1000 L/min 2D伺服閥實驗研究

　， 　， 　， 　， 祖華

(浙江工業大學 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)

引言

隨著現代工業的不斷發展，大型、重載、高精度的機械設備得到了越來越廣泛的應用，液壓技術作為高性能機械的關鍵技術也得到了高速的發展[1]。液壓伺服閥作為液壓技術的一個重要分支，很大程度上決定整個液壓系統的性能。目前大流量的伺服閥存在難以實現高頻響的問題，本研究采用了2D閥的解決方案，2D閥相對其他伺服閥具有結構簡單、抗污染能力強、構成導控閥導控級的零位泄漏小、固有頻率高、動態性能好等優點。為使大流量高頻響2D數字伺服閥達到設計要求，對 2D 數字伺服閥采用步進電機的位置和電流閉環控制能實現對閥芯運動的精確控制， 并且有很好的響應速度[2]。理論分析與實驗結果表明，該閥具有理想的頻率特性。

1　大流量2D伺服閥工作原理

2D閥的工作原理圖如圖1所示，進油口為p，回油口為T。閥芯內的油路將閥芯上的a孔和b孔連通，即壓力油可以通過閥芯上的a孔經由b孔流入右腔[3]。此時右腔的壓力等于系統壓力p。將右腔的面積設計為敏感腔面積的一半。在閥芯的最左端臺肩上開有高壓孔和低壓孔。高壓孔通過閥芯的內部油路與孔相同，低壓孔通過油路與T相通。敏感腔的壓力由高低壓孔和螺旋槽相交的微小弓形面積串聯的液壓阻力半橋控制[4]。在靜態時若不考慮摩擦力及閥口液動力的影響，敏感腔壓力為入口壓力系統壓力p的一半，閥芯軸向保持靜壓平衡，與螺旋槽相交的高低壓側的弓形面積相等。當以逆時針(面對閥芯伸出桿)的方向轉動閥芯，則高壓側的相交面積增大、低壓側的相交面積減小，敏感腔壓力升高，并推動閥芯向右移動，同時低壓孔又回到螺旋槽的兩側，處于高低壓側相交面積相等的位置，敏感腔的壓力恢復為入口壓力p的一半，保持軸向力平衡; 若順時針的方向轉動閥芯，變化則正好相反，閥芯向左移動。這就實現了2D伺服閥閥芯轉角與軸向位移 (主閥開口)轉換的導控結構也稱為液壓伺服螺旋機構。

圖1　2D閥工作原理圖

2　動態特性分析

2.1　混合步進電機的數學模型

兩相混合式步進電機作為信號轉換元件，其本身就是一個系統。它可以通過電壓平衡方程和轉矩方程來描述。

電壓平衡方程：

(1)

轉矩方程：

T=Tmsin[Zi(θm-θ)]

(2)

式中，T為步進電機的輸出轉矩；Tm為步進電機的靜轉矩；Zi為轉子齒數；θm為旋轉磁場轉角；θ為轉子轉角。

2.2　大流量2D伺服閥的數學模型

流入敏感腔的流量一部分是由高壓孔經螺旋槽流入的流量，另一部分是高壓孔的泄漏量。流出敏感腔的流量一部分為經螺旋槽由低壓孔流出的流量，另一部分為低壓孔的泄漏量。在不考慮泄漏的前提下流入敏感腔的流量方程為：

(3)

式中：θ—— 閥芯的旋轉角度

ρ—— 液壓油的密度

敏感腔流入低壓孔的流量方程：

(4)

閥芯的運動方程為：

(5)

式中：A—— 左側容腔的閥芯面積

pc—— 左側容腔的壓力

ps—— 系統壓力

mv—— 折算到閥芯上的總質量

xv—— 閥芯的軸向位移

B—— 折算到閥芯上的總粘性系數

Kf—— 液壓彈簧剛度

FV—— 作用到閥芯上的負載

3　頻率特性試驗研究

為了研究大流量2D伺服閥的靜態和動態特性，搭建試驗平臺如圖2a、圖2b所示，試驗系統包括液壓系統、數字閥控制器、無接觸式磁感應位移傳感器、激光位移傳感器、示波器信號發生器。信號發生器輸出的波形信號與步進電機轉子位置信號經數字閥控制器驅動步進電機輸出小幅度的角位移，從而驅動閥芯旋轉，再通過伺服螺旋結構轉化為閥芯的軸向位移閥芯的軸向位移[5]。由激光位移傳感器測得顯示在示波器上。這樣可以得到在不同幅值和頻率的波形信號作用下的閥芯位移響應曲線。

圖2　試驗系統圖

采用顫振補償技術，在疊加信號幅值為間隙量的50%下，大流量2D伺服閥的靜態特性如圖3所示。從圖中可以看出，重復性很好，曲線基本重疊在一起，滯環寬度最大為1.7%。

圖3　50%間隙量靜態特性

在25%閥開口幅值條件下，測得2D伺服閥在不同頻率正弦信號作用下的頻率響應如圖4～圖6所示(圖中虛線為控制信號，實線為閥芯位移)。從圖可以看出，2D伺服閥在低頻段具有良好的跟蹤特性，表明其具有良好的靜態特性。根據不同頻率正弦信號下頻率響應可以得到2D伺服閥的頻率特性，如圖7～圖8所示。從圖可以看出，該2D閥在75 Hz時，相位滯后約90°，閥-3 dB對應的頻寬約為50 Hz。

圖4　1 Hz閥芯位移動態響應

圖5　50 Hz閥芯位移動態響應

圖6　70 Hz閥芯位移動態響應

圖7　幅頻特性

階躍響應曲線是在閥滿開口幅值的階躍信號作用下測得的，如圖9所示，從圖中可以看出，階躍響應的上升時間約為20 ms，最大百分比超調量為7.9%，穩態誤差基本為0。

圖8　相頻特性

圖9　階躍響應

4　結論

設計專門的嵌入式控制器實現對電機的位置閉環

和電流閉環。在任意輸入信號的作用下，電機能精確定位，實現轉子的輸出角位移保持對輸入信號的實時跟蹤控制。試驗結果表明，2D伺服閥具有良好的動態特性。但隨著頻率增大，幅值衰減明顯，相位滯后也逐漸增大。在25%閥開口幅值條件下,對應-3 dB的頻寬為50 Hz，階躍響應時間為20 ms。

參考文獻：

[1]駱涵秀，李世倫，陳大軍,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]Ruan J, Burton R, Ukrainetz P. An Investigation Into the Characteristic of a Two Dimensional “2D”Flow Control Valve[J]. Journal of Dynamic Systems Measurementand Control, 2002,24(1):214-220.

[4]阮健，李勝,孟彬.2D數字伺服閥[J]. 液壓與氣動，2010,(9)：77-81.

[5]Li S, Ruan J, Burton R, Ukrainetz P. Application of Stage Control in Material Testing Machine(MTS)[C]. Proceeding of 2ndChinese International Conference on Instrumention, Jinan, China,526-529.