電液伺服閥動態(tài)特性數(shù)據(jù)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(tǒng)的核心部件，其性能對控制系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性有著直接而重要的影響。

關鍵詞：電液伺服閥;動態(tài)特性;測試

電液伺服閥動態(tài)測試時，動態(tài)缸高頻振動引起的測試臺架振動、變頻器等現(xiàn)場設備產(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的信噪比，若不進行有效的數(shù)據(jù)濾波處理，電液伺服閥的動態(tài)性能評價將失效?；诖?，本文分析了電液伺服閥動態(tài)特性數(shù)據(jù)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(diào)制流量及壓力的液壓控制閥，具有動態(tài)響應快、控制精度高、使用壽命長等優(yōu)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(tǒng)。

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(zhuǎn)換為力矩或力。②液壓放大器：控制流向液壓執(zhí)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(jīng)濾器后分四路流出，其中兩路經(jīng)左右節(jié)流孔，到閥芯左右兩端，再經(jīng)左右噴嘴噴出至溢流腔，最后經(jīng)回油節(jié)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(zhuǎn)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(tài)缸轉(zhuǎn)速用于間接測試伺服閥頻率特性，測試系統(tǒng)由計算機、伺服閥、無載高頻動態(tài)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(tài)缸上，計算機驅(qū)動高速數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)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(qū)動閥芯運動，輸出動態(tài)流量。動態(tài)流量由動態(tài)氣缸中的速度傳感器檢測而感應出電壓信號，通過高頻數(shù)據(jù)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?shù)缴衔粰C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(shù)據(jù)采集卡，采集卡最大采樣率可達250kS/s。為減小動態(tài)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(tài)缸兩端，兩者均內(nèi)置式安裝。

位移傳感器參與動態(tài)缸的低增益閉環(huán)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(tài)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(jù)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(jù)濾波后速度曲線，動態(tài)缸高速運行時，升速特性較好，此時相頻特性表現(xiàn)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(xiàn)象，所以采用數(shù)字FIR-IIR雙聯(lián)濾波法來消除干擾。

四、FIR-IIR濾波器分析及實現(xiàn)

IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結構，即具有反饋環(huán)路的結構。IIR濾波器運算結構通常由延時、乘以系數(shù)、相加等基本運算組成，可組合成直接型、正準型、并聯(lián)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(xiàn)微弱的寄生振蕩。

根據(jù)物理系統(tǒng)穩(wěn)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(shù)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(nèi)。

根據(jù)上述原則，IIR濾波器結構模型如圖1所示。

其系統(tǒng)函數(shù)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(shù)字信號處理系統(tǒng)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(wěn)定的系統(tǒng)。

其系統(tǒng)函數(shù)為：

與IIR濾波器相比，F(xiàn)IR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(jīng)FIR系統(tǒng)后，其原始時差不會發(fā)生變化，即FIR系統(tǒng)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(tǒng)函數(shù)是多項式，極點位于原點，因此FIR濾波器始終穩(wěn)定;③FIR濾波器可通過FFT變換實現(xiàn)，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(tǒng)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(zhì)可從模擬式濾波器設計而來，它綜合了模擬濾波器的優(yōu)點，F(xiàn)IR濾波器的相位嚴格不失真且永遠穩(wěn)定。根據(jù)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(lián)濾波，實現(xiàn)對動態(tài)缸速度信號的濾波處理。

五、實驗分析

根據(jù)FIR及IIR濾波后的動態(tài)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(chǎn)生偏移。與IIR濾波器相比，F(xiàn)IR濾波后仍有明顯的波峰點，但相位基本保持不變。

根據(jù)伺服閥速度，濾波后的動態(tài)缸速度較濾波前有明顯改善，噪聲基本消除。根據(jù)伺服閥幅相頻率，F(xiàn)IR-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(jù)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(jù)它們各自的特點，提出了一種伺服閥頻率特性的雙聯(lián)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(shù)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(tài)特性數(shù)據(jù)處理方法的研究[J].液壓與氣動，2018（08）.