閥用電-機械轉(zhuǎn)換器動靜態(tài)性能測試方法

許小慶,楊 敬

(太原理工大學(xué),山西太原030024)

0 引 言

在液壓系統(tǒng)中,控制指令主要通過各類電液閥實現(xiàn),所有電液閥的驅(qū)動通過不同類型的閥用電-機械轉(zhuǎn)換器(以下簡稱EM)實現(xiàn),因此EM在液壓控制系統(tǒng)中具有重要地位。在電液伺服比例閥和電液伺服閥中,EM甚至對閥的性能具有決定性影響,并進一步影響到比例系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)的性能,因此建立一套EM性能全方面測試系統(tǒng)有重要意義。

通常情況下,EM的主要特性包括力-位移特性、力-電流特性、力的動態(tài)響應(yīng)特性,目前可以查到的測試系統(tǒng)也是對以上幾個特性進行測試的[1-5]。文獻[1]所設(shè)計的測試系統(tǒng)可對包括力的頻率特性在內(nèi)的電磁鐵的動靜態(tài)指標進行測試;文獻[2]所設(shè)計的電磁鐵靜動態(tài)力特性測試系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、測試方便的特點;文獻[3]利用PLC設(shè)計自動測試系統(tǒng),強調(diào)測試過程的自動化。近年來,各種軟件和儀器大量引入到仿真和實驗系統(tǒng)中,如虛擬儀器、Labview的引入不僅提高了測試過程的自動化程度,而且使得測試過程更方便[4-6],尤其是DSpace仿真系統(tǒng)的引入使測試過程更智能化[7-9]。

EM還有一個重要特性,即閉環(huán)位置控制特性。該特性不僅依賴于以上三個特性,還依賴于負載的特點及大小,以及控制器的特性,是伺服比例閥對EM的最終要求,因此在測試系統(tǒng)中應(yīng)該考慮對該性能進行測試。我們設(shè)計了一種伺服比例閥用EM測試系統(tǒng),在上述性能測試能力的基礎(chǔ)上,具有簡單、易操作的特點,利用彈簧模擬伺服比例閥的負載力,可進行EM的閉環(huán)控制特性研究。

1 測試原理

1.1 力-位移特性測試

EM的力-位移特性指當EM線圈電流不變時,輸出力與動子位移之間的關(guān)系,是EM的最重要的指標之一,其測量原理如圖1a所示。EM線圈所需要的恒定電流利用電流負反饋放大器實現(xiàn),EM的動子位移在測量過程中需要精確控制,同時又必須消除進給結(jié)構(gòu)的機械間隙造成的軸向誤差。在我們設(shè)計的測試系統(tǒng)中,軸向位移控制通過螺紋控制,當螺距為1 mm時,很容易實現(xiàn)0.05 mm的位移量。軸向間隙通過對調(diào)整機構(gòu)的雙向鎖緊實現(xiàn)。

1.2 力-電流特性測試

EM的力-電流特性指當動子位移不變時,輸出力與線圈電流之間的關(guān)系。利用圖1結(jié)構(gòu)將動子位移鎖定,測量不同電流情況下的動子輸出力即可,如圖1b所示。

圖1 EM靜特性測量

1.3 力動態(tài)特性測試

EM的力動態(tài)特性通常指EM動子的輸出力對控制信號的響應(yīng)速度,主要通過階躍響應(yīng)特性或頻率特性描述,控制信號一般指放大器的輸入信號。輸出力的響應(yīng)速度主要決定于放大器特性、動子質(zhì)量、EM的機械結(jié)構(gòu)等因素。與測量力-電流特性一樣,測量力的響應(yīng)特性時,需要固定好動子位置,如圖1b所示,同時記錄輸入信號、輸出力的變化,必要時進行適當?shù)臄?shù)據(jù)處理,即可達到測試目的。

1.4 位移閉環(huán)控制特性測試

多數(shù)伺服比例閥用EM可驅(qū)動不同功能及型號的閥,所控制的量為力或位移,因此EM的負載特性也是變化的。通常的測試系統(tǒng)不對包含EM所控制負載在內(nèi)的位移特性進行測試[1-7],但該特性正是閥用EM在使用過程中最關(guān)心的特性,所以有必要研究包含負載在內(nèi)的動子位移的性能測試。

理想的測試方法是用EM直接驅(qū)動伺服比例閥,在液壓系統(tǒng)實驗臺上對EM的閉環(huán)控制特性進行測試,但這樣做不僅使測試系統(tǒng)變得非常復(fù)雜、測試成本大幅上升,還需要在完成EM的設(shè)計前解決密封、連接等非關(guān)鍵問題,大大降低測試效率。我們采取的方法是模擬伺服比例閥所產(chǎn)生的負載,簡化測試系統(tǒng),提高測試效率。

1.4.1 間接驅(qū)動方式

當被控閥是壓力類的閥時,其閥芯通常通過彈簧與EM的動子連接,EM以力為輸出信號,動子受到的負載力即為彈簧力,該力可直接用彈簧模擬。

1.4.2 直接驅(qū)動方式

對于流量控制類伺服比例閥,EM需要控制閥芯的位移,此時閥芯與EM動子之間通常為剛性連接,閥芯動子組件軸向受到慣性力液體產(chǎn)生的粘性摩擦力液動力FR、彈簧力(有些閥含復(fù)位彈簧)kx、庫倫摩擦力f,如圖2所示,EM的電磁吸力即輸出力F:

圖2 閥芯動子組件受到的軸向力

因此,EM的負載可以用一個與閥芯質(zhì)量相等的質(zhì)量塊m和剛度為(kR+k)的彈簧代替。

2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3為所設(shè)計的EM性能測試系統(tǒng)原理圖。它主要包括負載位置調(diào)整、負載模擬、被測EM、傳感器、DSpace RTC、測試及控制計算機等部分組成。

圖3 EM性能測試系統(tǒng)原理

負載位置調(diào)整機構(gòu)中,通過調(diào)整桿與導(dǎo)套(或直線軸承)之間的螺紋調(diào)整負載位置,鎖緊裝置、支架1、軸承可有效消除調(diào)整桿與支架1之間的軸向間隙,實現(xiàn)對負載位置的精確控制。負載模擬部分包括質(zhì)量m和彈簧,根據(jù)式(2),可對直接驅(qū)動閥芯情況下的EM負載進行模擬,對于間接驅(qū)動閥芯情況下的EM負載,去掉質(zhì)量m即可,當不進行EM閉環(huán)位置控制測試時,質(zhì)量m、彈簧均不要,直接將輸出桿與力傳感器連接即可。傳感器包括EM輸出力檢測傳感器和動子位移檢測傳感器。

接口部分利用DSpace RTC實現(xiàn),DSpace是一款優(yōu)秀的實時仿真系統(tǒng),具有獨立的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),包含多通道A/D、D/A,具備各種流行的數(shù)字通訊能力,尤其是可與Matlab/Simulink直接連接,可大大簡化仿真系統(tǒng)設(shè)計和控制系統(tǒng)的設(shè)計,其典型接口卡為DSpace 1103,目前已大量應(yīng)用于各種大型復(fù)雜的仿真系統(tǒng)[7-9]。計算機提供Matlab/Simulink環(huán)境,用于實現(xiàn)所設(shè)計的測試方法和控制方法。

圖4為所設(shè)計EM測試系統(tǒng)的照片。

圖4 EM測試系統(tǒng)

3 測試系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 靜態(tài)特性測試

圖5顯示的是某動圈式EM樣機的力-位移特性,包括利用所設(shè)計測試系統(tǒng)圖4進行的測試結(jié)果和有限元分析(FEM)軟件分析的結(jié)果[11]?？梢钥闯?測試系統(tǒng)對EM進行的位移雙向變化時的力-位移曲線形成一個狹窄的區(qū)間,而FEM分析結(jié)果幾乎完全處于該區(qū)間內(nèi),測試結(jié)果和FEM分析結(jié)果一致,同時驗證了兩者的可信性。

圖5 動圈式EM的靜特性

3.2 輸出力動態(tài)響應(yīng)測試

圖6顯示的是圖5試驗樣機的輸出力F對輸入信號(電壓)的階躍響應(yīng)[11],此時將負載位移鎖死,對拉壓力傳感器的測量值進行測量。

圖6 樣機輸出力F對輸入電壓的階躍響應(yīng)

3.3 位置閉環(huán)特性測試

位置閉環(huán)特性測試時,需要根據(jù)應(yīng)用情況選擇與伺服比例閥相匹配的質(zhì)量塊和彈簧。圖7是用于伺服比例閥的某動鐵式EM的閥芯位置對輸入信號ui的階躍響應(yīng)曲線,它顯示了當采用幾種不同的控制律時,閥芯動子組件的階躍響應(yīng)[12]。使用所設(shè)計的測試系統(tǒng),可對閥芯動子組件的結(jié)構(gòu)和位置閉環(huán)控制方案進行試驗選擇。由于采用了DSpace 1103,閉環(huán)控制器所采用的復(fù)雜的控制策略在Matlab/Simulink中實現(xiàn)后,經(jīng)過編譯、下載即可被執(zhí)行,大大簡化設(shè)計過程。

圖7 EM的位置閉環(huán)控制特性測試

4 結(jié) 語

(1)當消除測試機構(gòu)換向時的間隙后,可對雙向輸出的電-機械轉(zhuǎn)換器的力-位移、力-電流、力-時間以及頻率特性進行測試。

(2)利用彈簧模擬閥芯的負載力,可對EM動子位移的閉環(huán)控制特性進行測試。

(3)利用DSpace實時仿真系統(tǒng),可實現(xiàn)動態(tài)指標的智能化測試,并可進行比例電磁鐵的閉環(huán)控制方法研究。

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