閥用電-機械轉換器動靜態性能測試方法

許小慶,楊 敬

(太原理工大學,山西太原030024)

0 引 言

在液壓系統中,控制指令主要通過各類電液閥實現,所有電液閥的驅動通過不同類型的閥用電-機械轉換器(以下簡稱EM)實現,因此EM在液壓控制系統中具有重要地位。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或伺服系統的性能,因此建立一套EM性能全方面測試系統有重要意義。

通常情況下,EM的主要特性包括力-位移特性、力-電流特性、力的動態響應特性,目前可以查到的測試系統也是對以上幾個特性進行測試的[1-5]。文獻[1]所設計的測試系統可對包括力的頻率特性在內的電磁鐵的動靜態指標進行測試;文獻[2]所設計的電磁鐵靜動態力特性測試系統具有結構簡單、測試方便的特點;文獻[3]利用PLC設計自動測試系統,強調測試過程的自動化。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,因此在測試系統中應該考慮對該性能進行測試。我們設計了一種伺服比例閥用EM測試系統,在上述性能測試能力的基礎上,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,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構的機械間隙造成的軸向誤差。在我們設計的測試系統中,軸向位移控制通過螺紋控制,當螺距為1 mm時,很容易實現0.05 mm的位移量。軸向間隙通過對調整機構的雙向鎖緊實現。

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系。利用圖1結構將動子位移鎖定,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 力動態特性測試

EM的力動態特性通常指EM動子的輸出力對控制信號的響應速度,主要通過階躍響應特性或頻率特性描述,控制信號一般指放大器的輸入信號。輸出力的響應速度主要決定于放大器特性、動子質量、EM的機械結構等因素。與測量力-電流特性一樣,測量力的響應特性時,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,必要時進行適當的數據處理,即可達到測試目的。

1.4 位移閉環控制特性測試

多數伺服比例閥用EM可驅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。通常的測試系統不對包含EM所控制負載在內的位移特性進行測試[1-7],但該特性正是閥用EM在使用過程中最關心的特性,所以有必要研究包含負載在內的動子位移的性能測試。

理想的測試方法是用EM直接驅動伺服比例閥,在液壓系統實驗臺上對EM的閉環控制特性進行測試,但這樣做不僅使測試系統變得非常復雜、測試成本大幅上升,還需要在完成EM的設計前解決密封、連接等非關鍵問題,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生的負載,簡化測試系統,提高測試效率。

1.4.1 間接驅動方式

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生的粘性摩擦力液動力FR、彈簧力(有些閥含復位彈簧)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量相等的質量塊m和剛度為(kR+k)的彈簧代替。

2 測試系統結構

圖3為所設計的EM性能測試系統原理圖。它主要包括負載位置調整、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性能測試系統原理

負載位置調整機構中,通過調整桿與導套(或直線軸承)之間的螺紋調整負載位置,鎖緊裝置、支架1、軸承可有效消除調整桿與支架1之間的軸向間隙,實現對負載位置的精確控制。負載模擬部分包括質量m和彈簧,根據式(2),可對直接驅動閥芯情況下的EM負載進行模擬,對于間接驅動閥芯情況下的EM負載,去掉質量m即可,當不進行EM閉環位置控制測試時,質量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,DSpace是一款優秀的實時仿真系統,具有獨立的數據處理系統,包含多通道A/D、D/A,具備各種流行的數字通訊能力,尤其是可與Matlab/Simulink直接連接,可大大簡化仿真系統設計和控制系統的設計,其典型接口卡為DSpace 1103,目前已大量應用于各種大型復雜的仿真系統[7-9]。計算機提供Matlab/Simulink環境,用于實現所設計的測試方法和控制方法。

圖4為所設計EM測試系統的照片。

圖4 EM測試系統

3 測試系統應用

3.1 靜態特性測試

圖5顯示的是某動圈式EM樣機的力-位移特性,包括利用所設計測試系統圖4進行的測試結果和有限元分析(FEM)軟件分析的結果[11]。可以看出,測試系統對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間,而FEM分析結果幾乎完全處于該區間內,測試結果和FEM分析結果一致,同時驗證了兩者的可信性。

圖5 動圈式EM的靜特性

3.2 輸出力動態響應測試

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[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

3.3 位置閉環特性測試

位置閉環特性測試時,需要根據應用情況選擇與伺服比例閥相匹配的質量塊和彈簧。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[12]。使用所設計的測試系統,可對閥芯動子組件的結構和位置閉環控制方案進行試驗選擇。由于采用了DSpace 1103,閉環控制器所采用的復雜的控制策略在Matlab/Simulink中實現后,經過編譯、下載即可被執行,大大簡化設計過程。

圖7 EM的位置閉環控制特性測試

4 結 語

(1)當消除測試機構換向時的間隙后,可對雙向輸出的電-機械轉換器的力-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動子位移的閉環控制特性進行測試。

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

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