基于虛擬儀器的伺服閥測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

時連君，朱琳，時慧喆

(1.山東科技大學機械電子工程學院，山東青島 266590;2.山東科技大學工程實訓中心，山東青島 266590)

0 前言

伺服閥是一種液壓自控控制閥，具有控制精度高、直線性好、靈敏度高、響應速度快等優(yōu)點，最早主要應用于軍事、航天裝備中。近些年隨著國民經(jīng)濟和制造業(yè)的發(fā)展，伺服閥已在多種民用領(lǐng)域設備中得到了應用。由于伺服閥是設備中關(guān)鍵的精密控制元件，其性能的好壞直接影響設備的整體機械性能。因此，及時、準確地掌握伺服閥性能對設備的維護保養(yǎng)具有重要意義。行業(yè)內(nèi)已有許多學者和企業(yè)對伺服閥性能測試系統(tǒng)進行了設計、研究，對行業(yè)應用起到了一定的作用。

最傳統(tǒng)的測試方法是利用傳感器、儀表對伺服閥的性能進行測試、記錄，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了采用傳感器與VB軟件編程共同進行數(shù)據(jù)采集處理的測試方法。文獻[2-3]介紹了基于VB語言編程的多種伺服閥性能測試系統(tǒng)和模擬仿真方法，這些系統(tǒng)雖然較傳統(tǒng)機械測試方法具有更高的自動化程度和更好的操作方便性，但軟件編寫較為復雜，實驗儀器仍然是比較龐雜的傳統(tǒng)式液壓系統(tǒng)。文獻[4]提出了一種基于計算機輔助測試系統(tǒng)的電液伺服閥綜合測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然在一定程度上簡化了測試程序，但在程序編寫和測試操作方面仍然對技術(shù)人員有著較高的要求，同時也沒有對傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)進行改進。因此，行業(yè)內(nèi)仍在嘗試開發(fā)新型伺服閥性能測試系統(tǒng)。

本文作者設計的基于LabVIEW的伺服閥性能測試系統(tǒng)不同于以往基于文本語言產(chǎn)生代碼，而是采用圖形化語言編程,界面形象生動，編程簡單，可以大大提高測試效率。同時，還針對性地設計新型液壓實驗系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的測試平臺相比，舍棄了超低頻信號發(fā)生器、記錄儀等儀器，從而降低實驗系統(tǒng)的故障率，并采用數(shù)字量控制增強系統(tǒng)的抗干擾能力，測試精度得到提高。利用該測試系統(tǒng)對伺服閥的主要特性進行測試實驗，包括流量特性、動態(tài)響應特性、頻率特性等，驗明此伺服閥測試系統(tǒng)的實用性和可靠性。

1 新型液壓實驗系統(tǒng)的設計

1.1 液壓系統(tǒng)參數(shù)的確定

根據(jù)國家標準GB/T 5623.1—2018要求的相關(guān)實驗內(nèi)容，按照伺服閥的流量特性、動態(tài)特性及頻率特性等要求，確定液壓系統(tǒng)的基本參數(shù)為額定壓力25 MPa、流量范圍3.6～36 L/min。

1.2 液壓系統(tǒng)的設計原理

根據(jù)現(xiàn)有的實驗室環(huán)境條件，結(jié)合確定的實驗測試系統(tǒng)的參數(shù)，該液壓系統(tǒng)的設計原理如圖1所示。液壓系統(tǒng)采用開放式設計，具有結(jié)構(gòu)簡單、利于油箱散熱和沉淀油中雜質(zhì)等優(yōu)點。

圖1 液壓系統(tǒng)原理

液壓系統(tǒng)由動力站、操作控制臺兩部分組成。液壓元件1～9組成動力站，向被試伺服閥提供壓力、流量可變且穩(wěn)定的動力源。其余元件組成液壓操作控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的測試參數(shù)進行控制與檢測，實驗與控制單元如圖2所示。

圖2 實驗與控制單元

由于伺服閥是精密組件，輸出參數(shù)精度高、對環(huán)境條件反應靈敏，在液壓系統(tǒng)出口設置磁性精密過濾器，在實驗系統(tǒng)回油口安裝冷卻器對回油進行冷卻。系統(tǒng)采用變量柱塞泵，通過改變變量機構(gòu)改變供給實驗系統(tǒng)的流量大小，盡量減少流量控制閥的使用，從而減少節(jié)流損失，降低系統(tǒng)油溫的升高。系統(tǒng)采用3種溢流閥組成遠控調(diào)壓系統(tǒng)，方便控制系統(tǒng)的壓力。液壓動力與控制系統(tǒng)主要元件明細如表1所示。

表1 主要液壓元件明細

1.3 動態(tài)液壓缸的選擇

動態(tài)液壓缸用于測試伺服閥的動態(tài)特性參數(shù)，由于活塞桿不受力，活塞桿的直徑尺寸應盡量減小，以減小摩擦力，增加缸的使用壽命。它是實驗測試中的關(guān)鍵部件，所以要對其參數(shù)進行計算，便于選擇合理的型號。

實驗中伺服閥采用正弦信號驅(qū)動，驅(qū)動信號數(shù)學表達式為

()=sin2π

(1)

式中：為活塞的行程；為低頻時振幅；為正弦信號頻率。

所以活塞桿的運動速度為

(2)

令伺服閥的額定電流為、額定流量為，在進行伺服閥頻率特性測試實驗時，伺服閥放大器輸出的電流信號幅值要求控制在一定的范圍內(nèi)，太大或者太小都會導致波形出現(xiàn)飽和或者產(chǎn)生畸變失真，輸出的波形會偏離輸入的正弦波形信號，這樣測得的響應數(shù)據(jù)是無效的。因此，輸入給伺服閥的電流信號設置為0.5、伺服閥的流量設置為/2，則活塞缸運動的速度為

=

(3)

式中：為活塞腔面積。

則有：

(4)

式中：為缸徑。

進行頻率特性實驗時，初始頻率為5 Hz，這個狀態(tài)下輸出的幅值基本沒有衰減，所以這是合理的選擇。根據(jù)式(4)有：

(5)

根據(jù)式(5)，可以確定選擇的動態(tài)缸的參數(shù)=80 mm、=10 mm。

1.4 液壓系統(tǒng)的安裝

實驗測試系統(tǒng)的元件采用管式連接、板式連接與螺紋插裝閥3種形式設計。其中，比例閥溢流閥、電磁溢流閥采用板式連接；節(jié)流開關(guān)閥采用螺紋插裝閥；流量計等元件采用管式連接。螺紋插裝閥具有零泄漏量、體積小及成本低等特點。

為減少油泵電機組工作過程中的振動對伺服閥測試造成影響，盡量減少系統(tǒng)的測試誤差，將液壓系統(tǒng)設計成兩部分：液壓站與液壓操作控制臺。兩部分之間采用高壓膠管連接，壓力傳感器采用高壓金屬測試軟管連接。

2 實驗數(shù)據(jù)測試與控制系統(tǒng)設計

2.1 信號傳輸系統(tǒng)的設計

數(shù)據(jù)測試與控制系統(tǒng)由壓力變送器、渦輪流量變送器、速度傳感器以及光柵位移傳感器、工業(yè)控制機、數(shù)據(jù)接口板、PCI-8333模入/模出采集卡及數(shù)字頻率測控采集卡等組成，可以滿足各項實驗參數(shù)測試的需要。計算機在實驗測控系統(tǒng)中起到控制伺服閥及自動數(shù)據(jù)采集、檢測、數(shù)據(jù)計算和存儲等作用，提高了實驗測試系統(tǒng)的智能化水平。數(shù)據(jù)采集與測控信號流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集與測控信號流程

在測試系統(tǒng)中采用2種數(shù)據(jù)采集控制卡對數(shù)據(jù)進行采集以及對實驗系統(tǒng)參數(shù)進行控制。

(1)PCI-8333數(shù)據(jù)采集卡可實現(xiàn)高低電平輸出，數(shù)據(jù)采集主要是利用其A/D通道，將被測試的壓力、流量、轉(zhuǎn)速、位移等數(shù)據(jù)輸入到工控機，工控機對伺服閥的控制是利用D/A通道給比例閥提供控制電壓來實現(xiàn)的。采集卡的D/A通道輸出一個標準電壓信號至伺服閥放大器，經(jīng)過放大轉(zhuǎn)換后輸出電流信號到被試閥的線圈，產(chǎn)生電磁推力控制伺服閥輸出流量的大小。在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，給出不同的控制電壓，測量控制電壓和輸出流量，找出控制電壓和輸出流量的對應關(guān)系=()。

(2)數(shù)字頻率測控采集卡具有發(fā)送頻率精度高、響應數(shù)據(jù)采集實時性強、發(fā)送信號頻率與幅值皆可調(diào)節(jié)、采樣頻率可調(diào)節(jié)、快速的串口通信等特點，適用于伺服閥頻率特性的測試。

2.2 實驗測試軟件簡介

實驗測試軟件是基于LabVIEW虛擬儀器設計完成的，沒有硬件鍵盤、按鈕、儀表等，取而代之的是虛擬開關(guān)、虛擬旋鈕及虛擬面板等，整個測試系統(tǒng)只有A/D、D/A板卡等硬件。圖4所示為頻率響應測試實驗軟件界面。

圖4 頻率響應測試實驗軟件界面

該系統(tǒng)由操作系統(tǒng)、編程語言、各種開發(fā)工具以及應用軟件等組成，開發(fā)環(huán)境集成很多應用所需的工具，有利于使用者不斷地創(chuàng)新開發(fā)。測試系統(tǒng)將軟件與不同的測試儀器及計算機集成在一起，從而建立不同的虛擬儀器測試系統(tǒng)，具有與常規(guī)測試儀器相同的信號輸入功能，被測的物理量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，再由變送器將其轉(zhuǎn)換成標準電量信號輸出，經(jīng)數(shù)據(jù)接口板、數(shù)據(jù)采集卡輸入工控機進行處理。實驗軟件功能實現(xiàn)了優(yōu)化集成配置，實驗完全是在虛擬環(huán)境下進行。

3 伺服閥性能測試與分析

伺服閥主要性能包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性，前者是指伺服閥穩(wěn)態(tài)工作條件下輸入控制電流、輸出流量及負載壓力之間的關(guān)系，后者是指頻率響應特性或瞬態(tài)響應特性。

在伺服閥性能測試系統(tǒng)中，伺服閥的輸入信號由計算機虛擬數(shù)字信號源產(chǎn)生，其輸出信號由虛擬儀器面板顯示，數(shù)據(jù)采集卡采集壓力、流量、速度、溫度等參數(shù)，傳輸?shù)接嬎銠C進行處理并輸出測試結(jié)果，從而得到伺服閥的流量特性、動態(tài)響應特性和頻率特性等。

3.1 伺服閥流量特性測試

(1)流量特性分析

伺服閥的負載流量特性是其重要的靜態(tài)特性之一。在理想狀態(tài)下，理想零開口滑閥如圖5所示，即忽略各種損失。

圖5 理想零開口滑閥

在供油壓力不變的情況下，當閥芯從零位右移時，閥輸入、輸出流量分別為、，則：

(6)

(7)

穩(wěn)定時：

==

(8)

供油壓力：

=+

(9)

負載壓力：

=-

(10)

由式(6)—(10)可得其特性方程：

(11)

式中：滑閥的位移=；為負載流量；為流量系數(shù)；為滑閥面積梯度；為供油壓力；為負載壓力；為伺服閥增益;為線圈輸入電流。

由式(8)—(11)可以看出伺服閥的負載流量與輸入電流成正比，這樣通過實驗可以測得伺服閥的流量、電流的數(shù)據(jù)，繪制出流量曲線。

(2)伺服閥的流量控制原理

伺服閥放大器將工控機給出的控制電壓信號轉(zhuǎn)換為相應的控制電流信號并進行功率放大，當﹥0時，產(chǎn)生相應的正向電磁力，推動閥芯運動，實現(xiàn)調(diào)節(jié)滑閥輸出流量大小=()；當﹤0時，產(chǎn)生相應的反向電磁力，推動閥芯運動，實現(xiàn)調(diào)節(jié)滑閥輸出流量大小，伺服閥控制原理如圖6所示。此外，伺服閥放大器還有對控制信號進行調(diào)理的作用、輸出檢測等功能。

圖6 伺服閥控制原理

伺服閥控制電壓范圍：-3～3 V DC，伺服閥額定電流：-300～300 mA，激勵信號的幅值設定：2.5 V DC。

(3)流量特性實驗測試與結(jié)果分析

啟動液壓泵電機前，電磁溢流閥的控制按鈕斷電，使實驗測試系統(tǒng)卸荷。流量控制閥根據(jù)實驗要求進行開與關(guān)狀態(tài)調(diào)節(jié)。打開實驗測試軟件，按照實驗要求在實驗測試界面上填寫相應的參數(shù)。啟動液壓泵后，電磁溢流閥通電，用比例溢流閥調(diào)整系統(tǒng)壓力到實驗值，按照擬定的步驟進行實驗，直到完成實驗測試。實驗數(shù)據(jù)如表2所示，實驗結(jié)束后按照實驗步驟要求停止油泵電機。

表2 實驗測試數(shù)據(jù)(信號激勵電壓3.0 V)

實驗中計算機進行數(shù)據(jù)采集與處理，保留小數(shù)點后四位；伺服放大器將3.0 V的控制電壓轉(zhuǎn)換為對應的控制電流并進行功率放大。當控制電流<0時，電磁鐵產(chǎn)生反向電磁力，依靠閥芯動作控制滑閥輸出反方向流量從28.228 3 L/min到0.902 3 L/min；當控制電流﹥0時，電磁鐵產(chǎn)生正向電磁力，依靠閥芯動作控制滑閥輸出正向流量從0.902 3 L/min逐漸增大到27.317 7 L/min，伺服閥流量曲線如圖7所示。

圖7 流量性能曲線

由圖7可以看出：伺服閥的流量特性曲線與輸入電流基本是線性比例關(guān)系，與伺服閥特性分析得到的式(11)相吻合，證明了該測試系統(tǒng)能夠較好地檢測出伺服閥的真實特性。

3.2 伺服閥動態(tài)響應特性測試

(1)動態(tài)響應特性實驗測試原理

伺服閥的動態(tài)特性實驗是測試伺服閥對快速變化信號的瞬態(tài)反應能力，一般用其頻率響應、階躍響應和傳遞函數(shù)來表達。實驗時輸入電流的峰值為額定電流的±25%，基準頻率為5 Hz。伺服閥流量階躍響應是動態(tài)響應的主要性能，實驗目的是測試其流量階躍響應曲線并計算動態(tài)響應特性的主要參數(shù)。

(2)伺服閥動態(tài)響應特性測試與結(jié)果分析

啟動伺服閥瞬態(tài)響應性能計算機輔助測試系統(tǒng)，填寫實驗測試軟件界面的參數(shù)，根據(jù)實驗要求調(diào)整好液壓測試系統(tǒng)中元件的狀態(tài)，按照擬定的實驗步驟進行操作，啟動液壓泵，調(diào)定實驗系統(tǒng)壓力7 MPa、流量30 L/min等。計算機給被試伺服閥控制器施加一個典型升幅的階躍信號，伺服閥輸出流量對階躍輸入電流信號的跟蹤過程表現(xiàn)出的振蕩衰減特性如圖8所示。

由圖8可以看出：伺服閥的穩(wěn)態(tài)流量為28.46 L/min，超調(diào)量為0.001 5 L/min，動態(tài)流量階躍響應上升時間0.62 s，下降時間為1.014 s。低頻時具有好的跟隨性，說明該測試系統(tǒng)具有良好的階躍響應特性。實驗中如果輸入信號幅值太大或過小時，都會使輸出波形失真，所得到的測試數(shù)據(jù)是無效的。

圖8 階躍響應特性曲線

3.3 伺服閥頻率特性測試

(1)動態(tài)特性的傳遞函數(shù)分析

伺服閥靜動態(tài)實驗分析時，常將伺服閥的動態(tài)特性用傳遞函數(shù)表示，但傳遞函數(shù)是比較復雜的，以適用為原則，進行簡化分析。如果伺服閥的傳遞函數(shù)為v()，則頻率特性可表示為

(j)=()|=j

(12)

用|(j)|表示頻率特性幅值的大?。弧?j)表示頻率特性的相角。

如果給伺服閥輸入幅值恒定、頻率在一定范圍內(nèi)變化的正弦信號，可以得到|(j)|及∠(j)的變化情況，即幅頻特性與相頻特性。若對閥輸入幅值為一的階躍信號，相應測出其輸出響應的階躍信號，然后用拉氏變換方法得出伺服閥的頻率響應。由于伺服閥1階頻率高于實驗測試系統(tǒng)1階頻率，所以采用二階振蕩環(huán)節(jié)形式的開環(huán)傳遞函數(shù)：

(13)

式中 ：() 為閥空載時負載流量的拉氏變換；()為閥輸入電流的拉氏變換；為閥的固有頻率；為閥的阻尼比；為閥的流量增益，通常為空載流量與額定電流的比值，=。

由自控原理可知，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求下，開環(huán)增益增大，則系統(tǒng)的頻帶也隨著增寬。傳遞函數(shù)[式(13)]與實驗測試系統(tǒng)中比例環(huán)節(jié)的位移傳感器及速度傳感器一起構(gòu)成了伺服閥動態(tài)特性表達式，是研究伺服閥動態(tài)特性實驗的基礎。

(2)頻率特性實驗測試原理

伺服閥的輸入正弦電流信號：

()=sin[+()]

(14)

在一定頻率范圍內(nèi)做等幅變頻變化時，當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，輸出信號為頻率相同但幅值與相位有變化的正弦信號如：

()=sin[+()]

(15)

伺服閥的幅頻特性可用幅值比表示：

(16)

相頻特性是某一頻率下所測得伺服閥輸入電流的相位與其相應輸出流量的相位之間的變化差值：

()=()-()

(17)

(3)頻率特性實驗測試方法

伺服閥頻率響應特性實驗是利用測量動態(tài)液壓缸運動速度的方法來間接得到伺服閥頻率響應特性。工控機通過頻率測控卡產(chǎn)生正弦波激勵信號，經(jīng)過伺服閥放大器激勵放大后輸入給被測試伺服閥線圈，產(chǎn)生推力，使閥芯響應產(chǎn)生運動，其響應輸出信號為流量，以驅(qū)動質(zhì)量小、摩擦力低的動態(tài)液壓缸運動。由于連接在動態(tài)缸的速度傳感器測出的信號與閥輸出的流量值成正比，速度傳感器輸出信號可以作為伺服閥的響應信號，并且由工控機對通過串口采集的響應信號進行信號處理。伺服閥測控系統(tǒng)原理如圖9所示。

圖9 伺服閥測控系統(tǒng)原理

計算機利用頻率分析軟件計算頻率點的幅值比和相位差并繪制Bode圖，即對數(shù)幅頻性能和相頻性能圖，計算-3 dB截止頻率和-90°截止頻率。

(4)頻率特性實驗測試與結(jié)果分析

按照實驗測試方法，結(jié)合實驗系統(tǒng)的操作步驟進行實驗操作，實驗數(shù)據(jù)如表3所示?？芍核欧y在正常工作狀態(tài)下，其響應信號頻率與激勵信號頻率數(shù)值是相同的，但其幅值與相位的數(shù)值是不同的，隨著伺服閥激勵頻率信號幅值的增大，其響應信號的幅值減小，而其相位滯后也隨著變大。

表3 實驗數(shù)據(jù) (信號激勵電壓2.5 V)

計算機對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，繪制出伺服閥的幅頻性能曲線如圖10所示，縱坐標幅值比為某一特定頻率下的輸出流量與輸入電流幅值之比，除以一指定低頻率的輸出電流與輸入電流幅值之比。伺服閥相頻性能曲線如圖11所示。

圖10 伺服閥幅頻性能曲線

圖11 伺服閥相頻性能曲線

伺服閥的幅值比為-3 dB的頻率定義成幅頻寬，以相位滯后達到-90°時的頻率為相頻寬。由圖10、圖11 可以得出：被試伺服閥-3 dB截止頻率為48.58 Hz，-90°截止頻率為55.99 Hz。動圈式兩級電液伺服閥的頻寬通常在100 Hz之內(nèi)，而廠家給出的參數(shù)參考值跟實測數(shù)據(jù)相近，一般取其中較小者作為伺服閥的頻寬值，則伺服閥的頻寬值為48.58 Hz。頻寬用于衡量伺服閥響應速度，這個數(shù)值要根據(jù)系統(tǒng)實際需要確定，數(shù)值太低會影響伺服閥的響應速度，太高會增加制造成本，且可能對負載造成干擾。

4 結(jié)束語

本文作者設計了基于LabVIEW的伺服閥性能實驗測試系統(tǒng)。采用虛擬儀器軟件對伺服閥的靜、動態(tài)性能、幅頻性能及相頻性能等進行了測試，并繪制出各種特性曲線。主要結(jié)論如下：

(1)伺服閥的頻率響應隨著供油壓力、輸入電流的幅值及其他外在條件的變化而改變，所以伺服閥主要應用在動態(tài)精度與控制精度高、抗干擾能力強的閉環(huán)系統(tǒng)中；

(2)動態(tài)實驗時一般輸入電流的峰值為額定電流的±25%，如果輸入幅值太大，所測得伺服閥的響應頻率，在高頻時輸出將飽和；輸入電流過小時，由于伺服閥分辨率的影響，將使波形變形，這2種情況下的測試數(shù)據(jù)都是沒有意義的；通過分析伺服閥的實驗結(jié)果，可以看出伺服閥閥芯對輸入電流信號具有良好的動態(tài)響應特性；

(3)伺服閥的空載流量特性曲線與輸入電流基本呈線性比例關(guān)系，流量特性曲線具有較好的線性度。

本文作者設計的基于LabVIEW的伺服閥性能測試系統(tǒng)能夠可靠地完成伺服閥主要性能的測試，保障設備的安全運行，可取得較好的經(jīng)濟效益與社會效益。