FF-102电液伺服阀的动态性能测试

FF-102电液伺服阀的动态性能测试

动态试验一直是电液伺服阀性能测试中的难点，需要解决许多关键的技术问题。测试对象是型号为FF-102电液伺服阀，额定电流40mA，额定流量25L/min，幅频宽和相频宽大约在60～200Hz之间。

电液伺服阀动态性能的测试方法有正弦频率扫描法和谱分析法，正弦频率扫描法是最常用的传统测试法，本例采用正弦频率扫描法进行伺服阀频率特性测试。动态性能测试则完全通过计算机和测试软件来实现。

电液伺服阀的动态特性可由频率特性函数G(f)来描叙，G(f)=Y(f)/X(f)，X为输入信号（电液伺服阀的给定电流），y为输出信号（无载液压缸的速度），f为输入信号的频率。电液伺服阀是线性时不变系统，当输入信号为振幅不变、频率不断变化的正弦信号时，输出信号为频率相同的正弦信号，而振幅和相位有所变化。输入、输出信号的振幅比随频率的变化就是幅频特性L(f)，输入、输出信号的相位差随频率的变化就是相频特性Ф(f)。

1．测试系统

测试系统由无载液压缸、加速度传感器与积分器、位移传感器、低增益位置闭环定中系统、数字式信号发生器、功率放大器和工业PC等组成，动态测试系统框图如图9所示。

被试阀的输入信号由数字式信号发生器提供。信号发生器是自行研制开发的产品，采用嵌入式CPU，配有通信口、专用触摸键盘、液晶显示屏和16位高精度的D/A模块，能够产生正弦波、三角波、方波、正弦频率扫描和伪随机等多种信号。信号发生器具有本地和远程两种操作模式：①本地方式下通过信号发生器面板上的专用触摸键盘设定信号参数；②远程方式下由工控机设定信号参数，通过串口下装给信号发生器。信号发生器输出信号的频率范围为0.01～1kHz，完全满足伺服阀动态性能测试的需要。

被试阀的输出信号为流量，由小质量、低摩擦的无载液压缸作为测试装置，液压缸的速度与输出流量成正比，因此将液压缸速度信号作为被试阀的输出信号。

速度系统不稳定，无载液压缸在往复运动中会逐渐偏离其原始位置，为防止漂移，增加了低增益位置闭环定中系统。

本测试系统完全由计算机和测试软件完成伺服阀动态性能测试，测试过程中，能够实时显示试验曲线，在线处理和打印试验结果。测试软件运行在Windows平台上，使用Delphi5.0进行开发，具有数据采集、数据处理、参数设置和通信等功能，此外软件还具有动态试验的示波器功能，能够实时显示测试频率点处的信号波形。

2．动态测试的关键技术

电液伺服阀的动态测试需要解决一系列的关键问题，包括：如何设计和加工无载液压缸，如何测量无载液压缸的速度，如何防止液压缸偏离其初始位置，计算机如何高速采集和处理测试数据等。正确解决这些问题是成功完成伺服阀动态测试的关键。

(1)无载液压缸的设计和加工。无载液压缸是伺服阀动态测试的关键元件，要求摩擦力必须很小同时叉不能有泄漏，因此活塞与缸筒之间只能靠间隙密封，加工精度要求非常高。另外，无载液压缸的固有频率要远远高于被试阀的固有频率，一般在10倍以上。无载液压缸固有频率w_h的计算公式为

w_h=√（4A²β）/V_tm

式中：A为无载液压缸活塞有效面积；β为油液有效体积模数；V_t为管道及液压缸的可压缩体积；m为液压缸活塞及运动部件的质量。

为提高无载液压缸的固有频率，应尽可能减少活塞、活塞杆等可动部分的质量m，将被试阀直接安装在无载液压缸上。另外，增大活塞的有效面积也有利于提高固有频率，但是有效面积过大将使液压缸两端盖受力面积增大，高压下具有危险性，因此要合理设计液压缸的直径以及活塞杆径。

经过综合分析并根据设计计算，测试系统无载液压缸缸体材料选用合金钢

38CrMnA1，缸筒的材料与活塞相同，端盖的材料为94号青铜，活塞与缸筒、活塞杆与缸筒的加工间隙为5µm。无载液压缸的最大行程为38mm，液压缸直径为50mm，活塞杆直径为16mm。根据固有频率的计算公式，按照上述参数设计的无载液压缸固有频率大约为l2kHz，完全满足伺服阀动态测试的要求。

检测无载液压缸的加工质量可以采用如下方法：将无载液压缸倾斜50°左右，活塞将匀速缓慢滑下，下滑过程中无加速和停滞现象；封住伺服阀的A口和B口，难以用手拖动活塞杆（由于空气的压缩性，会有微小移动）。

(2)无载液压缸速度测量。速度测量一般使用速度传感器，但是在本测试系统中不采用速度传感器测量速度，这是因为：

1)速度传感器对安装位置和精度要求极高，位置精度将极大影响速度信号的质量。

2)一般的速度传感器固有频率较低，与伺服阀的频宽比较接近，在高频段测试时容易产生共振，导致速度信号畸变。

3)系统要求速度传感器速度慢，灵敏度高，同时行程大，而一般的直线速度传感器用于测振，其速度快，行程小，灵敏度低。

测试系统通过加速度信号获取速度：采用加速度传感器测量无载液压缸的加速度，然后通过放大电路和积分电路转换为速度信号。加速度传感器选用压电式，它具有体积小，质量小和灵敏度高等优点，其获取的加速度信号在各个方向完全独立，因此安装极为简单方便，可以直接固定在无载液压缸的活塞杆上。压电式加速度传感器的固有频率极高，一般在1GHz以上，有效地防止了在高频段试验过程中发生共振。加速度传感器输出的是电荷信号，需要经过电荷放大器进行信号放大，然后通过纯积分电路获取速度信号。

试验结果表明：通过加速度传感器和放大积分电路测量无载液压缸速度的方法是可行的，获取的速度信号理想、准确，并且安装非常方便。

(3)低增益位置闭环定中系统。位置闭环定中系统的作用是保证无载液压缸活塞运动时的平衡点不偏离初始位置。在液压缸活塞杆的一端带位移传感器（另一端为加速度计），传感器为LVDT差动变压器式位移传感器，用它作为活塞偏离的检测元件，其输出信号通过放大电路后反馈给伺服阀放大器的输入端，作为活塞的纠正信号。图10为加入位置闭环定中系统后的测试系统框图。位置定中系统并不要求很高的位置定中精度，采用低增益系统就可以满足。

(4)高速精确数据采集。频率特性试验过程中，信号发生器发送一系列幅值不变而频率连续变化的正弦频率扫描信号，由计算机设定扫描信号并通过串口下装给信号发生器，信号设定包括设定扫描方式（对数扫描和线性扫描，通常采用对数扫描方式）、信号的幅值、扫描频率范围（开始频率和结束频率）、扫描间隔（对数扫描方式下为10倍频程的扫描点数，线性扫描方式下为频率间隔）和积分波数量（单个频率点的扫描次数）等。

计算机采集伺服阀的电流信号和无载液压缸的速度(乘以无载液压缸有效面积和传感器的灵敏度系数可以得到伺服阀的瞬时流量Q)，同时信号发生器将信号频率通过串口返回给计算机，计算机根据这些数据实时绘制幅频特性和相频特性的曲线。

频率特性试验要求高速数据采集，同时还要严格保证采样间隔的精确性，由于Windows系统是多任务、非实时的操作系统，在该环境下实现高速精确采集比较困难。本测试系统采用台湾研华16位高精度数据采集卡PCL816，通过编程设置采集卡工作在硬件中断采集方式下，并利用板载定时器作为中断采集的触发信号，采样数据以DMA方式高速传送至数据缓冲区，这样就实现了最高50K的采样速度，同时保证了采样间隔严格准确。

(5)计算机数据处理。为求取信号的幅值比和相位差，要求严格测量一完整周期内的电流信号和速度信号，计算其幅值比和相位差。通过软件或硬件的方式可以采集信号峰值并获取峰值时间，然而由于干扰信号（在速度信号中最为严重）的存在，这种方案在实际应用中难以准确计算出信号的幅值比和相位差。为消除干扰信号的影响，本系统对电流和速度信号进行高速连续采样，并对一完整周期的数据进行正弦拟合，计算信号的幅值和相位。设，频率下电流信号的正弦拟合方程为A_I=sin(2πft+Ф_I)，速度信号的拟合方程为A₀=sin(2πft+Ф₀)，则可计算出厂频率下信号的幅值比和相位差为

L(f)=20lg(A₀/A_I)；Ф(f)=Ф₀-Ф_I

为防止出现随机误差，对同一频率点采样多个周分波数量较多。测试软件采用样条函数对最终的幅频特性和相频特性曲线进行拟合，移动光标可以读取任一频率点的幅值和相位，对于非测试频率点的幅值和相位的计算，采用B样条函数进行差值处理。

3．测试结果

电液伺服阀动态特性测试系统性能稳定可靠，测试结果准确。

图11 (a)是测试系统对FF102型电液伺服阀(额定流量25L/min，额定电流40mA)在21MPa额定压力和50%额定电流下的频率特性试验结果(油温40℃，液压油为SH0358-1995)，与频率特性动态分析仪的试验结果完全相同。图11 (h)是在相同测试条件下，通过测试软件的示波器功能记录的伺服阀在频率为10Hz时的电流和流量（由无载液压缸速度值计算得到）时域信号。