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)(dong)(dong)圈(quan)式(shi)力(li)(li)(li)(li)馬(ma)(ma)達(da)在氣隙中(zhong)運動(dong)(dong)(dong)時不改變氣隙的(de)(de)(de)(de)(de)(de)長度(du)，具有位(wei)移量大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)特(te)(te)點，用(yong)(yong)力(li)(li)(li)(li)馬(ma)(ma)達(da)直接(jie)(jie)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)滑閥(fa)，可以(yi)(yi)增加閥(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗污染能力(li)(li)(li)(li)。早期的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)圈(quan)式(shi)力(li)(li)(li)(li)馬(ma)(ma)達(da)伺(si)服(fu)閥(fa)，由于(yu)為了充分(fen)利用(yong)(yong)力(li)(li)(li)(li)馬(ma)(ma)達(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)線(xian)性(xing)，閥(fa)芯(xin)行(xing)程大(da)，對中(zhong)彈簧(huang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)剛度(du)一般較小，而(er)(er)動(dong)(dong)(dong)圈(quan)與先導(dao)閥(fa)芯(xin)連(lian)接(jie)(jie)在一起，運動(dong)(dong)(dong)部分(fen)質量大(da)，致(zhi)使力(li)(li)(li)(li)馬(ma)(ma)達(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)頻率低(di)，響應速度(du)慢(man)。隨著電(dian)(dian)子技(ji)術(shu)與傳感器(qi)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發展，通(tong)過提高動(dong)(dong)(dong)圈(quan)式(shi)力(li)(li)(li)(li)馬(ma)(ma)達(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)流來加大(da)力(li)(li)(li)(li)馬(ma)(ma)達(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)輸出力(li)(li)(li)(li)已不再(zai)困難，利用(yong)(yong)先進的(de)(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)移檢測技(ji)術(shu)實現閥(fa)芯(xin)位(wei)置的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高精度(du)檢測不僅可行(xing)而(er)(er)且經(jing)濟，因此近年來，數百赫茲(zi)以(yi)(yi)上高頻響大(da)流量伺(si)服(fu)閥(fa)幾乎都采用(yong)(yong)動(dong)(dong)(dong)圈(quan)式(shi)力(li)(li)(li)(li)馬(ma)(ma)達(da)結構。本(ben)文以(yi)(yi)日(ri)本(ben)KYB工業株式(shi)會社生產的(de)(de)(de)(de)(de)(de)MK伺(si)服(fu)閥(fa)為例(li)，分(fen)析(xi)動(dong)(dong)(dong)圈(quan)式(shi)伺(si)服(fu)閥(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)特(te)(te)點及其檢測問(wen)題。
2 MK閥及其放(fang)大(da)器的特(te)點
MK電液伺(si)(si)服閥(fa)(fa)是一種全電反(fan)饋、二級驅(qu)動、雙位(wei)置閉環的電液伺(si)(si)服閥(fa)(fa)。它具有高(gao)頻響、高(gao)精度、抗(kang)污染(ran)性好、性能穩定等特點。與力反(fan)饋相比，采用(yong)電反(fan)饋不僅簡化(hua)了伺(si)(si)服閥(fa)(fa)的結構，而且為(wei)用(yong)電氣(qi)參數來(lai)改變閥(fa)(fa)的特性提供了技(ji)術基礎(chu)。
伺服閥(fa)(fa)(fa)由(you)(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)組(zu)成。先(xian)導級(ji)主(zhu)(zhu)要有：動(dong)(dong)圈(quan)力馬達、滑閥(fa)(fa)(fa)以(yi)及(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)渦(wo)流(liu)位(wei)移傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)等(deng)組(zu)成，電(dian)(dian)(dian)氣部分(fen)是完全干式(shi)，動(dong)(dong)圈(quan)運(yun)動(dong)(dong)時直(zhi)接(jie)推動(dong)(dong)閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)移動(dong)(dong)，閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)的位(wei)移由(you)(you)嵌(qian)入(ru)式(shi)電(dian)(dian)(dian)渦(wo)流(liu)位(wei)移傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)檢(jian)測(ce)反饋(kui)到(dao)放(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)的輸入(ru)端形成電(dian)(dian)(dian)氣閉(bi)環。這(zhe)種(zhong)直(zhi)動(dong)(dong)加電(dian)(dian)(dian)氣反饋(kui)的方式(shi)，使(shi)得其結構特別簡(jian)單(dan)，大(da)(da)大(da)(da)提高(gao)(gao)了可靠(kao)性。主(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)由(you)(you)先(xian)導級(ji)驅(qu)動(dong)(dong)，主(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)與(yu)(yu)嵌(qian)入(ru)式(shi)差(cha)動(dong)(dong)變(bian)壓器(qi)(qi)位(wei)移傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)的鐵芯(xin)相連接(jie)，主(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)的位(wei)移由(you)(you)差(cha)動(dong)(dong)變(bian)壓器(qi)(qi)位(wei)移傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)檢(jian)測(ce)，反饋(kui)到(dao)放(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)的輸入(ru)端形成第二級(ji)反饋(kui)。減壓閥(fa)(fa)(fa)位(wei)于主(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)與(yu)(yu)先(xian)導閥(fa)(fa)(fa)之間，以(yi)保證(zheng)先(xian)導閥(fa)(fa)(fa)能得到(dao)穩(wen)定的供油壓力。伺服放(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)由(you)(you)功率放(fang)大(da)(da)、主(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)環路、加算電(dian)(dian)(dian)路、直(zhi)流(liu)電(dian)(dian)(dian)源以(yi)及(ji)(ji)檢(jian)測(ce)電(dian)(dian)(dian)路等(deng)部分(fen)組(zu)成，其電(dian)(dian)(dian)流(liu)驅(qu)動(dong)(dong)能力為(wei)±3.5 A＠±48V。傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)、放(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)緊靠(kao)伺服閥(fa)(fa)(fa)放(fang)置(zhi)，負責先(xian)導閥(fa)(fa)(fa)、主(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)位(wei)移信(xin)號的處理與(yu)(yu)放(fang)大(da)(da)，并將位(wei)移信(xin)號轉(zhuan)換為(wei)4～20 mA的電(dian)(dian)(dian)信(xin)號。這(zhe)種(zhong)電(dian)(dian)(dian)流(liu)傳(chuan)(chuan)(chuan)輸方式(shi)，大(da)(da)大(da)(da)提高(gao)(gao)了系統的抗干擾能力。
這種全電(dian)反(fan)饋(kui)、二級驅動、雙位置閉環的電(dian)液(ye)伺服閥本(ben)身(shen)是一個(ge)機、電(dian)、液(ye)一體化的復雜精密控(kong)制(zhi)系統，對(dui)其(qi)進行性能(neng)參數、品質指標(biao)的檢測不僅是衡量其(qi)性能(neng)優劣的重要手(shou)段，也(ye)是調節(jie)電(dian)氣參數保證其(qi)正常、高效、穩定運行和強化維(wei)修(xiu)的必要手(shou)段。
3 自動檢測系(xi)統組(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(suan)機
監控(kong)計算機采(cai)用工(gong)業控(kong)制機，是整個測試系統的主控(kong)機。通過友(you)好的人機界(jie)面，負(fu)責接收用戶指令，根據試驗目的監視、管理(li)程控(kong)信號發生器、BCDGPIB數據轉換(huan)單元、1253增益(yi)相(xiang)位(wei)分析(xi)(xi)儀、PM3384四通道數字(zi)-模(mo)擬(ni)組(zu)合式示波(bo)器等智能儀器的工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)，并負(fu)責控(kong)制DS P接口板完成被測量的模(mo)擬(ni)采(cai)集(ji)、分析(xi)(xi)與處(chu)理(li)等。同時，監控(kong)計算機通過大屏(ping)幕(mu)顯示器和(he)打印機實現測試狀(zhuang)態(tai)和(he)結果的顯示、打印輸出(chu)。
通(tong)過(guo)IEEE488總線(xian)，監控計算機(ji)與程控信(xin)號發生(sheng)器、BCDGPIB數據(ju)轉(zhuan)換單元、1253增益相(xiang)位(wei)分析儀(yi)、PM3384四通(tong)道數字-模(mo)擬組合式示波器等智能(neng)儀(yi)器進行(xing)通(tong)信(xin)，完(wan)成這些智能(neng)儀(yi)器工作(zuo)模(mo)式和量程等工作(zuo)狀態(tai)的(de)設置、試(shi)驗(yan)數據(ju)的(de)獲得等工作(zuo)。
(2) 激(ji)勵信號發生單元
激(ji)(ji)勵(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)發生(sheng)(sheng)單元包(bao)括兩(liang)部分，一為程控信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)發生(sheng)(sheng)器(qi)，二為1253增益(yi)相位分析(xi)器(qi)的激(ji)(ji)勵(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)輸(shu)出(chu)部分。程控信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)發生(sheng)(sheng)器(qi)可以產生(sheng)(sheng)正(zheng)弦(xian)波(bo)(bo)、三角波(bo)(bo)、偽隨機(ji)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)、階躍(yue)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)等(deng)，1253增益(yi)相位分析(xi)器(qi)的激(ji)(ji)勵(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)輸(shu)出(chu)為正(zheng)弦(xian)波(bo)(bo)。監控計(ji)算機(ji)通過(guo)IEEE488總線操(cao)作激(ji)(ji)勵(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)發生(sheng)(sheng)單元，設置信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的類型、幅(fu)值等(deng)參(can)數，產生(sheng)(sheng)試驗項目(mu)所需的各種激(ji)(ji)勵(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)。
(3) 傳感器(qi)及其變(bian)送(song)單(dan)元
傳感器(qi)及其變(bian)送單元是伺服閥檢測系統的(de)(de)重要(yao)部件。表征被(bei)試伺服閥的(de)(de)性能或狀態的(de)(de)物(wu)理(li)量(liang)，如(ru)壓力、流量(liang)、溫度(du)等(deng)參量(liang)，都需要(yao)由相(xiang)應的(de)(de)傳感器(qi)轉換(huan)為電信號，然后經變(bian)送器(qi)或二次(ci)儀表進(jin)行處(chu)理(li)、顯示，并送到(dao)信號采集與處(chu)理(li)單元進(jin)行分析(xi)處(chu)理(li)。
壓力檢測采(cai)(cai)用英國DRUCK公司(si)的(de)PDCR-961壓力傳(chuan)(chuan)感器和DPI-280數(shu)(shu)字壓力顯示儀表(biao)，量(liang)程為(wei)0～35 MPa，準(zhun)(zhun)確度(du)為(wei)±0.1%；流量(liang)測量(liang)采(cai)(cai)用德國VSE GmbH公司(si)生產的(de)VSE1、VSE 2、VC0.2和VSE0.04 4種(zhong)型號的(de)齒輪流量(liang)傳(chuan)(chuan)感器，二次(ci)儀表(biao)采(cai)(cai)用MFI數(shu)(shu)字流量(liang)顯示儀，流量(liang)傳(chuan)(chuan)感器的(de)性能參(can)數(shu)(shu)見表(biao)1；溫(wen)度(du)測量(liang)采(cai)(cai)用半導體熱敏傳(chuan)(chuan)感器，變送及數(shu)(shu)字儀表(biao)自行開(kai)發(fa)，測溫(wen)范圍：－50～150℃，準(zhun)(zhun)確度(du)0.5℃。
壓(ya)力、流量(liang)數字顯示儀表在顯示的同時還(huan)可輸(shu)出模擬量(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
應用場合 流量(liang)特性(xing) 流量(liang)特性(xing) 泄漏特性(xing) 泄漏特性(xing)
(4) 信號采集(ji)與處理單元
信號(hao)采集與處(chu)理單元(yuan)主要由信號(hao)調理器(qi)、DSP接口(kou)板、BCDGPIB數據轉換(huan)單元(yuan)、1 253增(zeng)益相位分析(xi)儀、PM3384四通道數字-模擬(ni)組(zu)合(he)式示波器(qi)以(yi)及監控計算機等(deng)組(zu)成，負責來自(zi)傳感器(qi)信號(hao)的(de)隔離(li)、放大、濾波、采集、處(chu)理等(deng)功能。
信(xin)號調(diao)(diao)(diao)理器(qi)除完(wan)成來自傳感(gan)器(qi)或二次儀(yi)表模(mo)擬信(xin)號的(de)(de)(de)(de)放大(da)、隔(ge)直、濾(lv)波等功能外(wai)，它還提供模(mo)擬信(xin)號的(de)(de)(de)(de)隔(ge)離功能，有效地消除了由(you)于傳感(gan)器(qi)地網絡對測(ce)試系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)影響。伺(si)(si)(si)服(fu)(fu)(fu)放大(da)器(qi)的(de)(de)(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)號通(tong)(tong)過調(diao)(diao)(diao)理器(qi)隔(ge)離后(hou)與測(ce)試系(xi)統(tong)相連(lian)，從(cong)(cong)而避免了測(ce)試系(xi)統(tong)對伺(si)(si)(si)服(fu)(fu)(fu)閥(fa)及伺(si)(si)(si)服(fu)(fu)(fu)放大(da)器(qi)的(de)(de)(de)(de)影響，保(bao)證了伺(si)(si)(si)服(fu)(fu)(fu)閥(fa)和伺(si)(si)(si)服(fu)(fu)(fu)放大(da)器(qi)的(de)(de)(de)(de)正常工作及參(can)數調(diao)(diao)(diao)節的(de)(de)(de)(de)獨(du)立性(xing)(xing)。 在(zai)DSP接(jie)口板采集來自信(xin)號調(diao)(diao)(diao)理器(qi)的(de)(de)(de)(de)模(mo)擬信(xin)號的(de)(de)(de)(de)同(tong)時，監控計算(suan)機通(tong)(tong)過BCDGPIB 數據轉換單元采集來自二次儀(yi)表的(de)(de)(de)(de)BCD數字量(liang)，這(zhe)樣(yang)可以(yi)方(fang)便地實現模(mo)擬量(liang)的(de)(de)(de)(de)在(zai)線(xian)校準(zhun)(zhun)和調(diao)(diao)(diao)零。伺(si)(si)(si)服(fu)(fu)(fu)閥(fa)的(de)(de)(de)(de)靜態(tai)特性(xing)(xing)曲線(xian)使用數字量(liang)校準(zhun)(zhun)后(hou)的(de)(de)(de)(de)模(mo)擬量(liang)來繪制，從(cong)(cong)而既(ji)保(bao)證了伺(si)(si)(si)服(fu)(fu)(fu)閥(fa)靜態(tai)特性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)數據準(zhun)(zhun)確性(xing)(xing)，又保(bao)證了伺(si)(si)(si)服(fu)(fu)(fu)閥(fa)靜態(tai)特性(xing)(xing)曲線(xian)的(de)(de)(de)(de)分辨率(lv)和完(wan)整性(xing)(xing)。
頻率特(te)性可以由(you)1253增(zeng)益(yi)相(xiang)位分析儀完成(cheng)，結果通過IEEE488總(zong)線傳送到監控計算機進行二次處理后由(you)監控計算機進行顯示、打印(yin)等輸出。
階躍特性(xing)由PM3384四(si)通道-模擬組合式示波器(qi)采集，然后(hou)通過(guo)監控計算機分(fen)析處理后(hou)顯示、打印等(deng)。
(5) 檢測結果輸(shu)出單元(yuan)
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) 靜態特性試驗回路及實驗
電液伺服閥的靜態特性試驗主要包(bao)括(kuo)無(wu)載控制流量特性、壓(ya)力(li)增益特性以及內(nei)泄漏特性等內(nei)容，從這(zhe)3條特性曲線上(shang)，可(ke)以求得電液伺服閥的流量增益、線性度、滯環、對稱度、極性、壓(ya)力(li)增益、零偏以及內(nei)泄漏等特性參數(shu)。
圖3為電(dian)液伺(si)(si)服(fu)閥(fa)(fa)(fa)靜態特(te)性(xing)試(shi)驗(yan)(yan)環(huan)路圖。為了保(bao)證閥(fa)(fa)(fa)芯移動時(shi)(shi)，試(shi)驗(yan)(yan)系統不(bu)受擾(rao)動，用比例放(fang)大器、比例閥(fa)(fa)(fa)、伺(si)(si)服(fu)閥(fa)(fa)(fa)P、T口(kou)壓(ya)力(li)傳感器以(yi)及PI調節器等構成試(shi)驗(yan)(yan)環(huan)路的壓(ya)力(li)閉(bi)環(huan)，從(cong)而滿足了流量(liang)特(te)性(xing)試(shi)驗(yan)(yan)中伺(si)(si)服(fu)閥(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)壓(ya)降基本保(bao)持恒定的要求。無載控制流量(liang)特(te)性(xing)試(shi)驗(yan)(yan)時(shi)(shi)，打(da)開截(jie)止(zhi)(zhi)(zhi)閥(fa)(fa)(fa)1、3、5、6、7，關閉(bi)截(jie)止(zhi)(zhi)(zhi)閥(fa)(fa)(fa)8。壓(ya)力(li)增(zeng)益特(te)性(xing)以(yi)及內泄(xie)漏特(te)性(xing)試(shi)驗(yan)(yan)時(shi)(shi)，打(da)開截(jie)止(zhi)(zhi)(zhi)閥(fa)(fa)(fa) 1、3、8，關閉(bi)截(jie)止(zhi)(zhi)(zhi)閥(fa)(fa)(fa)5、6、7。
試(shi)驗信號采用頻率為25 mHz三角波，在供油溫度44.2℃、先導環(huan)(huan)路增益3.0、主閥環(huan)(huan)路增益3.0、速度阻尼增益6.0、閥壓降為6.6 MPa條件下，對某MK閥無載控制流量(liang)特性(xing)曲線、主閥芯位(wei)移特性(xing)曲線的測試(shi)。
試驗信號采用頻(pin)率為(wei)20 mHz三(san)角波，在供油溫度(du)40.2℃、先導(dao)環路增(zeng)(zeng)益(yi)3.0、主閥環路增(zeng)(zeng)益(yi)3.0、速度(du)阻尼增(zeng)(zeng)益(yi)6.0、供油壓(ya)力為(wei)21.2 MPa條件下，對某MK閥壓(ya)力增(zeng)(zeng)益(yi)特性曲(qu)線、內泄漏特性曲(qu)線的測試結果如(ru)圖5所示。
(2) 動態特性試驗環路及實驗
圖6為電液伺(si)服閥頻率特性試(shi)驗環(huan)路圖，試(shi)驗時，關(guan)閉(bi)截止閥6、7，打開其他截止閥。
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(tong)過在(zai)上海(hai)寶鋼(gang)集(ji)團近一年的實踐證明(ming)：該(gai)系統工作穩定，操作方便，實驗數據準(zhun)確、可靠。
