電液伺服閥動態特性數據處理方法的研究

鐘蜀華

摘要：電液伺服閥是電液伺服控制系統的核心部件，其性能對控制系統的精度及穩定性有著直接而重要的影響。

關鍵詞：電液伺服閥;動態特性;測試

電液伺服閥動態測試時，動態缸高頻振動引起的測試臺架振動、變頻器等現場設備產生的電磁干擾，以及傳感器電源波動等因素，將以速度測試通道噪聲的形式竄入數據采樣通道，這些噪聲信號具有不同的幅值和較寬的頻寬，難以通過硬件濾波有效消除，降低了電液伺服閥頻率特性測量數據的信噪比，若不進行有效的數據濾波處理，電液伺服閥的動態性能評價將失效。基于此，本文分析了電液伺服閥動態特性數據處理方法。

一、電液伺服閥

電液伺服閥是電液伺服控制的關鍵元件，是接收到模擬電信號后輸出調制流量及壓力的液壓控制閥，具有動態響應快、控制精度高、使用壽命長等優點，廣泛應用于航空航天、船舶、冶金、化工等領域的電液伺服控制系統。

1、組成。電液伺服閥通常由力矩馬達、液壓放大器、反饋機構組成。①力矩馬達：將電氣信號轉換為力矩或力。②液壓放大器：控制流向液壓執行機構的流量或壓力。③反饋機構：也稱平衡機構，使輸出的流量或壓力與輸入的電氣控制信號成比例。

2、工作原理。當無控制信號時，力矩馬達銜鐵處于平衡位置，擋板固定在兩噴嘴中間。高壓油從油口流入，經濾器后分四路流出，其中兩路經左右節流孔，到閥芯左右兩端，再經左右噴嘴噴出至溢流腔，最后經回油節流孔從回油口流出。另外兩路高壓油分別流到閥套上被閥芯左右兩凸肩蓋住的窗孔處，而不能流入負載油路（與作動筒相通的油路）。

當有控制信號時，銜鐵帶動擋板偏轉一定角度，使閥芯偏離中間位置（如向左移動），閥芯的左凸肩處窗孔打開，使高壓油與作動筒進油管路接通，閥芯中間凸肩右端處回油窗孔打開，使之與作動筒的回油接通，這樣，伺服閥便可控制作動筒運動。

二、伺服閥頻率特性測試原理

動態缸轉速用于間接測試伺服閥頻率特性，測試系統由計算機、伺服閥、無載高頻動態缸、位移傳感器、速度傳感器、高速采集卡等組成。被測伺服閥直接安裝在動態缸上，計算機驅動高速數據采集卡產生頻率信號并輸出到高頻響伺服放大器，然后伺服放大器向伺服閥輸入正弦電流，伺服閥線圈在電流作用下驅動閥芯運動，輸出動態流量。動態流量由動態氣缸中的速度傳感器檢測而感應出電壓信號，通過高頻數據采集卡將輸入伺服閥的正弦電流及速度傳感器輸出電壓傳輸到上位機進行頻譜分析，計算伺服閥頻率響應。

信號采集卡采用NI高速多功能數據采集卡，采集卡最大采樣率可達250kS/s。為減小動態缸對伺服閥頻率特性的影響，其固有頻率設計為1000Hz，高壓無泄漏，速度、位移傳感器安裝在動態缸兩端，兩者均內置式安裝。

位移傳感器參與動態缸的低增益閉環控制，以防撞缸。測試閥為MOOG19661系列伺服閥，輸入信號為±10mA。

三、測試分析

設定伺服閥啟動頻率為5Hz，結束頻率為100Hz，試驗信號為額定信號的25%，系統壓力為21MPa。為濾除不確定干擾，測試前使用典型的模擬濾波器-巴特沃斯低通濾波器進行濾波。結果表明，當幅頻特性曲線低于約45Hz時，波動增大，45Hz后突然下降，諧振峰值點出現在45Hz左右，諧振峰值約1.5dB;在70Hz左右頻率下，幅頻有明顯擾動，降至-3dB以下，對計算有一定影響。100Hz時相頻特性的跳躍現象與實際曲線不一致。伺服閥頻率特性失真，測試曲線難以描述伺服閥真實特性，導致評價失敗。為分析該結果的原因，在測試中同時采集未濾波前動態缸速度傳感器信號及濾波后速度傳感器信號，為便于分析觀察，采樣率降至5kS/s。

從濾波前后可看出，典型模擬濾波器具有良好的濾波效果，但速度信號的幅值仍存在嚴重波峰值擾動，波峰值最大約為4.2V，波谷值最大約為-5V，嚴重影響伺服閥幅頻特性。根據伺服閥測試原理，幅頻特性取決于速度峰值，相頻特性取決于上升期及零速期。根據濾波后速度曲線，動態缸高速運行時，升速特性較好，此時相頻特性表現較好;在極限峰值期間，噪聲較大，在高速階段有明顯的尖峰干擾，此時幅頻特性失真。

由此可知，典型模擬濾波器并不能完全消除干擾現象，所以采用數字FIR-IIR雙聯濾波法來消除干擾。

四、FIR-IIR濾波器分析及實現

IIR數字濾波器采用遞歸型結構，即具有反饋環路的結構。IIR濾波器運算結構通常由延時、乘以系數、相加等基本運算組成，可組合成直接型、正準型、并聯型結構形式，具有反饋回路。然而，由于運算中的舍入處理，誤差不斷累積，有時會出現微弱的寄生振蕩。

根據物理系統穩定性原則，其單位脈沖響應滿足以下條件：

（1）h（n）=O，n<O;

（2）

即IIR濾波器頻率響應H（z）有理函數分母多項式階次必須大于或至少等于分子多項式階次;H（z）極點必須分布在z平面單位圓內。

根據上述原則，IIR濾波器結構模型如圖1所示。

其系統函數為：

FIR濾波器：有限長單位沖激響應濾波器，又稱非遞歸濾波器，是數字信號處理系統中最基本元件，它能保證任意幅頻特性和嚴格的線性相頻特性。同時，其單位抽樣響應有限長，因此濾波器是一個穩定的系統。

其系統函數為：

與IIR濾波器相比，FIR濾波器特點：①其幅頻特性差，但不同頻率分量的原始信號經FIR系統后，其原始時差不會發生變化，即FIR系統具有嚴格的線性相位特性;②FIR濾波器的沖激響應是有限長序列，其系統函數是多項式，極點位于原點，因此FIR濾波器始終穩定;③FIR濾波器可通過FFT變換實現，提高了濾波器運算效率。

此外，與FIR濾波器相比，IIR濾波器具有以下特點：①IIR濾波器系統具有無限長序列和良好的幅頻特性;②IIR濾波器的輸出相位不嚴格線性。

基于以上分析，IIR濾波器是一個無限長序列，其本質可從模擬式濾波器設計而來，它綜合了模擬濾波器的優點，FIR濾波器的相位嚴格不失真且永遠穩定。根據伺服閥頻率特性分析，為得到伺服閥真實的幅相頻特性曲線，在伺服閥幅頻特性測量中應采用IIR濾波器，以保證濾波后幅值不衰減;在伺服閥相頻特性測量中，采用FIR濾波器，保證濾波后相位嚴格線性且不存在相位漂移。因此，采用兩種濾波器雙聯濾波，實現對動態缸速度信號的濾波處理。

五、實驗分析

根據FIR及IIR濾波后的動態缸速度可知，IIR濾波器的濾波效果明顯，在10Hz處測得的幅值保持不變，無波峰值干擾。然而，濾波后的相位與FIR濾波后的速度相位產生偏移。與IIR濾波器相比，FIR濾波后仍有明顯的波峰點，但相位基本保持不變。

根據伺服閥速度，濾波后的動態缸速度較濾波前有明顯改善，噪聲基本消除。根據伺服閥幅相頻率，FIR-IIR濾波器有效濾除幅頻特性的尖峰值干擾，相頻特性變換平緩，準確還原了伺服閥的幅頻、相頻特性。

六、結論

根據伺服閥幅頻特性的測試特點，對FIR及IIR濾波器進行理論分析，根據它們各自的特點，提出了一種伺服閥頻率特性的雙聯濾波方法，分別對伺服閥的幅頻、相頻特性進行濾波，速度貶值從±5V降到±3V，諧振峰值點2dB得到有效濾除，幅相頻特性平滑，濾波后伺服閥的福相頻特性測量精度顯著提高。

參考文獻

[1]趙瑞堃.基于MATLAB的FIR和IIR數字濾波器的設計[D].長春：吉林大學，2015.

[2]李曉濤.電液伺服閥動態特性數據處理方法的研究[J].液壓與氣動，2018（08）.