阀用电-机械转换器动静态性能测试方法

许小庆,杨 敬

(太原理工大学,山西太原030024)

0 引 言

在液压系统中,控制指令主要通过各类电液阀实现,所有电液阀的驱动通过不同类型的阀用电-机械转换器(以下简称EM)实现,因此EM在液压控制系统中具有重要地位。在电液伺服比例阀和电液伺服阀中,EM甚至对阀的性能具有决定性影响,并进一步影响到比例系统或伺服系统的性能,因此建立一套EM性能全方面测试系统有重要意义。

通常情况下,EM的主要特性包括力-位移特性、力-电流特性、力的动态响应特性,目前可以查到的测试系统也是对以上几个特性进行测试的[1-5]。文献[1]所设计的测试系统可对包括力的频率特性在内的电磁铁的动静态指标进行测试;文献[2]所设计的电磁铁静动态力特性测试系统具有结构简单、测试方便的特点;文献[3]利用PLC设计自动测试系统,强调测试过程的自动化。近年来,各种软件和仪器大量引入到仿真和实验系统中,如虚拟仪器、Labview的引入不仅提高了测试过程的自动化程度,而且使得测试过程更方便[4-6],尤其是DSpace仿真系统的引入使测试过程更智能化[7-9]。

EM还有一个重要特性,即闭环位置控制特性。该特性不仅依赖于以上三个特性,还依赖于负载的特点及大小,以及控制器的特性,是伺服比例阀对EM的最终要求,因此在测试系统中应该考虑对该性能进行测试。我们设计了一种伺服比例阀用EM测试系统,在上述性能测试能力的基础上,具有简单、易操作的特点,利用弹簧模拟伺服比例阀的负载力,可进行EM的闭环控制特性研究。

1 测试原理

1.1 力-位移特性测试

EM的力-位移特性指当EM线圈电流不变时,输出力与动子位移之间的关系,是EM的最重要的指标之一,其测量原理如图1a所示。EM线圈所需要的恒定电流利用电流负反馈放大器实现,EM的动子位移在测量过程中需要精确控制,同时又必须消除进给结构的机械间隙造成的轴向误差。在我们设计的测试系统中,轴向位移控制通过螺纹控制,当螺距为1 mm时,很容易实现0.05 mm的位移量。轴向间隙通过对调整机构的双向锁紧实现。

1.2 力-电流特性测试

EM的力-电流特性指当动子位移不变时,输出力与线圈电流之间的关系。利用图1结构将动子位移锁定,测量不同电流情况下的动子输出力即可,如图1b所示。

图1 EM静特性测量

1.3 力动态特性测试

EM的力动态特性通常指EM动子的输出力对控制信号的响应速度,主要通过阶跃响应特性或频率特性描述,控制信号一般指放大器的输入信号。输出力的响应速度主要决定于放大器特性、动子质量、EM的机械结构等因素。与测量力-电流特性一样,测量力的响应特性时,需要固定好动子位置,如图1b所示,同时记录输入信号、输出力的变化,必要时进行适当的数据处理,即可达到测试目的。

1.4 位移闭环控制特性测试

多数伺服比例阀用EM可驱动不同功能及型号的阀,所控制的量为力或位移,因此EM的负载特性也是变化的。通常的测试系统不对包含EM所控制负载在内的位移特性进行测试[1-7],但该特性正是阀用EM在使用过程中最关心的特性,所以有必要研究包含负载在内的动子位移的性能测试。

理想的测试方法是用EM直接驱动伺服比例阀,在液压系统实验台上对EM的闭环控制特性进行测试,但这样做不仅使测试系统变得非常复杂、测试成本大幅上升,还需要在完成EM的设计前解决密封、连接等非关键问题,大大降低测试效率。我们采取的方法是模拟伺服比例阀所产生的负载,简化测试系统,提高测试效率。

1.4.1 间接驱动方式

当被控阀是压力类的阀时,其阀芯通常通过弹簧与EM的动子连接,EM以力为输出信号,动子受到的负载力即为弹簧力,该力可直接用弹簧模拟。

1.4.2 直接驱动方式

对于流量控制类伺服比例阀,EM需要控制阀芯的位移,此时阀芯与EM动子之间通常为刚性连接,阀芯动子组件轴向受到惯性力液体产生的粘性摩擦力液动力FR、弹簧力(有些阀含复位弹簧)kx、库伦摩擦力f,如图2所示,EM的电磁吸力即输出力F:

图2 阀芯动子组件受到的轴向力

因此,EM的负载可以用一个与阀芯质量相等的质量块m和刚度为(kR+k)的弹簧代替。

2 测试系统结构

图3为所设计的EM性能测试系统原理图。它主要包括负载位置调整、负载模拟、被测EM、传感器、DSpace RTC、测试及控制计算机等部分组成。

图3 EM性能测试系统原理

负载位置调整机构中,通过调整杆与导套(或直线轴承)之间的螺纹调整负载位置,锁紧装置、支架1、轴承可有效消除调整杆与支架1之间的轴向间隙,实现对负载位置的精确控制。负载模拟部分包括质量m和弹簧,根据式(2),可对直接驱动阀芯情况下的EM负载进行模拟,对于间接驱动阀芯情况下的EM负载,去掉质量m即可,当不进行EM闭环位置控制测试时,质量m、弹簧均不要,直接将输出杆与力传感器连接即可。传感器包括EM输出力检测传感器和动子位移检测传感器。

接口部分利用DSpace RTC实现,DSpace是一款优秀的实时仿真系统,具有独立的数据处理系统,包含多通道A/D、D/A,具备各种流行的数字通讯能力,尤其是可与Matlab/Simulink直接连接,可大大简化仿真系统设计和控制系统的设计,其典型接口卡为DSpace 1103,目前已大量应用于各种大型复杂的仿真系统[7-9]。计算机提供Matlab/Simulink环境,用于实现所设计的测试方法和控制方法。

图4为所设计EM测试系统的照片。

图4 EM测试系统

3 测试系统应用

3.1 静态特性测试

图5显示的是某动圈式EM样机的力-位移特性,包括利用所设计测试系统图4进行的测试结果和有限元分析(FEM)软件分析的结果[11]。可以看出,测试系统对EM进行的位移双向变化时的力-位移曲线形成一个狭窄的区间,而FEM分析结果几乎完全处于该区间内,测试结果和FEM分析结果一致,同时验证了两者的可信性。

图5 动圈式EM的静特性

3.2 输出力动态响应测试

图6显示的是图5试验样机的输出力F对输入信号(电压)的阶跃响应[11],此时将负载位移锁死,对拉压力传感器的测量值进行测量。

图6 样机输出力F对输入电压的阶跃响应

3.3 位置闭环特性测试

位置闭环特性测试时,需要根据应用情况选择与伺服比例阀相匹配的质量块和弹簧。图7是用于伺服比例阀的某动铁式EM的阀芯位置对输入信号ui的阶跃响应曲线,它显示了当采用几种不同的控制律时,阀芯动子组件的阶跃响应[12]。使用所设计的测试系统,可对阀芯动子组件的结构和位置闭环控制方案进行试验选择。由于采用了DSpace 1103,闭环控制器所采用的复杂的控制策略在Matlab/Simulink中实现后,经过编译、下载即可被执行,大大简化设计过程。

图7 EM的位置闭环控制特性测试

4 结 语

(1)当消除测试机构换向时的间隙后,可对双向输出的电-机械转换器的力-位移、力-电流、力-时间以及频率特性进行测试。

(2)利用弹簧模拟阀芯的负载力,可对EM动子位移的闭环控制特性进行测试。

(3)利用DSpace实时仿真系统,可实现动态指标的智能化测试,并可进行比例电磁铁的闭环控制方法研究。

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