時(shí)連君，朱琳，時(shí)慧喆

(1.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島 266590;2.山東科技大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)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(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，最早主要應(yīng)用于軍事、航天裝備中。近些年隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和制造業(yè)的發(fā)展，伺服閥已在多種民用領(lǐng)域設(shè)備中得到了應(yīng)用。由于伺服閥是設(shè)備中關(guān)鍵的精密控制元件，其性能的好壞直接影響設(shè)備的整體機(jī)械性能。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握伺服閥性能對(duì)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)具有重要意義。行業(yè)內(nèi)已有許多學(xué)者和企業(yè)對(duì)伺服閥性能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、研究，對(duì)行業(yè)應(yīng)用起到了一定的作用。

最傳統(tǒng)的測(cè)試方法是利用傳感器、儀表對(duì)伺服閥的性能進(jìn)行測(cè)試、記錄，隨著計(jì)算機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理的測(cè)試方法。文獻(xiàn)[2-3]介紹了基于VB語(yǔ)言編程的多種伺服閥性能測(cè)試系統(tǒng)和模擬仿真方法，這些系統(tǒng)雖然較傳統(tǒng)機(jī)械測(cè)試方法具有更高的自動(dòng)化程度和更好的操作方便性，但軟件編寫較為復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)儀器仍然是比較龐雜的傳統(tǒng)式液壓系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)的電液伺服閥綜合測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然在一定程度上簡(jiǎn)化了測(cè)試程序，但在程序編寫和測(cè)試操作方面仍然對(duì)技術(shù)人員有著較高的要求，同時(shí)也沒(méi)有對(duì)傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。因此，行業(yè)內(nèi)仍在嘗試開(kāi)發(fā)新型伺服閥性能測(cè)試系統(tǒng)。

本文作者設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的伺服閥性能測(cè)試系統(tǒng)不同于以往基于文本語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而是采用圖形化語(yǔ)言編程,界面形象生動(dòng)，編程簡(jiǎn)單，可以大大提高測(cè)試效率。同時(shí)，還針對(duì)性地設(shè)計(jì)新型液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)相比，舍棄了超低頻信號(hào)發(fā)生器、記錄儀等儀器，從而降低實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的故障率，并采用數(shù)字量控制增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，測(cè)試精度得到提高。利用該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)伺服閥的主要特性進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，包括流量特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、頻率特性等，驗(yàn)明此伺服閥測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。

1 新型液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 液壓系統(tǒng)參數(shù)的確定

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5623.1—2018要求的相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，按照伺服閥的流量特性、動(dòng)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(shè)計(jì)原理

根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件，結(jié)合確定的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的參數(shù)，該液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。液壓系統(tǒng)采用開(kāi)放式設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、利于油箱散熱和沉淀油中雜質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 液壓系統(tǒng)原理

液壓系統(tǒng)由動(dòng)力站、操作控制臺(tái)兩部分組成。液壓元件1～9組成動(dòng)力站，向被試伺服閥提供壓力、流量可變且穩(wěn)定的動(dòng)力源。其余元件組成液壓操作控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試參數(shù)進(jìn)行控制與檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)與控制單元如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)與控制單元

由于伺服閥是精密組件，輸出參數(shù)精度高、對(duì)環(huán)境條件反應(yīng)靈敏，在液壓系統(tǒng)出口設(shè)置磁性精密過(guò)濾器，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)回油口安裝冷卻器對(duì)回油進(jìn)行冷卻。系統(tǒng)采用變量柱塞泵，通過(guò)改變變量機(jī)構(gòu)改變供給實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)控調(diào)壓系統(tǒng)，方便控制系統(tǒng)的壓力。液壓動(dòng)力與控制系統(tǒng)主要元件明細(xì)如表1所示。

表1 主要液壓元件明細(xì)

1.3 動(dòng)態(tài)液壓缸的選擇

動(dòng)態(tài)液壓缸用于測(cè)試伺服閥的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，由于活塞桿不受力，活塞桿的直徑尺寸應(yīng)盡量減小，以減小摩擦力，增加缸的使用壽命。它是實(shí)驗(yàn)測(cè)試中的關(guān)鍵部件，所以要對(duì)其參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，便于選擇合理的型號(hào)。

實(shí)驗(yàn)中伺服閥采用正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為

()=sin2π

(1)

式中：為活塞的行程；為低頻時(shí)振幅；為正弦信號(hào)頻率。

所以活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度為

(2)

令伺服閥的額定電流為、額定流量為，在進(jìn)行伺服閥頻率特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，伺服閥放大器輸出的電流信號(hào)幅值要求控制在一定的范圍內(nèi)，太大或者太小都會(huì)導(dǎo)致波形出現(xiàn)飽和或者產(chǎn)生畸變失真，輸出的波形會(huì)偏離輸入的正弦波形信號(hào)，這樣測(cè)得的響應(yīng)數(shù)據(jù)是無(wú)效的。因此，輸入給伺服閥的電流信號(hào)設(shè)置為0.5、伺服閥的流量設(shè)置為/2，則活塞缸運(yùn)動(dòng)的速度為

=

(3)

式中：為活塞腔面積。

則有：

(4)

式中：為缸徑。

進(jìn)行頻率特性實(shí)驗(yàn)時(shí)，初始頻率為5 Hz，這個(gè)狀態(tài)下輸出的幅值基本沒(méi)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(dòng)態(tài)缸的參數(shù)=80 mm、=10 mm。

1.4 液壓系統(tǒng)的安裝

實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shè)計(jì)。其中，比例閥溢流閥、電磁溢流閥采用板式連接；節(jié)流開(kāi)關(guān)閥采用螺紋插裝閥；流量計(jì)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(diǎn)。

為減少油泵電機(jī)組工作過(guò)程中的振動(dòng)對(duì)伺服閥測(cè)試造成影響，盡量減少系統(tǒng)的測(cè)試誤差，將液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)成兩部分：液壓站與液壓操作控制臺(tái)。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(cè)試軟管連接。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)測(cè)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(jī)、數(shù)據(jù)接口板、PCI-8333模入/模出采集卡及數(shù)字頻率測(cè)控采集卡等組成，可以滿足各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)試的需要。計(jì)算機(jī)在實(shí)驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)中起到控制伺服閥及自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)、數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)等作用，提高了實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的智能化水平。數(shù)據(jù)采集與測(cè)控信號(hào)流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集與測(cè)控信號(hào)流程

在測(cè)試系統(tǒng)中采用2種數(shù)據(jù)采集控制卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集以及對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行控制。

(1)PCI-8333數(shù)據(jù)采集卡可實(shí)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(cè)試的壓力、流量、轉(zhuǎn)速、位移等數(shù)據(jù)輸入到工控機(jī)，工控機(jī)對(duì)伺服閥的控制是利用D/A通道給比例閥提供控制電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。采集卡的D/A通道輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)至伺服閥放大器，經(jīng)過(guò)放大轉(zhuǎn)換后輸出電流信號(hào)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(cè)量控制電壓和輸出流量，找出控制電壓和輸出流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系=()。

(2)數(shù)字頻率測(cè)控采集卡具有發(fā)送頻率精度高、響應(yīng)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性強(qiáng)、發(fā)送信號(hào)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(diǎn)，適用于伺服閥頻率特性的測(cè)試。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試軟件簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)測(cè)試軟件是基于LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)完成的，沒(méi)有硬件鍵盤、按鈕、儀表等，取而代之的是虛擬開(kāi)關(guān)、虛擬旋鈕及虛擬面板等，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)只有A/D、D/A板卡等硬件。圖4所示為頻率響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)軟件界面。

圖4 頻率響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)軟件界面

該系統(tǒng)由操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言、各種開(kāi)發(fā)工具以及應(yīng)用軟件等組成，開(kāi)發(fā)環(huán)境集成很多應(yīng)用所需的工具，有利于使用者不斷地創(chuàng)新開(kāi)發(fā)。測(cè)試系統(tǒng)將軟件與不同的測(cè)試儀器及計(jì)算機(jī)集成在一起，從而建立不同的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)，具有與常規(guī)測(cè)試儀器相同的信號(hào)輸入功能，被測(cè)的物理量經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由變送器將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電量信號(hào)輸出，經(jīng)數(shù)據(jù)接口板、數(shù)據(jù)采集卡輸入工控機(jī)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)軟件功能實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化集成配置，實(shí)驗(yàn)完全是在虛擬環(huán)境下進(jìn)行。

3 伺服閥性能測(cè)試與分析

伺服閥主要性能包括靜態(tài)特性和動(dòng)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(fù)載壓力之間的關(guān)系，后者是指頻率響應(yīng)特性或瞬態(tài)響應(yīng)特性。

在伺服閥性能測(cè)試系統(tǒng)中，伺服閥的輸入信號(hào)由計(jì)算機(jī)虛擬數(shù)字信號(hào)源產(chǎn)生，其輸出信號(hào)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?jì)算機(jī)進(jìn)行處理并輸出測(cè)試結(jié)果，從而得到伺服閥的流量特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和頻率特性等。

3.1 伺服閥流量特性測(cè)試

(1)流量特性分析

伺服閥的負(fù)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(kāi)口滑閥如圖5所示，即忽略各種損失。

圖5 理想零開(kāi)口滑閥

在供油壓力不變的情況下，當(dāng)閥芯從零位右移時(shí)，閥輸入、輸出流量分別為、，則：

(6)

(7)

穩(wěn)定時(shí)：

==

(8)

供油壓力：

=+

(9)

負(fù)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(fù)載流量；為流量系數(shù)；為滑閥面積梯度；為供油壓力；為負(fù)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(fù)載流量與輸入電流成正比，這樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以測(cè)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(jī)給出的控制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制電流信號(hào)并進(jìn)行功率放大，當(dāng)﹥0時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的正向電磁力，推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)滑閥輸出流量大小=()；當(dāng)﹤0時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的反向電磁力，推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，實(shí)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(duì)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)理的作用、輸出檢測(cè)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(lì)信號(hào)的幅值設(shè)定：2.5 V DC。

(3)流量特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

啟動(dòng)液壓泵電機(jī)前，電磁溢流閥的控制按鈕斷電，使實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)卸荷。流量控制閥根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行開(kāi)與關(guān)狀態(tài)調(diào)節(jié)。打開(kāi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試軟件，按照實(shí)驗(yàn)要求在實(shí)驗(yàn)測(cè)試界面上填寫相應(yīng)的參數(shù)。啟動(dòng)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(shí)驗(yàn)值，按照擬定的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直到完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后按照實(shí)驗(yàn)步驟要求停止油泵電機(jī)。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)(信號(hào)激勵(lì)電壓3.0 V)

實(shí)驗(yàn)中計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，保留小數(shù)點(diǎn)后四位；伺服放大器將3.0 V的控制電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的控制電流并進(jìn)行功率放大。當(dāng)控制電流<0時(shí)，電磁鐵產(chǎn)生反向電磁力，依靠閥芯動(dòng)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(dāng)控制電流﹥0時(shí)，電磁鐵產(chǎn)生正向電磁力，依靠閥芯動(dòng)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(cè)試系統(tǒng)能夠較好地檢測(cè)出伺服閥的真實(shí)特性。

3.2 伺服閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試

(1)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理

伺服閥的動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)是測(cè)試伺服閥對(duì)快速變化信號(hào)的瞬態(tài)反應(yīng)能力，一般用其頻率響應(yīng)、階躍響應(yīng)和傳遞函數(shù)來(lái)表達(dá)。實(shí)驗(yàn)時(shí)輸入電流的峰值為額定電流的±25%，基準(zhǔn)頻率為5 Hz。伺服閥流量階躍響應(yīng)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)的主要性能，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試其流量階躍響應(yīng)曲線并計(jì)算動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的主要參數(shù)。

(2)伺服閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試與結(jié)果分析

啟動(dòng)伺服閥瞬態(tài)響應(yīng)性能計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)，填寫實(shí)驗(yàn)測(cè)試軟件界面的參數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求調(diào)整好液壓測(cè)試系統(tǒng)中元件的狀態(tài)，按照擬定的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，啟動(dòng)液壓泵，調(diào)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓力7 MPa、流量30 L/min等。計(jì)算機(jī)給被試伺服閥控制器施加一個(gè)典型升幅的階躍信號(hào)，伺服閥輸出流量對(duì)階躍輸入電流信號(hào)的跟蹤過(guò)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(dòng)態(tài)流量階躍響應(yīng)上升時(shí)間0.62 s，下降時(shí)間為1.014 s。低頻時(shí)具有好的跟隨性，說(shuō)明該測(cè)試系統(tǒng)具有良好的階躍響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)中如果輸入信號(hào)幅值太大或過(guò)小時(shí)，都會(huì)使輸出波形失真，所得到的測(cè)試數(shù)據(jù)是無(wú)效的。

圖8 階躍響應(yīng)特性曲線

3.3 伺服閥頻率特性測(cè)試

(1)動(dòng)態(tài)特性的傳遞函數(shù)分析

伺服閥靜動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)分析時(shí)，常將伺服閥的動(dòng)態(tài)特性用傳遞函數(shù)表示，但傳遞函數(shù)是比較復(fù)雜的，以適用為原則，進(jìn)行簡(jiǎn)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小；∠(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(hào)，可以得到|(j)|及∠(j)的變化情況，即幅頻特性與相頻特性。若對(duì)閥輸入幅值為一的階躍信號(hào)，相應(yīng)測(cè)出其輸出響應(yīng)的階躍信號(hào)，然后用拉氏變換方法得出伺服閥的頻率響應(yīng)。由于伺服閥1階頻率高于實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)1階頻率，所以采用二階振蕩環(huán)節(jié)形式的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：

(13)

式中 ：() 為閥空載時(shí)負(fù)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(kāi)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)態(tài)特性表達(dá)式，是研究伺服閥動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。

(2)頻率特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理

伺服閥的輸入正弦電流信號(hào)：

()=sin[+()]

(14)

在一定頻率范圍內(nèi)做等幅變頻變化時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，輸出信號(hào)為頻率相同但幅值與相位有變化的正弦信號(hào)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(cè)得伺服閥輸入電流的相位與其相應(yīng)輸出流量的相位之間的變化差值：

()=()-()

(17)

(3)頻率特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

伺服閥頻率響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)是利用測(cè)量動(dòng)態(tài)液壓缸運(yùn)動(dòng)速度的方法來(lái)間接得到伺服閥頻率響應(yīng)特性。工控機(jī)通過(guò)頻率測(cè)控卡產(chǎn)生正弦波激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過(guò)伺服閥放大器激勵(lì)放大后輸入給被測(cè)試伺服閥線圈，產(chǎn)生推力，使閥芯響應(yīng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，其響應(yīng)輸出信號(hào)為流量，以驅(qū)動(dòng)質(zhì)量小、摩擦力低的動(dòng)態(tài)液壓缸運(yùn)動(dòng)。由于連接在動(dòng)態(tài)缸的速度傳感器測(cè)出的信號(hào)與閥輸出的流量值成正比，速度傳感器輸出信號(hào)可以作為伺服閥的響應(yīng)信號(hào)，并且由工控機(jī)對(duì)通過(guò)串口采集的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理。伺服閥測(cè)控系統(tǒng)原理如圖9所示。

圖9 伺服閥測(cè)控系統(tǒng)原理

計(jì)算機(jī)利用頻率分析軟件計(jì)算頻率點(diǎn)的幅值比和相位差并繪制Bode圖，即對(duì)數(shù)幅頻性能和相頻性能圖，計(jì)算-3 dB截止頻率和-90°截止頻率。

(4)頻率特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

按照實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)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(yīng)信號(hào)頻率與激勵(lì)信號(hào)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(lì)頻率信號(hào)幅值的增大，其響應(yīng)信號(hào)的幅值減小，而其相位滯后也隨著變大。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) (信號(hào)激勵(lì)電壓2.5 V)

計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)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(dá)到-90°時(shí)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(dòng)圈式兩級(jí)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(shí)測(cè)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(yīng)速度，這個(gè)數(shù)值要根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要確定，數(shù)值太低會(huì)影響伺服閥的響應(yīng)速度，太高會(huì)增加制造成本，且可能對(duì)負(fù)載造成干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文作者設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的伺服閥性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。采用虛擬儀器軟件對(duì)伺服閥的靜、動(dòng)態(tài)性能、幅頻性能及相頻性能等進(jìn)行了測(cè)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(yīng)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(yīng)用在動(dòng)態(tài)精度與控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)的閉環(huán)系統(tǒng)中；

(2)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)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(cè)得伺服閥的響應(yīng)頻率，在高頻時(shí)輸出將飽和；輸入電流過(guò)小時(shí)，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(cè)試數(shù)據(jù)都是沒(méi)有意義的；通過(guò)分析伺服閥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出伺服閥閥芯對(duì)輸入電流信號(hào)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(shè)計(jì)的基于LabVIEW的伺服閥性能測(cè)試系統(tǒng)能夠可靠地完成伺服閥主要性能的測(cè)試，保障設(shè)備的安全運(yùn)行，可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。