高頻電液激振系統(tǒng)的應用

辛楊桂，竇寶慧，裴旸，劉春虎

(1.廣州機械科學研究院有限公司液壓研究所，廣東廣州 510700;2.國家電網大慶供電公司，黑龍江大慶 163000)

0 前言

振動試驗是現代工程技術領域中的一項基本試驗，廣泛應用于許多重要的工程領域，如導彈、火箭的環(huán)境試驗;汽車零部件試驗及行走機械的道路模擬試驗;水壩、高層建筑的抗震試驗等［1］。電液激振系統(tǒng)具有功率體積比大、無極調頻、無極調幅、輸出力大及易于實現自動化控制等的優(yōu)點，特別是高頻大功率的振動系統(tǒng)具有較高的性價比及優(yōu)越性，使得高頻電液激振系統(tǒng)在振動試驗中發(fā)揮著越來越重要的作用。

高頻電液激振系統(tǒng)在汽車檢測行業(yè)應用廣泛，特別是在汽車零部件可靠性和耐久性的試驗中占據著重要的地位。隨著人們對汽車安全性的日益重視，低頻率的電液激振系統(tǒng)已經不能滿足汽車零部件高安全性的檢測要求，需要高頻率的液壓振動臺來完成。然而，國內100 Hz以上的高頻電液伺服激振系統(tǒng)基本從國外購買，引進國外高頻試驗臺價格昂貴，一般企業(yè)無力承擔。因此，本文作者對具有高穩(wěn)定性、高頻率和高精度的激振系統(tǒng)進行了介紹，并成功應用于某汽車振動試驗臺中。

1 高頻激振系統(tǒng)組成

1.1 液壓原理

高頻振動試驗系統(tǒng)的主要工作原理是采用可控制的高頻響應伺服閥，并通過控制伺服閥的開口大小調節(jié)液壓油的壓力與流量，使作動裝置產生往復振動。輸出的電控信號經放大器進入伺服閥，伺服閥將與輸入信號成比例的液壓油輸入伺服液壓缸，以驅動活塞運動。以正弦曲線作往復運動的伺服油缸在零角度時速度最大，為滿足瞬間的液壓缸高速度要求及減小油泵規(guī)格，在液壓進油回路中增加一個蓄能器。

設計的液壓振動試驗系統(tǒng)不僅能滿足高速動作要求，產生較大的推力和位移，并且在高頻的時候也可以提供較大的激振力及流量。根據汽車零部件的試驗技術要求，設計的液壓原理圖如圖1所示。

圖1 液壓原理示意圖

1.2 系統(tǒng)組成

高頻電液激振系統(tǒng)控制原理及主要組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成示意圖

如圖2所示高頻激振系統(tǒng)主要由靜壓軸承伺服油缸、高頻響伺服閥及其放大器、SSI輸出位移傳感器、力傳感器、壓力傳感器、嵌入式CPU、帶超采樣模塊、相關控制模塊、TCP/IP通訊線、PC工控機及VB組態(tài)系統(tǒng)等組成。

采用靜壓軸承結構的伺服油缸，參數合適的靜壓軸承可以保證將摩擦副之間分隔開不會發(fā)生直接的摩擦，可以顯著減少因密封圈產生的干摩擦及因此產生的換向瞬間的停頓，因而可以大大提高油缸乃至整個伺服系統(tǒng)的精度和性能。

高頻激振控制系統(tǒng)核心包括具有高處理速度的嵌入式CPU和具有高響應性的MOOG 761伺服閥，以滿足油缸高頻狀態(tài)下對數據采集和處理的要求;上位機采用研華工控機和VB組態(tài)系統(tǒng)的形式，VB組態(tài)系統(tǒng)可開發(fā)具有不同操作功能的界面和曲線顯示界面;上位機通過以太網接口，運用TCP/IP協議與CPU通訊，并運用VB語言對操作界面進行開發(fā)，實現CPU與上位機的數據通訊與共享。

2 高頻激振系統(tǒng)控制原理

文中介紹的高頻激振系統(tǒng)試驗臺應用于汽車零部件的耐久性和可靠性試驗，并按給定的正弦信號作往復運動。對于油缸的低頻控制，一般對單個控制量(如位移、力)進行常規(guī)的PID控制，通過整定PID參數使控制量的實際值與設定值基本一致。但在高頻控制中，由于油缸在高頻動作的過程中數據的采集與處理也相應高很多，因此對單個控制量的PID控制已不能滿足控制的要求，控制量的實際值與設定值偏差較大，控制滯后也較大，曲線失真嚴重，已不能滿足實際的試驗要求。

針對高頻試驗下油缸曲線失真嚴重的問題及本系統(tǒng)的控制特點，采用一種新的控制方法:對控制量的多個特征值進行PID控制。其技術特征在于:設定正弦信號的振幅、相位、偏差3個特征量與實際輸出位移信號的振幅、相位、偏差3個特征量分別做PID控制，其輸出用于校正設定正弦信號的振幅、相位和偏差，并且校正后的設定正弦信號直接控制伺服閥的閥芯動作，繼而使得控制量的實際值與期望正弦信號保持同步。控制原理示意圖如圖3所示，是實現高頻電液壓激振系統(tǒng)試驗要求的關鍵所在。

圖3 高頻控制原理示意圖

3 控制優(yōu)化

3.1 提高采樣頻率

對于響應頻率要求達到100 Hz，系統(tǒng)采樣頻率應在200 Hz及以上，也就是在4 ms內控制系統(tǒng)要完成通訊、數據采集、運算、輸出控制等一系列流程，因此對各個環(huán)節(jié)的響應時間必須嚴格控制。

系統(tǒng)采用帶超采樣的模擬量模塊 (相對普通的模擬量模塊，帶超采樣的模擬量模塊把每個掃描周期的信號分成100份后進行處理)，帶超采樣的模塊采集位移和力的輸入值，并送給PLC進行運算處理。帶超采樣的模塊采樣頻率一般可達25 MHz，完全滿足了系統(tǒng)對采樣時間的要求。

3.2 線性擬合

伺服閥的頻寬是決定系統(tǒng)工作頻率的關鍵因素之一，該系統(tǒng)采用美國MOOG 761系列伺服閥，該系列伺服閥幅值比在-3 dB時對應閥的頻率為80～90 Hz之間，因此，伺服閥在90 Hz以上工作時，頻率越高，衰竭越嚴重。為減小在90 Hz以上高頻時由于伺服閥本身引起的衰竭，對輸入的正弦信號幅值作線性擬合，增大幅值量。

4 實例分析

該高頻激振系統(tǒng)對輸入正弦信號的多個特征值進行PID控制，采用帶超采樣的模塊對數據進行處理，對幅值進行線性擬合，并做了大量試驗，試驗結果如下:

正弦激振力:10 kN

頻率范圍:0.5～120 Hz，0.1精度任意設置控制精度:±0.05 mm或±50 N

如圖4所示為頻率100 Hz、振幅0.05 mm時系統(tǒng)檢測出的曲線圖。

圖4 100 Hz時曲線圖

由圖4可知，該系統(tǒng)具有激振力大、調頻范圍寬、位移量大、頻率高、精度高和穩(wěn)定性高等特點。應用結果表明該控制系統(tǒng)較好地滿足了實際試驗要求，且整個控制系統(tǒng)操作簡單方便、便于檢測與監(jiān)控。

5 結束語

介紹了高頻激振系統(tǒng)的組成、控制原理及其控制優(yōu)化，并將該系統(tǒng)應用在某汽車零部件試驗中，結果表明該系統(tǒng)激振力可達10 kN，激振頻率達120 Hz，控制精度為±0.05 mm或±50 N，較好滿足了高頻、高精度和高穩(wěn)定性的實際使用要求，且整個控制系統(tǒng)操作簡單方便、便于檢測與監(jiān)控。

［1］韓意斌，俞浙青，阮健.新型高頻電液激振器［J］.液壓與氣動，2007，31(6):67-69.

［2］邢彤，左強，楊永帥.液壓激振技術的研究進展［J］.中國機械工程，2012，2(23):362-366.

［3］程輝，俞浙青，阮健.新型電液激振試驗臺的高頻特性研究［J］.液壓與氣動，2010(6):28-30.

［4］姜偉，胡新華.高頻液壓激振器的仿真研究［J］.機床與液壓，2003，31(3):131-132.