi)(qi)的工作狀態(tai)，并負(fu)(fu)責(ze)控(kong)(kong)制DS P接口板完成被測(ce)量的模擬采(cai)集、分析(xi)與處理等。同時(shi)，監(jian)控(kong)(kong)計(ji)(ji)算機(ji)通過大屏幕顯示(shi)器(qi)(qi)和(he)打印機(ji)實現測(ce)試(shi)狀態(tai)和(he)結果的顯示(shi)、打印輸(shu)出(chu)。
通(tong)(tong)過(guo)IEEE488總線，監控計算(suan)機(ji)與程(cheng)控信(xin)號發生器(qi)(qi)、BCDGPIB數據轉換單(dan)元、1253增益相位(wei)分析儀、PM3384四(si)通(tong)(tong)道(dao)數字-模(mo)(mo)擬組合式示(shi)波器(qi)(qi)等(deng)(deng)智(zhi)能(neng)儀器(qi)(qi)進行通(tong)(tong)信(xin)，完成這些智(zhi)能(neng)儀器(qi)(qi)工(gong)作模(mo)(mo)式和量(liang)程(cheng)等(deng)(deng)工(gong)作狀態的(de)設(she)置、試驗數據的(de)獲得(de)等(deng)(deng)工(gong)作。
(2) 激(ji)勵(li)信號發生單元(yuan)
激勵信(xin)(xin)號(hao)(hao)發(fa)生(sheng)單(dan)元包(bao)括兩部(bu)分(fen)(fen)，一為(wei)(wei)程(cheng)(cheng)控信(xin)(xin)號(hao)(hao)發(fa)生(sheng)器，二為(wei)(wei)1253增益相位分(fen)(fen)析器的(de)激勵信(xin)(xin)號(hao)(hao)輸出部(bu)分(fen)(fen)。程(cheng)(cheng)控信(xin)(xin)號(hao)(hao)發(fa)生(sheng)器可以產生(sheng)正弦波(bo)、三角波(bo)、偽隨機(ji)信(xin)(xin)號(hao)(hao)、階躍信(xin)(xin)號(hao)(hao)等，1253增益相位分(fen)(fen)析器的(de)激勵信(xin)(xin)號(hao)(hao)輸出為(wei)(wei)正弦波(bo)。監控計算機(ji)通過IEEE488總(zong)線操作(zuo)激勵信(xin)(xin)號(hao)(hao)發(fa)生(sheng)單(dan)元，設置(zhi)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)類(lei)型(xing)、幅值(zhi)等參數，產生(sheng)試驗項目所需(xu)的(de)各種激勵信(xin)(xin)號(hao)(hao)。
(3) 傳感器(qi)及其變(bian)送(song)單元
傳感(gan)器(qi)及其(qi)變送單元是伺服(fu)閥檢(jian)測(ce)系統的(de)(de)重要(yao)部(bu)件。表征被試(shi)伺服(fu)閥的(de)(de)性能(neng)或狀態的(de)(de)物(wu)理量(liang)，如壓力、流量(liang)、溫度等(deng)參量(liang)，都需要(yao)由相應的(de)(de)傳感(gan)器(qi)轉換為電信(xin)號，然后經變送器(qi)或二次儀(yi)表進行(xing)處理、顯(xian)示，并(bing)送到信(xin)號采(cai)集與(yu)處理單元進行(xing)分析處理。
壓力檢(jian)測采(cai)(cai)用(yong)英國DRUCK公司(si)的(de)(de)PDCR-961壓力傳感(gan)(gan)器和DPI-280數(shu)字壓力顯示儀表，量(liang)(liang)程為0～35 MPa，準確(que)(que)度為±0.1%；流量(liang)(liang)測量(liang)(liang)采(cai)(cai)用(yong)德國VSE GmbH公司(si)生產(chan)的(de)(de)VSE1、VSE 2、VC0.2和VSE0.04 4種(zhong)型號的(de)(de)齒輪流量(liang)(liang)傳感(gan)(gan)器，二次儀表采(cai)(cai)用(yong)MFI數(shu)字流量(liang)(liang)顯示儀，流量(liang)(liang)傳感(gan)(gan)器的(de)(de)性能參數(shu)見表1；溫(wen)度測量(liang)(liang)采(cai)(cai)用(yong)半(ban)導體熱敏(min)傳感(gan)(gan)器，變送(song)及數(shu)字儀表自行開發(fa)，測溫(wen)范圍：－50～150℃，準確(que)(que)度0.5℃。
壓(ya)力(li)、流(liu)量(liang)數字顯示儀表在(zai)顯示的同時還可輸出模(mo)擬量(liang)(4～20 mA／0～10 V)和(he)BCD 數字量(liang)。
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 流量特性 流量特性 泄(xie)漏特性 泄(xie)漏特性
(4) 信號采集與處(chu)理(li)單(dan)元
信號(hao)采(cai)集與處理單元主要(yao)由(you)信號(hao)調(diao)理器、DSP接口板(ban)、BCDGPIB數(shu)據轉換單元、1 253增(zeng)益相(xiang)位分析儀、PM3384四(si)通道數(shu)字-模擬組(zu)合式示(shi)波(bo)器以及監控(kong)計(ji)算機等(deng)(deng)組(zu)成，負責來自傳感器信號(hao)的隔離、放(fang)大、濾(lv)波(bo)、采(cai)集、處理等(deng)(deng)功能。
信號(hao)調理器(qi)(qi)除完(wan)成(cheng)來(lai)自(zi)傳感器(qi)(qi)或(huo)二次(ci)儀表(biao)模(mo)(mo)擬(ni)信號(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)放大(da)、隔直、濾波(bo)等功能外，它還提(ti)供模(mo)(mo)擬(ni)信號(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)隔離(li)功能，有效地消除了(le)(le)由(you)于傳感器(qi)(qi)地網絡(luo)對測試系(xi)(xi)統的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)。伺(si)服(fu)(fu)放大(da)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)輸入、輸出及(ji)先導閥(fa)閥(fa)芯位移(yi)、主閥(fa)閥(fa)芯位移(yi)信號(hao)通過調理器(qi)(qi)隔離(li)后與測試系(xi)(xi)統相(xiang)連，從(cong)而避免(mian)了(le)(le)測試系(xi)(xi)統對伺(si)服(fu)(fu)閥(fa)及(ji)伺(si)服(fu)(fu)放大(da)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)，保證了(le)(le)伺(si)服(fu)(fu)閥(fa)和伺(si)服(fu)(fu)放大(da)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)正常工(gong)作及(ji)參數(shu)調節的(de)(de)(de)(de)(de)(de)獨(du)立性(xing)。 在(zai)DSP接口板采集來(lai)自(zi)信號(hao)調理器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)模(mo)(mo)擬(ni)信號(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)同時，監控計算機通過BCDGPIB 數(shu)據轉換單元采集來(lai)自(zi)二次(ci)儀表(biao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)BCD數(shu)字(zi)量，這樣可以(yi)方(fang)便地實(shi)現模(mo)(mo)擬(ni)量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)在(zai)線校(xiao)準和調零。伺(si)服(fu)(fu)閥(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)靜(jing)態(tai)特(te)性(xing)曲線使用數(shu)字(zi)量校(xiao)準后的(de)(de)(de)(de)(de)(de)模(mo)(mo)擬(ni)量來(lai)繪制，從(cong)而既保證了(le)(le)伺(si)服(fu)(fu)閥(fa)靜(jing)態(tai)特(te)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)數(shu)據準確性(xing)，又保證了(le)(le)伺(si)服(fu)(fu)閥(fa)靜(jing)態(tai)特(te)性(xing)曲線的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分辨率和完(wan)整性(xing)。
頻率特性可以由1253增益相位分析儀完成(cheng)，結(jie)果通過IEEE488總(zong)線傳送到監控計算(suan)機(ji)進行二次處(chu)理后(hou)由監控計算(suan)機(ji)進行顯(xian)示、打印等輸出。
階(jie)躍特性(xing)由PM3384四通(tong)道-模擬(ni)組合式示(shi)波(bo)器(qi)采集，然后(hou)(hou)通(tong)過監控(kong)計算機分析處理后(hou)(hou)顯示(shi)、打印等。
(5) 檢(jian)測(ce)結果輸出單元
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) 靜態特性(xing)試驗回(hui)路及實驗
電(dian)液伺服(fu)閥的靜態(tai)特(te)性(xing)試驗主要包(bao)括無載控(kong)制流(liu)量(liang)特(te)性(xing)、壓(ya)力(li)增(zeng)益(yi)特(te)性(xing)以(yi)(yi)及內(nei)泄漏特(te)性(xing)等內(nei)容，從這3條特(te)性(xing)曲線上，可以(yi)(yi)求得電(dian)液伺服(fu)閥的流(liu)量(liang)增(zeng)益(yi)、線性(xing)度、滯環(huan)、對稱度、極性(xing)、壓(ya)力(li)增(zeng)益(yi)、零偏以(yi)(yi)及內(nei)泄漏等特(te)性(xing)參數(shu)。
圖3為電(dian)液(ye)伺(si)服(fu)閥靜(jing)態特性試驗(yan)環(huan)路(lu)圖。為了保證閥芯移動時，試驗(yan)系(xi)統不受擾動，用比例(li)放大器(qi)、比例(li)閥、伺(si)服(fu)閥P、T口壓(ya)(ya)力(li)傳感(gan)器(qi)以及PI調節器(qi)等(deng)構(gou)成試驗(yan)環(huan)路(lu)的壓(ya)(ya)力(li)閉環(huan)，從而(er)滿(man)足了流(liu)量特性試驗(yan)中伺(si)服(fu)閥閥壓(ya)(ya)降(jiang)基本(ben)保持恒定(ding)的要求。無載控制(zhi)流(liu)量特性試驗(yan)時，打開截(jie)止閥1、3、5、6、7，關閉截(jie)止閥8。壓(ya)(ya)力(li)增益(yi)特性以及內泄漏特性試驗(yan)時，打開截(jie)止閥 1、3、8，關閉截(jie)止閥5、6、7。
試(shi)驗信(xin)號(hao)采用頻率為25 mHz三(san)角波，在供油溫度44.2℃、先(xian)導環(huan)路增(zeng)(zeng)益3.0、主閥(fa)環(huan)路增(zeng)(zeng)益3.0、速度阻尼增(zeng)(zeng)益6.0、閥(fa)壓降為6.6 MPa條(tiao)件下，對某(mou)MK閥(fa)無載控制流量特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)、主閥(fa)芯位移特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)的測試(shi)。
試(shi)驗信號(hao)采用頻率為20 mHz三角波，在供油(you)溫度40.2℃、先導環(huan)路(lu)(lu)增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)(yi)3.0、主(zhu)閥環(huan)路(lu)(lu)增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)(yi)3.0、速度阻尼(ni)增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)(yi)6.0、供油(you)壓力為21.2 MPa條件下，對(dui)某MK閥壓力增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)(yi)特性(xing)曲(qu)線、內泄漏(lou)特性(xing)曲(qu)線的測試(shi)結果如圖5所示。
(2) 動態特性試驗環路及實驗
圖6為電(dian)液伺服閥頻率(lv)特性試驗(yan)環路圖，試驗(yan)時，關閉截止閥6、7，打開(kai)其他截止閥。
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。
通過在上海寶鋼集團近(jin)一年的(de)實踐證明(ming)：該(gai)系(xi)統工(gong)作(zuo)穩(wen)定，操作(zuo)方(fang)便(bian)，實驗數據準確、可靠。
