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。
動圈(quan)式(shi)力(li)馬達(da)(da)在氣(qi)隙中(zhong)運(yun)(yun)動時不改變氣(qi)隙的(de)(de)(de)長(chang)度(du)，具有位(wei)(wei)移量大(da)(da)的(de)(de)(de)特點，用力(li)馬達(da)(da)直接(jie)驅動滑閥(fa)，可以(yi)增加(jia)(jia)閥(fa)的(de)(de)(de)抗污染(ran)能力(li)。早期的(de)(de)(de)動圈(quan)式(shi)力(li)馬達(da)(da)伺服(fu)閥(fa)，由于為了充分利(li)用力(li)馬達(da)(da)的(de)(de)(de)線性，閥(fa)芯行程大(da)(da)，對中(zhong)彈(dan)簧的(de)(de)(de)剛度(du)一(yi)般較小，而動圈(quan)與先(xian)導閥(fa)芯連接(jie)在一(yi)起，運(yun)(yun)動部分質量大(da)(da)，致使力(li)馬達(da)(da)的(de)(de)(de)頻率低，響應速度(du)慢。隨(sui)著電子技術(shu)與傳感器技術(shu)的(de)(de)(de)發展，通過(guo)提高(gao)動圈(quan)式(shi)力(li)馬達(da)(da)的(de)(de)(de)驅動電流(liu)來(lai)加(jia)(jia)大(da)(da)力(li)馬達(da)(da)的(de)(de)(de)輸出(chu)力(li)已不再(zai)困難，利(li)用先(xian)進的(de)(de)(de)位(wei)(wei)移檢(jian)測技術(shu)實現(xian)閥(fa)芯位(wei)(wei)置(zhi)的(de)(de)(de)高(gao)精度(du)檢(jian)測不僅可行而且經(jing)濟，因此(ci)近(jin)年來(lai)，數百赫茲(zi)以(yi)上高(gao)頻響大(da)(da)流(liu)量伺服(fu)閥(fa)幾乎都采用動圈(quan)式(shi)力(li)馬達(da)(da)結構(gou)。本(ben)文以(yi)日本(ben)KYB工業(ye)株式(shi)會社生產的(de)(de)(de)MK伺服(fu)閥(fa)為例，分析動圈(quan)式(shi)伺服(fu)閥(fa)的(de)(de)(de)特點及其檢(jian)測問(wen)題。
2 MK閥(fa)及(ji)其放大器的特點
MK電(dian)(dian)(dian)液伺服(fu)閥(fa)(fa)是一種全電(dian)(dian)(dian)反饋(kui)(kui)、二(er)級驅(qu)動、雙位置閉環(huan)的(de)電(dian)(dian)(dian)液伺服(fu)閥(fa)(fa)。它具有(you)高頻響、高精(jing)度、抗污染性好、性能穩定等特(te)點。與力反饋(kui)(kui)相(xiang)比，采用電(dian)(dian)(dian)反饋(kui)(kui)不僅簡(jian)化了伺服(fu)閥(fa)(fa)的(de)結構，而且為用電(dian)(dian)(dian)氣(qi)參數來改變(bian)閥(fa)(fa)的(de)特(te)性提供了技術基(ji)礎。
伺服閥(fa)(fa)(fa)由(you)先(xian)(xian)導閥(fa)(fa)(fa)、主(zhu)(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)和減壓(ya)(ya)閥(fa)(fa)(fa)等組(zu)(zu)成(cheng)。先(xian)(xian)導級(ji)主(zhu)(zhu)(zhu)要有：動圈力(li)馬(ma)達、滑閥(fa)(fa)(fa)以(yi)及電(dian)渦(wo)流(liu)位(wei)(wei)移(yi)(yi)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)等組(zu)(zu)成(cheng)，電(dian)氣(qi)部分(fen)(fen)是完(wan)全干式，動圈運(yun)動時直接推動閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)移(yi)(yi)動，閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)的(de)(de)(de)位(wei)(wei)移(yi)(yi)由(you)嵌(qian)入(ru)式電(dian)渦(wo)流(liu)位(wei)(wei)移(yi)(yi)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)檢測(ce)(ce)反(fan)饋(kui)到(dao)放(fang)(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)輸(shu)入(ru)端(duan)形成(cheng)電(dian)氣(qi)閉環(huan)。這種直動加(jia)電(dian)氣(qi)反(fan)饋(kui)的(de)(de)(de)方式，使得(de)其結(jie)構特(te)別簡單，大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)提高(gao)了可(ke)靠(kao)性。主(zhu)(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)由(you)先(xian)(xian)導級(ji)驅動，主(zhu)(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)與嵌(qian)入(ru)式差(cha)動變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)位(wei)(wei)移(yi)(yi)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)鐵(tie)芯(xin)相連接，主(zhu)(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)的(de)(de)(de)位(wei)(wei)移(yi)(yi)由(you)差(cha)動變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)位(wei)(wei)移(yi)(yi)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)檢測(ce)(ce)，反(fan)饋(kui)到(dao)放(fang)(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)輸(shu)入(ru)端(duan)形成(cheng)第二級(ji)反(fan)饋(kui)。減壓(ya)(ya)閥(fa)(fa)(fa)位(wei)(wei)于主(zhu)(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)與先(xian)(xian)導閥(fa)(fa)(fa)之間，以(yi)保證先(xian)(xian)導閥(fa)(fa)(fa)能(neng)得(de)到(dao)穩(wen)定的(de)(de)(de)供油壓(ya)(ya)力(li)。伺服放(fang)(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)由(you)功率放(fang)(fang)大(da)(da)(da)、主(zhu)(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)環(huan)路(lu)、加(jia)算電(dian)路(lu)、直流(liu)電(dian)源以(yi)及檢測(ce)(ce)電(dian)路(lu)等部分(fen)(fen)組(zu)(zu)成(cheng)，其電(dian)流(liu)驅動能(neng)力(li)為±3.5 A＠±48V。傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)、放(fang)(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)緊(jin)靠(kao)伺服閥(fa)(fa)(fa)放(fang)(fang)置，負責先(xian)(xian)導閥(fa)(fa)(fa)、主(zhu)(zhu)(zhu)閥(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)位(wei)(wei)移(yi)(yi)信號(hao)的(de)(de)(de)處理與放(fang)(fang)大(da)(da)(da)，并將位(wei)(wei)移(yi)(yi)信號(hao)轉換為4～20 mA的(de)(de)(de)電(dian)信號(hao)。這種電(dian)流(liu)傳輸(shu)方式，大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)提高(gao)了系(xi)統的(de)(de)(de)抗干擾能(neng)力(li)。
這種全(quan)電反饋、二級驅(qu)動、雙位置(zhi)閉(bi)環的(de)電液伺(si)服閥(fa)本(ben)身是一個機、電、液一體化的(de)復(fu)雜精密控(kong)制(zhi)系統，對其進行(xing)性能(neng)參數、品質(zhi)指(zhi)標的(de)檢測不僅是衡量(liang)其性能(neng)優劣的(de)重要(yao)手(shou)段，也是調節電氣參數保(bao)證其正常、高效(xiao)、穩定運行(xing)和強(qiang)化維修的(de)必要(yao)手(shou)段。
3 自動檢測(ce)系統組成原理(li)
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(suan)機
監(jian)控(kong)計算機采用工業控(kong)制(zhi)機，是整個測(ce)試(shi)系統的主(zhu)控(kong)機。通(tong)(tong)過(guo)友好的人機界(jie)面，負責接收(shou)用戶指令(ling)，根據(ju)試(shi)驗目的監(jian)視、管理程控(kong)信號發生器、BCDGPIB數據(ju)轉(zhuan)換(huan)單元、1253增益相位分析(xi)儀(yi)、PM3384四通(tong)(tong)道數字-模擬(ni)組合式示(shi)波器等智能儀(yi)器的工作狀態，并負責控(kong)制(zhi)DS P接口板完成被測(ce)量的模擬(ni)采集、分析(xi)與處理等。同(tong)時，監(jian)控(kong)計算機通(tong)(tong)過(guo)大屏幕顯示(shi)器和打(da)印機實現測(ce)試(shi)狀態和結果(guo)的顯示(shi)、打(da)印輸(shu)出。
通過IEEE488總線，監控計算機與程(cheng)(cheng)控信(xin)號發生器(qi)、BCDGPIB數(shu)據轉(zhuan)換單(dan)元、1253增益(yi)相位分析儀(yi)、PM3384四通道數(shu)字-模(mo)擬組合(he)式(shi)示(shi)波器(qi)等(deng)(deng)智(zhi)能儀(yi)器(qi)進行通信(xin)，完(wan)成(cheng)這些智(zhi)能儀(yi)器(qi)工(gong)(gong)作模(mo)式(shi)和量程(cheng)(cheng)等(deng)(deng)工(gong)(gong)作狀態的設置(zhi)、試驗(yan)數(shu)據的獲得等(deng)(deng)工(gong)(gong)作。
(2) 激勵信號(hao)發生單元
激(ji)勵信(xin)號發(fa)(fa)生(sheng)單元(yuan)(yuan)包括兩(liang)部分，一為(wei)程控信(xin)號發(fa)(fa)生(sheng)器，二為(wei)1253增(zeng)益相(xiang)位(wei)分析器的(de)(de)激(ji)勵信(xin)號輸出部分。程控信(xin)號發(fa)(fa)生(sheng)器可以產生(sheng)正(zheng)(zheng)弦波(bo)(bo)、三角波(bo)(bo)、偽(wei)隨機信(xin)號、階躍信(xin)號等，1253增(zeng)益相(xiang)位(wei)分析器的(de)(de)激(ji)勵信(xin)號輸出為(wei)正(zheng)(zheng)弦波(bo)(bo)。監控計算(suan)機通過IEEE488總線操作激(ji)勵信(xin)號發(fa)(fa)生(sheng)單元(yuan)(yuan)，設置信(xin)號的(de)(de)類型、幅值等參(can)數，產生(sheng)試驗項目所需的(de)(de)各(ge)種激(ji)勵信(xin)號。
(3) 傳感器及其(qi)變送(song)單元
傳(chuan)感器及其變送(song)單元是伺服閥檢測系(xi)統(tong)的重要部件。表征被試(shi)伺服閥的性(xing)能或(huo)狀態(tai)的物理(li)(li)量，如壓力、流量、溫(wen)度等參量，都需(xu)要由相應的傳(chuan)感器轉換(huan)為電信(xin)號，然后(hou)經(jing)變送(song)器或(huo)二次儀(yi)表進行處理(li)(li)、顯示，并送(song)到信(xin)號采集與處理(li)(li)單元進行分析處理(li)(li)。
壓力檢測采(cai)用(yong)英國DRUCK公司的PDCR-961壓力傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)和DPI-280數(shu)字(zi)壓力顯(xian)示(shi)儀(yi)表，量(liang)程為0～35 MPa，準(zhun)確度為±0.1%；流(liu)量(liang)測量(liang)采(cai)用(yong)德國VSE GmbH公司生(sheng)產的VSE1、VSE 2、VC0.2和VSE0.04 4種型號的齒(chi)輪流(liu)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)，二次儀(yi)表采(cai)用(yong)MFI數(shu)字(zi)流(liu)量(liang)顯(xian)示(shi)儀(yi)，流(liu)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)的性(xing)能參數(shu)見表1；溫(wen)度測量(liang)采(cai)用(yong)半(ban)導體熱敏傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)，變送及數(shu)字(zi)儀(yi)表自(zi)行開發，測溫(wen)范圍(wei)：－50～150℃，準(zhun)確度0.5℃。
壓力、流量(liang)數字顯示儀表在(zai)顯示的同時還可輸出模擬量(liang)(4～20 mA／0～10 V)和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(he) 流(liu)量特性(xing)(xing) 流(liu)量特性(xing)(xing) 泄漏(lou)特性(xing)(xing) 泄漏(lou)特性(xing)(xing)
(4) 信號采集與處理單元(yuan)
信(xin)號(hao)采集(ji)與處理(li)(li)(li)單元主要(yao)由信(xin)號(hao)調理(li)(li)(li)器(qi)、DSP接口板、BCDGPIB數據轉(zhuan)換單元、1 253增益相(xiang)位分析儀、PM3384四通道數字(zi)-模擬組合式(shi)示(shi)波器(qi)以及監控計算機(ji)等(deng)組成，負責來自傳感器(qi)信(xin)號(hao)的隔離、放大、濾波、采集(ji)、處理(li)(li)(li)等(deng)功能(neng)。
信(xin)號(hao)(hao)調(diao)理器(qi)(qi)除完成來自傳感器(qi)(qi)或二(er)次儀(yi)表(biao)(biao)模(mo)擬(ni)(ni)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)放(fang)大、隔(ge)(ge)直、濾波等功能(neng)外，它(ta)還提供模(mo)擬(ni)(ni)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)隔(ge)(ge)離功能(neng)，有(you)效地(di)消除了由(you)于傳感器(qi)(qi)地(di)網絡對測試系統(tong)的(de)(de)影響。伺(si)(si)服(fu)(fu)(fu)(fu)放(fang)大器(qi)(qi)的(de)(de)輸入、輸出(chu)及先導閥(fa)閥(fa)芯位(wei)移、主(zhu)閥(fa)閥(fa)芯位(wei)移信(xin)號(hao)(hao)通過調(diao)理器(qi)(qi)隔(ge)(ge)離后與測試系統(tong)相連，從而避(bi)免了測試系統(tong)對伺(si)(si)服(fu)(fu)(fu)(fu)閥(fa)及伺(si)(si)服(fu)(fu)(fu)(fu)放(fang)大器(qi)(qi)的(de)(de)影響，保(bao)證(zheng)(zheng)了伺(si)(si)服(fu)(fu)(fu)(fu)閥(fa)和伺(si)(si)服(fu)(fu)(fu)(fu)放(fang)大器(qi)(qi)的(de)(de)正常工作及參數(shu)調(diao)節的(de)(de)獨立(li)性。 在DSP接口板采集來自信(xin)號(hao)(hao)調(diao)理器(qi)(qi)的(de)(de)模(mo)擬(ni)(ni)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)同時，監控(kong)計(ji)算機通過BCDGPIB 數(shu)據轉換(huan)單元采集來自二(er)次儀(yi)表(biao)(biao)的(de)(de)BCD數(shu)字量(liang)，這樣可以方便(bian)地(di)實現模(mo)擬(ni)(ni)量(liang)的(de)(de)在線(xian)校(xiao)準(zhun)(zhun)和調(diao)零。伺(si)(si)服(fu)(fu)(fu)(fu)閥(fa)的(de)(de)靜態特(te)(te)性曲線(xian)使用數(shu)字量(liang)校(xiao)準(zhun)(zhun)后的(de)(de)模(mo)擬(ni)(ni)量(liang)來繪(hui)制(zhi)，從而既(ji)保(bao)證(zheng)(zheng)了伺(si)(si)服(fu)(fu)(fu)(fu)閥(fa)靜態特(te)(te)性的(de)(de)數(shu)據準(zhun)(zhun)確(que)性，又保(bao)證(zheng)(zheng)了伺(si)(si)服(fu)(fu)(fu)(fu)閥(fa)靜態特(te)(te)性曲線(xian)的(de)(de)分辨(bian)率(lv)和完整性。
頻率特性可以由(you)(you)1253增益相(xiang)位(wei)分析(xi)儀完成，結果通過IEEE488總線傳(chuan)送到(dao)監(jian)控(kong)計(ji)算機進行(xing)二次(ci)處理后由(you)(you)監(jian)控(kong)計(ji)算機進行(xing)顯示(shi)、打印等輸出(chu)。
階躍(yue)特性由PM3384四通道-模擬(ni)組(zu)合(he)式示波器(qi)采(cai)集，然后通過監控計算(suan)機分析(xi)處理后顯(xian)示、打印等。
(5) 檢測結果輸(shu)出(chu)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) 靜態特性試(shi)驗(yan)回路及實(shi)驗(yan)
電液伺服閥(fa)的靜態特性(xing)(xing)(xing)試驗主要包括無載控(kong)制流量特性(xing)(xing)(xing)、壓(ya)力增益(yi)特性(xing)(xing)(xing)以及(ji)內(nei)(nei)泄(xie)漏特性(xing)(xing)(xing)等內(nei)(nei)容，從這3條特性(xing)(xing)(xing)曲線上(shang)，可以求得(de)電液伺服閥(fa)的流量增益(yi)、線性(xing)(xing)(xing)度(du)、滯環(huan)、對稱度(du)、極性(xing)(xing)(xing)、壓(ya)力增益(yi)、零(ling)偏以及(ji)內(nei)(nei)泄(xie)漏等特性(xing)(xing)(xing)參數。
圖3為電液(ye)伺服閥靜(jing)態(tai)特性(xing)(xing)試(shi)(shi)(shi)驗環路圖。為了保(bao)(bao)證閥芯移動時，試(shi)(shi)(shi)驗系統不(bu)受擾動，用(yong)比例放大(da)器(qi)、比例閥、伺服閥P、T口壓(ya)(ya)力(li)傳(chuan)感器(qi)以(yi)及(ji)PI調節(jie)器(qi)等構成試(shi)(shi)(shi)驗環路的壓(ya)(ya)力(li)閉(bi)(bi)環，從(cong)而(er)滿足了流(liu)量特性(xing)(xing)試(shi)(shi)(shi)驗中(zhong)伺服閥閥壓(ya)(ya)降基本保(bao)(bao)持恒(heng)定的要求。無載控制流(liu)量特性(xing)(xing)試(shi)(shi)(shi)驗時，打(da)開(kai)截止閥1、3、5、6、7，關閉(bi)(bi)截止閥8。壓(ya)(ya)力(li)增益(yi)特性(xing)(xing)以(yi)及(ji)內泄漏特性(xing)(xing)試(shi)(shi)(shi)驗時，打(da)開(kai)截止閥 1、3、8，關閉(bi)(bi)截止閥5、6、7。
試驗信(xin)號采用頻率為25 mHz三(san)角波，在供油溫度(du)44.2℃、先(xian)導環路增益3.0、主閥(fa)環路增益3.0、速度(du)阻(zu)尼增益6.0、閥(fa)壓(ya)降為6.6 MPa條件(jian)下，對某MK閥(fa)無載控制流量特性(xing)曲(qu)線(xian)、主閥(fa)芯位移特性(xing)曲(qu)線(xian)的測試。
試驗(yan)信號采用頻(pin)率為20 mHz三角波，在供油(you)溫度40.2℃、先導環路(lu)增(zeng)(zeng)益(yi)(yi)(yi)3.0、主閥環路(lu)增(zeng)(zeng)益(yi)(yi)(yi)3.0、速度阻(zu)尼增(zeng)(zeng)益(yi)(yi)(yi)6.0、供油(you)壓力為21.2 MPa條(tiao)件下，對某(mou)MK閥壓力增(zeng)(zeng)益(yi)(yi)(yi)特性曲線、內泄(xie)漏特性曲線的測試結果如(ru)圖5所示。
(2) 動態特性試驗環路及實驗
圖6為電(dian)液伺服(fu)閥頻率特性(xing)試驗(yan)(yan)環(huan)路(lu)圖，試驗(yan)(yan)時，關閉截(jie)止閥6、7，打開(kai)其他截(jie)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(zai)上海寶(bao)鋼集團近一(yi)年(nian)的實(shi)踐證明(ming)：該系統工(gong)作穩定，操作方便，實(shi)驗數據準確、可靠。
