電液高頻疲勞試驗機的控制系統(tǒng)設計研究

胡俊飛,阮　健,李　勝,豐章俊

(浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

電液高頻疲勞試驗機的控制系統(tǒng)設計研究

胡俊飛,阮健,李勝,豐章俊

(浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

摘要：由于電液高頻疲勞試驗機采用傳統(tǒng)的電液伺服閥難以達到較高的激振頻率，為了解決這個問題，采用一種特殊結構的2D激振閥來控制液壓缸，從而提高電液高頻疲勞試驗機的激振頻率.該2D激振閥具有雙運動自由度，控制閥芯旋轉可實現(xiàn)激振頻率控制，控制閥芯軸向運動可實現(xiàn)激振幅值控制.由于2D激振閥的轉閥特性，無法引入一個偏置信號實現(xiàn)對激振中心平衡位置的偏置控制，因此在對稱液壓缸上并聯(lián)一個數(shù)字伺服閥，通過改變數(shù)字伺服閥的開口大小和方向就可以實現(xiàn)激振器振動中心位置的偏置.基于電液高頻疲勞試驗機的工作原理設計其控制系統(tǒng)并做實驗.實驗表明：該電液高頻疲勞試驗機的控制系統(tǒng)可實現(xiàn)高達2 500 Hz的激振頻率；諧振頻率為980 Hz，在該頻率可進行高頻率、大載荷的疲勞實驗.

關鍵詞：2D激振閥；激振頻率；激振幅值；偏置控制；DSP

中圖分類號：TH137

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)01-0058-04

Design and research on the control system of electro-hydraulic

high-frequency fatigue test machine

HU Junfei, RUAN Jian, LI Sheng, FENG Zhangjun

(Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Manufacturing Technology, Ministry of

Education, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Electro-hydraulic high-frequency fatigue test machine can not have a high excitation frequency using traditional electro-hydraulic servo valve. To solve this problem a special 2D exciting valve is used to control hydraulic cylinder. The 2D excitation valve has dual freedom of movement. The excitation frequency control can be achieved by controlling spool rotation, and the excitation amplitude control can be achieved by controlling spool axial movement. Since the characteristics of the rotary valve of 2D excitation valve， a bias signal can not used to achieve the equilibrium position, therefore a digital servo valve is paralleled on the symmetrical cylinder, vibration center position can be controlled by changing the opening size and the opening direction of the digital servo valve. A control system is built based on the working theory of electro-hydraulic high-frequency fatigue test machine. The results of experiments shows that this control system can achieve excitation frequency up to 2 500 Hz; the resonant frequency is 980 Hz which can be used in high-frequency, large load fatigue test.

Keywords:2D excitation valve; excitation frequency; excitation amplitude; bias control; DSP

疲勞試驗機是一種主要用于在室溫狀態(tài)下，測定金屬及其構件的疲勞性能、疲勞壽命，完成預制裂紋及裂紋擴展等疲勞試驗的機器.試件在激振器產(chǎn)生的交變載荷作用下進行斷裂韌性試驗，測試金屬材料裂紋擴展速率及材料的門坎值[1-2].當激振系統(tǒng)的振動頻率等于系統(tǒng)自身的固有頻率時，即系統(tǒng)發(fā)生共振，所產(chǎn)生的微小激振力經(jīng)過放大后作用在試件上可進行材料疲勞試驗[3].電液高頻疲勞試驗機由于其動態(tài)響應快、輸出功率大等優(yōu)點，因而在疲勞試驗機領域得到廣泛應用.以電液高頻疲勞試驗機為研究對象，設計了其控制系統(tǒng).

1電液高頻疲勞試驗機的概述

1.1電液高頻疲勞試驗機的結構

如圖1所示，電液高頻疲勞試驗機的底座內(nèi)安裝有由2D高頻激振閥控對稱缸構成的新型電液2D高頻激振器.2D高頻激振器采用2D閥控制液壓缸實現(xiàn)高頻振動,通過控制閥芯的轉速與閥芯的軸向位移來控制激振器的激振頻率和幅值[4-7].在該2D高頻激振閥的驅動下，電液高頻疲勞試驗機可實現(xiàn)高達2 500 Hz的激振頻率.通過控制雙邊閥控單出桿液壓缸使之同步運動，調(diào)節(jié)上夾頭高度以適應長短不一的各疲勞試驗材料.當疲勞試驗材料被上下夾頭固定后，2D高頻激振閥開始工作.2D高頻激振閥連續(xù)旋轉驅動電液高頻激振器周期性往復振動，從而帶動試件進行疲勞試驗.通過控制2D高頻激振閥的軸向運動實現(xiàn)激振幅值的變化.對該激振器的激振中心平衡位置進行偏置控制來改變該激振器輸出的載荷力性質從而測量試件在拉應力、壓應力以及拉壓交變應力下的疲勞特性.在對稱液壓缸上并聯(lián)一個數(shù)字伺服閥用以解決2D高頻激振閥無法直接加入偏置信號的問題.

1—立柱；2—橫梁；3—單出桿液壓缸；4—2D數(shù)字閥；5—載荷傳感器；6—上夾頭；7—試件；8—下夾頭；9—雙出桿液壓缸；10—2D激振閥；11—數(shù)字伺服閥；12—底座圖1　高頻疲勞試驗機結構圖Fig.1　The diagram of high-frequency fatigue testing machine

1.2工作原理

圖2為電液高頻激振器的工作圖.圖2中，Ps為進油口壓力，Pa為回油口壓力.具有偏置功能的2D數(shù)字閥的閥口Av1和Av2構成一個液壓阻力半橋，控制液壓缸的左腔流量和壓力P1，另兩個閥口Av3和Av4構成另一個液壓阻力半橋，控制液壓缸的右腔流量和壓力P2，以此達到控制激振輸出的偏置量；2D高頻激振閥的閥口A1和A2構成一個液壓阻力半橋，控制液壓缸的左腔流量和壓力P1，另兩個閥口A3和A4構成另一個液壓阻力半橋，控制液壓缸的右腔流量和壓力P2.由于2D高頻激振閥連續(xù)轉動，一個周期內(nèi)，在前半周期，油路經(jīng)進油口、A2、液壓缸、A4、回油口構成回路，此時液壓缸活塞桿向右運動；在后半周期，油路經(jīng)進油口、A3、液壓缸、A1、回油口構成回路，此時液壓缸活塞桿向左運動.如此，能周期性控制活塞往復運動.

圖2　電液高頻激振器工作圖Fig.2　The working drawing of electro-hydraulichigh-frequency shaker

2電液高頻疲勞試驗機的控制系統(tǒng)設計研究

電液高頻疲勞試驗機的控制系統(tǒng)框圖如圖3所示.它由主動缸控制器、從動缸控制器、頻率控制器以及偏置與振幅控制器組成.其中，主動缸控制器與從動缸控制器同步控制雙邊單出桿液壓缸,用以固定不同長度的疲勞試驗材料；頻率控制器控制2D高頻激振閥的旋轉頻率從而控制電液高頻疲勞試驗機的振動頻率；偏置與振幅控制器分別控制2D數(shù)字閥與2D高頻激振閥，達到控制電液高頻疲勞試驗機的應力性質與振動幅值的目的.

圖3　電液高頻疲勞試驗機的控制系統(tǒng)框圖Fig.3　The control system block diagram of electro-hydraulic high-frequency fatigue testing machine

2.1控制系統(tǒng)的頻率控制器設計

頻率控制器總體設計框圖如圖4所示，它基于TI公司的DSP芯片TMS320F2812為基礎進行設計.通過配置其PLL寄存器、高速預定標寄存器以及輸入時鐘預定標因子，使系統(tǒng)時鐘頻率為fsys=150 MHz，高速時鐘頻率為fh=75 MHz，定時器T1的時鐘頻率為ft=75 MHz/128.計數(shù)模式設置為連續(xù)增/減模式.PWM波頻率fpwm與周期寄存器里的值T1PR的關系為

設置PWM波的占空比為50%，比較寄存器CMPR1的值是周期寄存器T1PR的一半[8].設置伺服單元，使DSP每發(fā)出1 000個PWM波，電機轉動1圈.電機每轉動1圈，2D高頻激振閥振動64次.可得激振頻率f激振與PWM波關系為

調(diào)節(jié)電位器改變頻率輸入信號，DSP通過ADC模塊將采樣電壓值轉換為A/D碼值，EVA模塊產(chǎn)生對應的PWM波.由于TMS320F2812引腳輸出為3.3 V的CMOS電平，而與DSP通信的外圍電路電平為5 V，所以采用74LVC164245芯片實現(xiàn)電平轉換.設計時選用光耦隔離芯片6N137將DSP模塊與線驅動電路模塊進行隔離，以提高安全性和抗干擾能力.

圖4　頻率控制器控制框圖Fig.4　The control block diagram of frequency controller

2.2控制系統(tǒng)的偏置與振幅控制器設計

偏置與振幅控制器的設計框圖如圖5所示.偏置控制模塊不使用外置驅動器，采用H橋驅動電路驅動兩相步進電機.振幅控制模塊選擇金維樂的型號為VT-5010電液比例控制器.通過分別調(diào)節(jié)偏置控制電位器與振幅控制電位器，實現(xiàn)偏置與振幅控制.

在偏置控制時，兩相步進電機的后端安裝有AS5045角位移傳感器.該角位移傳感器可以將電機的實時位置信號通過SPI傳送給DSP.如此，DSP能精確地控制電機轉角，從而達到對2D高頻激振器的激振中心位置的穩(wěn)定控制.AS5045具有12位分辨率，一周360°范圍內(nèi)可讀取4 096個碼值至DSP，是一款無接觸式磁旋轉編碼器.

圖5　偏置與振幅控制器控制框圖Fig.5　The control block diagram of bias and amplitude controller

3頻率控制與振幅控制實驗研究

在實驗過程中，為了更好地發(fā)揮電液高頻疲勞試驗機控制系統(tǒng)的控制性能，使電液高頻疲勞試驗機能穩(wěn)定工作，按照以下9個步驟進行實驗：

步驟1打開油泵，調(diào)節(jié)溢流閥，使系統(tǒng)壓力上升至0.1 MPa ，觀察有無油路漏油現(xiàn)象.如果油路密封效果不佳并且出現(xiàn)油路漏油現(xiàn)象，會導致2D高頻激振閥閥內(nèi)壓力驟減，使得電液高頻疲勞試驗機輸出力幅值極低，從而無法正常進行疲勞試驗.同時，由于2D高頻激振閥的閥芯和閥套配合精度極高，要求油源的油液有極高的清潔度.如果油源的油液雜質比較多，卡住了2D高頻激振閥.此時強行打開電液高頻疲勞試驗機控制系統(tǒng)的頻率控制器使得2D高頻激振閥的閥芯旋轉，會使閥芯和閥套磨損.先打開油泵，會沖刷一部分雜質，打開電液高頻疲勞試驗機控制系統(tǒng)的頻率控制器后能使2D高頻激振閥平穩(wěn)運行.

步驟2打開電液高頻疲勞試驗機控制系統(tǒng)的頻率控制器，調(diào)節(jié)頻率控制器上的電位器，使電液高頻疲勞試驗機的激振頻率達到10 Hz，觀察伺服電機是否正常運行.伺服電機旋轉速度越慢，力矩越大，越能使2D高頻激振閥得閥芯平穩(wěn)旋轉.

步驟3打開電液高頻疲勞試驗機控制系統(tǒng)的幅值控制器，調(diào)節(jié)幅值控制器上的電位器，使2D高頻激振閥的軸向開口達到0.5 mm，示波器上出現(xiàn)類似正弦波的振動波形.

步驟4打開電液高頻疲勞試驗機控制系統(tǒng)的偏置控制器，調(diào)節(jié)偏置控制器上的電位器，使2D數(shù)字伺服閥閥口關閉，2D高頻激振閥運行在無偏置狀態(tài)下，使試件承受拉-壓應力.

步驟5調(diào)節(jié)溢流閥，使系統(tǒng)壓力上升至5 MPa.

步驟6調(diào)節(jié)頻率控制器上的電位器進行掃頻實驗，使電液高頻疲勞試驗機工作在各個激振頻率，觀察示波器上輸出力幅值，找出系統(tǒng)共振點.

步驟7調(diào)節(jié)幅值控制器上的電位器，使2D高頻激振閥的軸向開口達到1 mm .重復步驟6.

步驟8調(diào)節(jié)幅值控制器上的電位器，使2D高頻激振閥的軸向開口達到1.5 mm .重復步驟6.

步驟9根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪制不同軸向開口的幅頻特性圖.

圖6為2D數(shù)字伺服閥閥口關閉，系統(tǒng)工作壓力5 MPa，軸向開口分別為1.5，1，0.5 mm時的輸出載荷力的幅頻特性圖.當軸向開口為1.5 mm時，由幅頻特性圖可得知，隨著激振器振動頻率的提高，激振器輸出載荷力幅值也在衰減.但在800~1 000 Hz之間，輸出載荷力幅值有一個躍升，其峰值約為15 kN.這是由激振頻率達到液壓系統(tǒng)固有頻率發(fā)生諧振引起的.當激振頻率為2 500 Hz時，載荷力幅值僅為2 kN.因此，該電液高頻疲勞試驗機能在諧振頻率段(1 000 Hz附近)進行大載荷、高頻率的疲勞實驗.

通過比較軸向開口在1.5，1.0，0.5 mm的幅頻曲線，可得出增大2D高頻激振閥的軸向開口，可以使輸出載荷力振幅變大.

圖6　不同軸向開口的幅頻特性圖Fig.6　Amplitude-frequency characteristic diagram of different axial openings

4結論

在該控制系統(tǒng)的控制下，當軸向開口相同時，隨著激振頻率的提高，輸出力幅值變小；但在980 Hz激振頻率處，由于激振頻率與電液高頻疲勞試驗機的固有頻率相近產(chǎn)生諧振，使輸出力幅值有一個躍升，所以可在諧振頻率980 Hz附近處可以進行高頻率、大載荷的疲勞試驗.當激振頻率相同時，2D激振閥軸向開口增大使2D激振閥閥芯軸向位移增大，輸出力幅值也相應增大，可知振幅控制器可以控制振動幅值.

參考文獻：

[1]胡燕慧,張崢,鐘群鵬.金屬材料超高周疲勞研究進展[J].機械強度,2009,3l(6):979-985.

[2]GEORGE T J, SEIDT J, SHEN M H H, et al. Development of a novel vibration-based fatigue testing methodology[J]. International Journal of Fatigue,2004,26(5):477-486.

[3]李躍光,姬戰(zhàn)國.國內(nèi)高頻疲勞試驗機的技術現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].試驗技術與試驗機,2006(3):1-4.

[4]任燕,阮健,李勝.2D閥電液激振器數(shù)據(jù)采集及實時分析系統(tǒng)[J].浙江工業(yè)大學學報,2008,36(1):35-38.

[5]邢彤,左強,楊永帥，等.液壓激振技術的研究進展[J].中國機械工程,2012,23(3):362-367.

[6]褚衍清,張忠偉,余亞超，等.電液伺服地震體驗系統(tǒng)設計[J].浙江工業(yè)大學學報,2009,37(5):545-549.

[7]鄒正佳,李勝,阮健,等.2D數(shù)字伺服閥的動態(tài)特性試驗研究[J].浙江工業(yè)大學學報,2011,39(4):429-432.

[8]顧衛(wèi)鋼.手把手教你學DSP[M].北京：北京航空航天大學出版社,2011.

(責任編輯：劉巖)

作者簡介：胡俊飛(1989—),男，浙江金華人,碩士研究生，研究方向為電液控制,E-mail：365765383@qq.com.通信作者：阮健教授，E-mail：yanyan333@126.com.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51375445)；浙江省自然科學基金資助項目(LZ13E050002)

收稿日期：2014-09-09