電液伺服閥空載流量特性測試系統的研究

□ 呂永福 □ 金俠杰 □ 高施琛 □ 邢科禮

上海大學 機電工程與自動化學院 上海 200072

電液伺服閥是機械和電子相結合的高精密部件，廣泛應用于航空航天、冶金、鋼鐵、艦船等領域［1］。由于伺服閥性能的優劣直接影響到電液伺服系統的控制精度、穩定性和可靠性，因此在電液伺服閥出廠前和維修后要求對其進行嚴格的性能試驗，其中空載流量特性測試是必不可少的。筆者研制的電液伺服閥空載流量特性測試系統由計算機對各試驗參數進行采集、處理并輸出測試結果，同時測試所需的激勵信號也由計算機提供，加大了自動化測試的程度，并提高了測試精度。

1 測試液壓系統

本系統的設計充分考慮了伺服閥對測試液壓系統的嚴格要求，系統在液壓泵出口設置了一個蓄能器，可吸收壓力脈動；為了控制油污，分別在吸油口和回油口各設計了一個吸油過濾器和回油過濾器，同時在伺服閥的進油口設計了一個高精度過濾器；伺服閥的回油阻力通過比例溢流閥提供。液壓系統原理如圖1所示。

此系統的特點是系統壓力調節方便，加載過程中負載不受流量變化的影響，同時系統設置了散熱、過濾回路，保證了系統的油液清潔度。

2 測試系統組成

測試系統主要由硬件部分和軟件部分組成，伺服閥的流量信號和電流信號通過數據采集卡采集后由計算機進行分析和處理，最后繪制出空載流量特性曲線。

2.1 硬件部分

測試系統硬件組成原理框圖如圖2所示，由工控機、打印機、模擬量輸出卡、功率驅動卡和數據采集卡等組成。

①模擬量輸出卡：輸出試驗用的低頻控制信號，16位高精度的D/A轉換，輸出為電壓信號。

②功率驅動卡：將控制電壓信號轉換為被試伺服閥的驅動信號，包括電壓信號（－10～10 V）和電流信號（0～±50 mA 和 0～±200 mA）。

③ 數據采集卡：實時采集試驗中的壓力、流量、溫度、電流信號。

④ 數字儀表：主要顯示試驗臺上的壓力、電流、溫度和流量等值。

⑤信號調理板：主要用于信號的過濾處理，隔離外界雜波信號的干擾。

▲圖1 測試液壓系統原理圖

2.2 軟件部分

測試系統軟件采用虛擬儀器技術，利用美國NI公司的產品LabVIEW11.0軟件作為開發工具，可根據用戶要求完全定制化，測試系統操作主界面如圖3所示。軟件具有良好的可靠性、易用性、準確性等［2］，對采集的數據進行濾波等處理，并按照虛擬儀器的思想進行模塊化和層次化的結構設計。

測試軟件主要由數據采集模塊、信號處理模塊、激勵信號發生模塊和數據顯示保存及報表生成模塊等組成，主要完成測試數據采集和處理、繪制波形曲線、設置測試參數、保存測試結果、設備狀態顯示等，測試軟件程序流程如圖4所示。

3 激勵信號發生器

▲圖2 測控系統組成原理框圖

在傳統的伺服閥空載流量特性測試中，所需的信號通過超低頻信號發生器產生，本文測試所需的低頻信號完全由計算機通過模擬量輸出卡實現，這樣不僅提高了測試的自動化程度，而且還能降低測試成本。根據測試要求提供單路電流信號，可通過軟件獨立控制其通斷狀態。輸出電流信號滿足以下指標要求。

① 電流幅值：0～±65 mA。

② 電流精度：0.05 mA。

③零點漂移：穩定工作后不大于0.1 mA/12 h。

④ 頻率：0.005～20 Hz可調。

⑤波形：三角波非線性失真不大于1%。

▲圖3 測試系統主界面

筆者設計的信號發生器采用變點數定時間間隔的方法［3］，即在定時循環中定時器的數值固定，而每個周期的輸出點數隨頻率的改變而改變。輸出點數的數值按下式計算:

式中：X表示信號一個周期輸出的點數；Y表示一次定時循環的時間值；f表示定時器的計數頻率；F表示輸出信號的頻率。

4 試驗結果分析

圖5所示為試驗得到的伺服閥空載流量曲線分析圖，由此計算出的零偏電流為0.22 mA（2.469%），滯環為1.089 mA （12.222%），正向額定流量為63.467 L/min，負向額定流量為64.404 L/min，正向非線性度為3.03%，負向非線性度為2.918%，正向流量增益為124.505 mL/s/mA，負向流量增益為120.972 mL/s/mA，3 mA對稱度為10.456%，5 mA對稱度為5.665%，7 mA對稱度為0.787%。

在標準試驗條件下，一般伺服閥的線性度指標是＜7.5%，對稱度指標是＜7.5%，滯環指標是＜6%額定電流，零偏指標是＜2%額定電流，流量增益指標是（1±7.5%）公稱值。經過對比可以看出此伺服閥的滯環明顯偏大。

5 伺服閥靜態性能指標對系統的影響

線性度和對稱度影響伺服閥系統的精度，其中影響最大最直接的是速度控制系統。速度控制系統要選線性度好的伺服閥。此外選流量規格時，要選比額定流量略偏大的規格，以避免伺服閥工作在流量的飽和段。由于伺服閥在位置控制系統中通常是閉環的，伺服閥工作在零位區域附近，只要系統增益調得合適，可使非線性度和對稱度的影響減到最小。伺服閥的滯環是由于力（矩）馬達的磁滯和閥的油隙造成的，閥的油隙是由于摩擦力及機械固定部分的間隙造成的，磁滯回環寬度會隨著輸入信號減小而縮小，因此這種滯環在大多數伺服系統中都不會出現問題。油隙引起的回環值為定值，油液臟時油隙顯著增加，可能引起系統的不穩定。精度要求比較高的系統最好選分辨率高的閥，分辨率高意味著摩擦影響比較小，影響閥分辨率的主要因素是閥的靜摩擦力和油隙。在恒幅的輸入電流條件下，油臟時摩擦力增大，分辨率將降低。

▲圖4 測試系統軟件程序流程圖

▲圖5 空載流量曲線分析圖

雖然在固定時域條件下已調好了伺服閥的零點，但經過一段時間后，零點要發生變化，這是由于閥的結構尺寸、組件應力、電磁性能、流力特性等可能發生變化，從而使輸入電流為零時輸出流量不為零。為使輸出流量為零，必須預置零偏電流。

6 總結

該測試系統完全滿足電液伺服閥的空載流量特性試驗的要求，實際使用表明，測試系統具有精度高、結構緊湊、檢修方便、可靠性高等特點，還具備可擴展性。

［1］ 方群，黃增.電液伺服閥的發展歷史、研究現狀及發展趨勢［J］.機床與液壓，2007，35（11）:162-165.

［2］ 楊樂平.LabVIEW高級程序設計［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［3］ 趙江波，王軍政，汪首坤.伺服閥靜、動態性能測試中多功能信號發生器的設計與應用 ［J］.液壓與氣動，2003（6）：37-39.