電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

胡俊飛,阮　健,李　勝,豐章俊

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

胡俊飛,阮健,李勝,豐章俊

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

摘要：由于電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)采用傳統(tǒng)的電液伺服閥難以達(dá)到較高的激振頻率，為了解決這個(gè)問題，采用一種特殊結(jié)構(gòu)的2D激振閥來控制液壓缸，從而提高電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的激振頻率.該2D激振閥具有雙運(yùn)動(dòng)自由度，控制閥芯旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)激振頻率控制，控制閥芯軸向運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)激振幅值控制.由于2D激振閥的轉(zhuǎn)閥特性，無法引入一個(gè)偏置信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)激振中心平衡位置的偏置控制，因此在對(duì)稱液壓缸上并聯(lián)一個(gè)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(shí)現(xiàn)激振器振動(dòng)中心位置的偏置.基于電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的工作原理設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)并做實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)表明：該電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2 500 Hz的激振頻率；諧振頻率為980 Hz，在該頻率可進(jìn)行高頻率、大載荷的疲勞實(shí)驗(yàn).

關(guān)鍵詞：2D激振閥；激振頻率；激振幅值；偏置控制；DSP

中圖分類號(hào)：TH137

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(yàn)機(jī)是一種主要用于在室溫狀態(tài)下，測定金屬及其構(gòu)件的疲勞性能、疲勞壽命，完成預(yù)制裂紋及裂紋擴(kuò)展等疲勞試驗(yàn)的機(jī)器.試件在激振器產(chǎn)生的交變載荷作用下進(jìn)行斷裂韌性試驗(yàn)，測試金屬材料裂紋擴(kuò)展速率及材料的門坎值[1-2].當(dāng)激振系統(tǒng)的振動(dòng)頻率等于系統(tǒng)自身的固有頻率時(shí)，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(jìn)行材料疲勞試驗(yàn)[3].電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)由于其動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，因而在疲勞試驗(yàn)機(jī)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.以電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了其控制系統(tǒng).

1電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的概述

1.1電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的底座內(nèi)安裝有由2D高頻激振閥控對(duì)稱缸構(gòu)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(shí)現(xiàn)高頻振動(dòng),通過控制閥芯的轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)下，電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)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(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)上夾頭高度以適應(yīng)長短不一的各疲勞試驗(yàn)材料.當(dāng)疲勞試驗(yàn)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(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電液高頻激振器周期性往復(fù)振動(dòng)，從而帶動(dòng)試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn).通過控制2D高頻激振閥的軸向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)激振幅值的變化.對(duì)該激振器的激振中心平衡位置進(jìn)行偏置控制來改變該激振器輸出的載荷力性質(zhì)從而測量試件在拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及拉壓交變應(yīng)力下的疲勞特性.在對(duì)稱液壓缸上并聯(lián)一個(gè)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(hào)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(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)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(jìn)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(gòu)成一個(gè)液壓阻力半橋，控制液壓缸的左腔流量和壓力P1，另兩個(gè)閥口Av3和Av4構(gòu)成另一個(gè)液壓阻力半橋，控制液壓缸的右腔流量和壓力P2，以此達(dá)到控制激振輸出的偏置量；2D高頻激振閥的閥口A1和A2構(gòu)成一個(gè)液壓阻力半橋，控制液壓缸的左腔流量和壓力P1，另兩個(gè)閥口A3和A4構(gòu)成另一個(gè)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(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)周期內(nèi)，在前半周期，油路經(jīng)進(jìn)油口、A2、液壓缸、A4、回油口構(gòu)成回路，此時(shí)液壓缸活塞桿向右運(yùn)動(dòng)；在后半周期，油路經(jīng)進(jìn)油口、A3、液壓缸、A1、回油口構(gòu)成回路，此時(shí)液壓缸活塞桿向左運(yùn)動(dòng).如此，能周期性控制活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng).

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(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)框圖如圖3所示.它由主動(dòng)缸控制器、從動(dòng)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(dòng)缸控制器與從動(dòng)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(yàn)材料；頻率控制器控制2D高頻激振閥的旋轉(zhuǎn)頻率從而控制電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的振動(dòng)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(dá)到控制電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)力性質(zhì)與振動(dòng)幅值的目的.

圖3　電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)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(shè)計(jì)

頻率控制器總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示，它基于TI公司的DSP芯片TMS320F2812為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì).通過配置其PLL寄存器、高速預(yù)定標(biāo)寄存器以及輸入時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)因子，使系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為fsys=150 MHz，高速時(shí)鐘頻率為fh=75 MHz，定時(shí)器T1的時(shí)鐘頻率為ft=75 MHz/128.計(jì)數(shù)模式設(shè)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(guān)系為

設(shè)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(shè)置伺服單元，使DSP每發(fā)出1 000個(gè)PWM波，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1圈.電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，2D高頻激振閥振動(dòng)64次.可得激振頻率f激振與PWM波關(guān)系為

調(diào)節(jié)電位器改變頻率輸入信號(hào)，DSP通過ADC模塊將采樣電壓值轉(zhuǎn)換為A/D碼值，EVA模塊產(chǎn)生對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換.設(shè)計(jì)時(shí)選用光耦隔離芯片6N137將DSP模塊與線驅(qū)動(dòng)電路模塊進(jìn)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(shè)計(jì)

偏置與振幅控制器的設(shè)計(jì)框圖如圖5所示.偏置控制模塊不使用外置驅(qū)動(dòng)器，采用H橋驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)兩相步進(jìn)電機(jī).振幅控制模塊選擇金維樂的型號(hào)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(shí)現(xiàn)偏置與振幅控制.

在偏置控制時(shí)，兩相步進(jìn)電機(jī)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(jī)的實(shí)時(shí)位置信號(hào)通過SPI傳送給DSP.如此，DSP能精確地控制電機(jī)轉(zhuǎn)角，從而達(dá)到對(duì)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(gè)碼值至DSP，是一款無接觸式磁旋轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)研究

在實(shí)驗(yàn)過程中，為了更好地發(fā)揮電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的控制性能，使電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)能穩(wěn)定工作，按照以下9個(gè)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

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(huì)導(dǎo)致2D高頻激振閥閥內(nèi)壓力驟減，使得電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)輸出力幅值極低，從而無法正常進(jìn)行疲勞試驗(yàn).同時(shí)，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(zhì)比較多，卡住了2D高頻激振閥.此時(shí)強(qiáng)行打開電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的頻率控制器使得2D高頻激振閥的閥芯旋轉(zhuǎn)，會(huì)使閥芯和閥套磨損.先打開油泵，會(huì)沖刷一部分雜質(zhì)，打開電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的頻率控制器后能使2D高頻激振閥平穩(wěn)運(yùn)行.

步驟2打開電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)的激振頻率達(dá)到10 Hz，觀察伺服電機(jī)是否正常運(yùn)行.伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn).

步驟3打開電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)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(dá)到0.5 mm，示波器上出現(xiàn)類似正弦波的振動(dòng)波形.

步驟4打開電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)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(guān)閉，2D高頻激振閥運(yùn)行在無偏置狀態(tài)下，使試件承受拉-壓應(yīng)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(jìn)行掃頻實(shí)驗(yàn)，使電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)工作在各個(gè)激振頻率，觀察示波器上輸出力幅值，找出系統(tǒng)共振點(diǎn).

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(dá)到1 mm .重復(fù)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(dá)到1.5 mm .重復(fù)步驟6.

步驟9根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(guān)閉，系統(tǒng)工作壓力5 MPa，軸向開口分別為1.5，1，0.5 mm時(shí)的輸出載荷力的幅頻特性圖.當(dāng)軸向開口為1.5 mm時(shí)，由幅頻特性圖可得知，隨著激振器振動(dòng)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(gè)躍升，其峰值約為15 kN.這是由激振頻率達(dá)到液壓系統(tǒng)固有頻率發(fā)生諧振引起的.當(dāng)激振頻率為2 500 Hz時(shí)，載荷力幅值僅為2 kN.因此，該電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)能在諧振頻率段(1 000 Hz附近)進(jìn)行大載荷、高頻率的疲勞實(shí)驗(yàn).

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(jié)論

在該控制系統(tǒng)的控制下，當(dāng)軸向開口相同時(shí)，隨著激振頻率的提高，輸出力幅值變??；但在980 Hz激振頻率處，由于激振頻率與電液高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的固有頻率相近產(chǎn)生諧振，使輸出力幅值有一個(gè)躍升，所以可在諧振頻率980 Hz附近處可以進(jìn)行高頻率、大載荷的疲勞試驗(yàn).當(dāng)激振頻率相同時(shí)，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(yīng)增大，可知振幅控制器可以控制振動(dòng)幅值.

參考文獻(xiàn)：

[1]胡燕慧,張崢,鐘群鵬.金屬材料超高周疲勞研究進(jìn)展[J].機(jī)械強(qiáng)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(yàn)機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī),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(shí)時(shí)分析系統(tǒng)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,36(1):35-38.

[5]邢彤,左強(qiáng),楊永帥，等.液壓激振技術(shù)的研究進(jìn)展[J].中國機(jī)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(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,37(5):545-549.

[7]鄒正佳,李勝,阮健,等.2D數(shù)字伺服閥的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,39(4):429-432.

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

(責(zé)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?yàn)殡娨嚎刂?E-mail：365765383@qq.com.通信作者：阮健教授，E-mail：yanyan333@126.com.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375445)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LZ13E050002)

收稿日期：2014-09-09