2D數字伺服閥的動態特性試驗研究

鄒正佳,李 勝,阮 健,陳夷平

(浙江工業大學 機械制造及自動化教育部重點實驗室,浙江 杭州 310032)

在電液伺服控制系統中,電液伺服閥是一個關鍵控制元件.它起著機電轉換及信號放大的作用,在很大程度上對整個系統的性能起到決定性的影響,同時也決定了電液伺服系統不同的控制方式.2D數字伺服閥是電液伺服閥的一種,2D數字伺服閥除傳統數字閥應具有的優點(可直接與計算機連接、不需要D/A轉換器、結構簡單、重復性好、功耗小、工作穩定可靠等)外[1],相對其他伺服閥更具有抗污染能力強、響應速度快、構成導控閥導控級的零位泄露(伺服螺旋機構泄漏)極小、無滯環、無死區以及良好的動靜態特性等優點[2].

電―機械轉換器作為連接電氣元件和機械元件的橋梁,是電液伺服閥的核心元件,其性能的優劣直接關系到電液伺服閥的整體性能的好壞[3].2D數字伺服閥的動態性能除受閥體本身機械結構的頻響影響外,很大程度上受電―機械轉換器頻響的制約.當閥體設計完成后,電―機械轉換器的高頻響是決定其實現的極為重要的因素.所以提高電―機械轉換器的頻響是實現2D數字伺服閥高頻響的前提.2D數字閥選擇步進電機作為電―機械轉換器.

1 2D數字伺服閥的結構與工作原理

本實驗采用的閥為三位四通2D數字伺服閥,其結構示意圖如圖1所示.2D數字伺服閥是由閥體、電―機械轉換器、傳動機構及位置傳感器等組成.傳動機構主要是用來連接電―機械轉換器與閥芯,位置傳感器是用來實時檢測步進電機轉子的角位移.

圖1 2D數字伺服閥的示意圖Fig.1 Construction Schematic diagram of 2D digital servo valve

1.1 2D數字伺服閥的工作原理

2D數字伺服閥是指利用閥芯雙運動自由度及伺服螺旋機構設計的數字伺服閥[2].本實驗采用的閥為三位四通2D數字伺服閥,其工作原理如圖2所示.最左邊是敏感腔,在閥芯的左端臺肩上軸對稱的開有一對與進油口相通的高壓孔和一對與回油口相通的低壓孔,在閥套左端內壁軸對稱的開有兩個螺旋槽.在初始位置,螺旋槽位于高壓孔與低壓孔的中間位置,此時流過高壓孔與低壓孔的油液平衡.當電―機械轉換器帶動閥芯順時針轉過一角度,如圖2(a)所示,則高壓孔的遮蓋面積比低壓孔的遮蓋面積大,此時敏感腔的壓力比右腔壓力小,閥芯向左移動.隨著閥芯向左移動,高壓孔的遮蓋面積逐漸變小,低壓孔的遮蓋面積逐漸變大,左右兩腔的壓力趨于平衡.當電―機械轉換器帶動閥芯逆時針轉過一角度,如圖2(b)所示,則敏感腔壓力上升,閥芯右移[4-5].

圖2 2D數字伺服閥的工作原理Fig.2 Working principle of 2D digital servo valve

1.2 電―機械轉換器的工作原理

2D數字閥的電―機械轉換器采用二相混合式步進電機.混合式步進電機又稱感應子式同步電機,是一種低速的同步電動機,其工作原理如圖3所示.在其A相與B相線圈中通入相位差為90°的正弦波電流,便會對轉子產生類正弦波(因磁路的非線性不是嚴格的正弦波)的驅動力矩 TA和TB,該力矩合成后驅動轉子使其角位移發生變化.

圖3 混合式步進電機的工作原理Fig.3 Working principle of hybrid stepping motor

采用混合式步進電機作為電―機械轉換器具有閥體設計結構簡單,并且在工作過程中電機轉子每運行半個齒距角,輸入-輸出的單調比例控制特性便重復一次.工作行程內的多次重復,將使非線性及摩擦力的影響被限制在很小的范圍內,因此能得到較為理想的定位精度[6-7].但是在工作過程中,在任意輸入信號的作用下,要求失調角大小必須保持在半個齒距范圍內快速響應,否則將造成轉子失步.解決方法是設計專門的嵌入式控制器對轉子的輸出角位移保持對輸入信號實時跟蹤控制.

設計的控制器的功能框圖如圖4所示.該控制器采用DSP(TMS320F2812)芯片設計的雙閉環系統,一是位置反饋閉環,實時讀取電機轉子的角位移θ;一是相電流反饋閉環,實測兩相電流的合成的旋轉磁場的相位θm;然后計算出二者的差值得到失調角θm-θ,使其大小保持在半個齒距角范圍內快速響應.為了保證步進電動機作為電―機械轉換器既有較高的響應速度,同時又保證其具有較高的定位精度,步進電動機應采用同步電機的控制方法,在其定子各相通入一定相位差的連續變化的正弦電流,保證轉子的輸出角位移可以快速跟蹤輸入信號的變化.

圖4 控制器功能框圖Fig.4 Function block of controller

2 2D數字伺服閥的閥動態特性實驗研究

動態特性是指在最大閥開口的25%,輸入不同頻率的正弦信號,得出閥芯位移的波形.為了測量閥的動態特性,專門設計了一樣閥,并搭建了實驗平臺,如圖5所示.實驗平臺包括標準的液壓系統實驗平臺,2D數字伺服閥(其中包括電―機械轉換器,選用混合式兩相步進電機,其型號為FL42STH47-1684MA),無接觸式磁感應位移傳感器(AS5045),激光位移傳感器(LK-GD500),信號發生器(Agilent 33250A),記錄示波器(Agilent DSO6014A),工控機等.實驗原理為:信號發生器產生一定幅值和頻率的正弦信號傳給2D數字伺服閥控制器,經嵌入控制器的控制算法處理后,DSP處理器中的EVA模塊輸出4路PWM波形控制混合式兩相步進電機旋轉運動,步進電機的軸通過傳動機構與閥芯相連,再利用流過閥芯的油壓,從而將步進電機的旋轉運動轉換成閥芯的軸向運動.通過激光位移傳感器把閥芯位移傳給記錄示波器進行數據記錄.在必要的時候通過工控機實行在線調節PID參數,避免重復往DSP中燒寫程序的麻煩.輸入正弦波的幅值為最大閥開口25%情況下,不同頻率下的閥芯位移波形如圖6(a-d)所示.

圖6 2D數字伺服閥的動態特性Fig.6 Dynamic response of 2D digital servo valve

分析波形得出:由于閥的機械結構的影響,閥的波形在高頻時明顯不如電―機械轉換器的波形.隨著頻率的增加,閥的相位滯后越來越嚴重,在140 Hz時,相位滯后已經超過90°.結合閥的幅頻特性圖7可以得出閥在-3 dB時的頻寬約為130 Hz.

圖7 2D數字伺服閥的幅頻特性Fig.7 Amplitude-frequency characteristic of valve

3 結 論

設計專門的嵌入式控制器對轉子的輸出角位移保持對輸入信號實時跟蹤控制,解決了2D數字伺服閥采用混合式步進電機作為閥電―機械轉換器存在的問題.保證了在工作過程中,在任意輸入信號的作用下,失調角大小保持在半個齒距范圍內快速響應,并且能精確定位,實現對輸入信號的實時跟蹤控制.分析實驗結果表明:2D數字伺服閥具有良好動態特性,響應速度快,定位精度高.但隨著頻率的增大,相位滯后增大,閥芯位移幅值衰減增加.在幅值為25%的最大閥開口的正弦輸入信號下,對應-3 dB的頻寬約為130 Hz.

[1] 駱涵秀,李世倫,朱捷,等.機電控制[M].杭州:浙江大學出版社,2003.

[2] 阮健.電液(氣)直接數字控制技術[M].杭州:浙江大學出版社,2000.

[3] 王傳禮,袁桂峰.閥用電―機械轉換器的應用研究[J].安徽理工大學學報:自然科學版,2005,12(25):41-44.

[4] 劉乃新.氣液彈射機構的設計與關鍵控制元件的研究[D].杭州:浙江工業大學,2009.

[5] 易際研,李勝,阮健.2D數字伺服閥的頻率特性研究[J].機床與液壓,2009,37(11):67-70.

[6] BU RTON R,RUAN Jian,UKRAINETZ P.Analysis of electromagnetic nonlinearities in stage control of a stepper motor and spool valve[J].Journal of Dynamic Systems Measurement and Control,2003,125:405-412.

[7] RUAN Jian,BURT ON R,UK RAINETZ P.Some experimental considerations of stage control in digital valves[J].The Fluid Power and Systems Technology Division,2002,9:55-62.