电液高频疲劳试验机的控制系统设计研究

胡俊飞,阮　健,李　胜,丰章俊

(浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，浙江 杭州 310014)

电液高频疲劳试验机的控制系统设计研究

胡俊飞,阮健,李胜,丰章俊

(浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，浙江 杭州 310014)

摘要：由于电液高频疲劳试验机采用传统的电液伺服阀难以达到较高的激振频率，为了解决这个问题，采用一种特殊结构的2D激振阀来控制液压缸，从而提高电液高频疲劳试验机的激振频率.该2D激振阀具有双运动自由度，控制阀芯旋转可实现激振频率控制，控制阀芯轴向运动可实现激振幅值控制.由于2D激振阀的转阀特性，无法引入一个偏置信号实现对激振中心平衡位置的偏置控制，因此在对称液压缸上并联一个数字伺服阀，通过改变数字伺服阀的开口大小和方向就可以实现激振器振动中心位置的偏置.基于电液高频疲劳试验机的工作原理设计其控制系统并做实验.实验表明：该电液高频疲劳试验机的控制系统可实现高达2 500 Hz的激振频率；谐振频率为980 Hz，在该频率可进行高频率、大载荷的疲劳实验.

关键词：2D激振阀；激振频率；激振幅值；偏置控制；DSP

中图分类号：TH137

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2015)01-0058-04

Design and research on the control system of electro-hydraulic

high-frequency fatigue test machine

HU Junfei, RUAN Jian, LI Sheng, FENG Zhangjun

(Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Manufacturing Technology, Ministry of

Education, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Electro-hydraulic high-frequency fatigue test machine can not have a high excitation frequency using traditional electro-hydraulic servo valve. To solve this problem a special 2D exciting valve is used to control hydraulic cylinder. The 2D excitation valve has dual freedom of movement. The excitation frequency control can be achieved by controlling spool rotation, and the excitation amplitude control can be achieved by controlling spool axial movement. Since the characteristics of the rotary valve of 2D excitation valve， a bias signal can not used to achieve the equilibrium position, therefore a digital servo valve is paralleled on the symmetrical cylinder, vibration center position can be controlled by changing the opening size and the opening direction of the digital servo valve. A control system is built based on the working theory of electro-hydraulic high-frequency fatigue test machine. The results of experiments shows that this control system can achieve excitation frequency up to 2 500 Hz; the resonant frequency is 980 Hz which can be used in high-frequency, large load fatigue test.

Keywords:2D excitation valve; excitation frequency; excitation amplitude; bias control; DSP

疲劳试验机是一种主要用于在室温状态下，测定金属及其构件的疲劳性能、疲劳寿命，完成预制裂纹及裂纹扩展等疲劳试验的机器.试件在激振器产生的交变载荷作用下进行断裂韧性试验，测试金属材料裂纹扩展速率及材料的门坎值[1-2].当激振系统的振动频率等于系统自身的固有频率时，即系统发生共振，所产生的微小激振力经过放大后作用在试件上可进行材料疲劳试验[3].电液高频疲劳试验机由于其动态响应快、输出功率大等优点，因而在疲劳试验机领域得到广泛应用.以电液高频疲劳试验机为研究对象，设计了其控制系统.

1电液高频疲劳试验机的概述

1.1电液高频疲劳试验机的结构

如图1所示，电液高频疲劳试验机的底座内安装有由2D高频激振阀控对称缸构成的新型电液2D高频激振器.2D高频激振器采用2D阀控制液压缸实现高频振动,通过控制阀芯的转速与阀芯的轴向位移来控制激振器的激振频率和幅值[4-7].在该2D高频激振阀的驱动下，电液高频疲劳试验机可实现高达2 500 Hz的激振频率.通过控制双边阀控单出杆液压缸使之同步运动，调节上夹头高度以适应长短不一的各疲劳试验材料.当疲劳试验材料被上下夹头固定后，2D高频激振阀开始工作.2D高频激振阀连续旋转驱动电液高频激振器周期性往复振动，从而带动试件进行疲劳试验.通过控制2D高频激振阀的轴向运动实现激振幅值的变化.对该激振器的激振中心平衡位置进行偏置控制来改变该激振器输出的载荷力性质从而测量试件在拉应力、压应力以及拉压交变应力下的疲劳特性.在对称液压缸上并联一个数字伺服阀用以解决2D高频激振阀无法直接加入偏置信号的问题.

1—立柱；2—横梁；3—单出杆液压缸；4—2D数字阀；5—载荷传感器；6—上夹头；7—试件；8—下夹头；9—双出杆液压缸；10—2D激振阀；11—数字伺服阀；12—底座图1　高频疲劳试验机结构图Fig.1　The diagram of high-frequency fatigue testing machine

1.2工作原理

图2为电液高频激振器的工作图.图2中，Ps为进油口压力，Pa为回油口压力.具有偏置功能的2D数字阀的阀口Av1和Av2构成一个液压阻力半桥，控制液压缸的左腔流量和压力P1，另两个阀口Av3和Av4构成另一个液压阻力半桥，控制液压缸的右腔流量和压力P2，以此达到控制激振输出的偏置量；2D高频激振阀的阀口A1和A2构成一个液压阻力半桥，控制液压缸的左腔流量和压力P1，另两个阀口A3和A4构成另一个液压阻力半桥，控制液压缸的右腔流量和压力P2.由于2D高频激振阀连续转动，一个周期内，在前半周期，油路经进油口、A2、液压缸、A4、回油口构成回路，此时液压缸活塞杆向右运动；在后半周期，油路经进油口、A3、液压缸、A1、回油口构成回路，此时液压缸活塞杆向左运动.如此，能周期性控制活塞往复运动.

图2　电液高频激振器工作图Fig.2　The working drawing of electro-hydraulichigh-frequency shaker

2电液高频疲劳试验机的控制系统设计研究

电液高频疲劳试验机的控制系统框图如图3所示.它由主动缸控制器、从动缸控制器、频率控制器以及偏置与振幅控制器组成.其中，主动缸控制器与从动缸控制器同步控制双边单出杆液压缸,用以固定不同长度的疲劳试验材料；频率控制器控制2D高频激振阀的旋转频率从而控制电液高频疲劳试验机的振动频率；偏置与振幅控制器分别控制2D数字阀与2D高频激振阀，达到控制电液高频疲劳试验机的应力性质与振动幅值的目的.

图3　电液高频疲劳试验机的控制系统框图Fig.3　The control system block diagram of electro-hydraulic high-frequency fatigue testing machine

2.1控制系统的频率控制器设计

频率控制器总体设计框图如图4所示，它基于TI公司的DSP芯片TMS320F2812为基础进行设计.通过配置其PLL寄存器、高速预定标寄存器以及输入时钟预定标因子，使系统时钟频率为fsys=150 MHz，高速时钟频率为fh=75 MHz，定时器T1的时钟频率为ft=75 MHz/128.计数模式设置为连续增/减模式.PWM波频率fpwm与周期寄存器里的值T1PR的关系为

设置PWM波的占空比为50%，比较寄存器CMPR1的值是周期寄存器T1PR的一半[8].设置伺服单元，使DSP每发出1 000个PWM波，电机转动1圈.电机每转动1圈，2D高频激振阀振动64次.可得激振频率f激振与PWM波关系为

调节电位器改变频率输入信号，DSP通过ADC模块将采样电压值转换为A/D码值，EVA模块产生对应的PWM波.由于TMS320F2812引脚输出为3.3 V的CMOS电平，而与DSP通信的外围电路电平为5 V，所以采用74LVC164245芯片实现电平转换.设计时选用光耦隔离芯片6N137将DSP模块与线驱动电路模块进行隔离，以提高安全性和抗干扰能力.

图4　频率控制器控制框图Fig.4　The control block diagram of frequency controller

2.2控制系统的偏置与振幅控制器设计

偏置与振幅控制器的设计框图如图5所示.偏置控制模块不使用外置驱动器，采用H桥驱动电路驱动两相步进电机.振幅控制模块选择金维乐的型号为VT-5010电液比例控制器.通过分别调节偏置控制电位器与振幅控制电位器，实现偏置与振幅控制.

在偏置控制时，两相步进电机的后端安装有AS5045角位移传感器.该角位移传感器可以将电机的实时位置信号通过SPI传送给DSP.如此，DSP能精确地控制电机转角，从而达到对2D高频激振器的激振中心位置的稳定控制.AS5045具有12位分辨率，一周360°范围内可读取4 096个码值至DSP，是一款无接触式磁旋转编码器.

图5　偏置与振幅控制器控制框图Fig.5　The control block diagram of bias and amplitude controller

3频率控制与振幅控制实验研究

在实验过程中，为了更好地发挥电液高频疲劳试验机控制系统的控制性能，使电液高频疲劳试验机能稳定工作，按照以下9个步骤进行实验：

步骤1打开油泵，调节溢流阀，使系统压力上升至0.1 MPa ，观察有无油路漏油现象.如果油路密封效果不佳并且出现油路漏油现象，会导致2D高频激振阀阀内压力骤减，使得电液高频疲劳试验机输出力幅值极低，从而无法正常进行疲劳试验.同时，由于2D高频激振阀的阀芯和阀套配合精度极高，要求油源的油液有极高的清洁度.如果油源的油液杂质比较多，卡住了2D高频激振阀.此时强行打开电液高频疲劳试验机控制系统的频率控制器使得2D高频激振阀的阀芯旋转，会使阀芯和阀套磨损.先打开油泵，会冲刷一部分杂质，打开电液高频疲劳试验机控制系统的频率控制器后能使2D高频激振阀平稳运行.

步骤2打开电液高频疲劳试验机控制系统的频率控制器，调节频率控制器上的电位器，使电液高频疲劳试验机的激振频率达到10 Hz，观察伺服电机是否正常运行.伺服电机旋转速度越慢，力矩越大，越能使2D高频激振阀得阀芯平稳旋转.

步骤3打开电液高频疲劳试验机控制系统的幅值控制器，调节幅值控制器上的电位器，使2D高频激振阀的轴向开口达到0.5 mm，示波器上出现类似正弦波的振动波形.

步骤4打开电液高频疲劳试验机控制系统的偏置控制器，调节偏置控制器上的电位器，使2D数字伺服阀阀口关闭，2D高频激振阀运行在无偏置状态下，使试件承受拉-压应力.

步骤5调节溢流阀，使系统压力上升至5 MPa.

步骤6调节频率控制器上的电位器进行扫频实验，使电液高频疲劳试验机工作在各个激振频率，观察示波器上输出力幅值，找出系统共振点.

步骤7调节幅值控制器上的电位器，使2D高频激振阀的轴向开口达到1 mm .重复步骤6.

步骤8调节幅值控制器上的电位器，使2D高频激振阀的轴向开口达到1.5 mm .重复步骤6.

步骤9根据实验数据，绘制不同轴向开口的幅频特性图.

图6为2D数字伺服阀阀口关闭，系统工作压力5 MPa，轴向开口分别为1.5，1，0.5 mm时的输出载荷力的幅频特性图.当轴向开口为1.5 mm时，由幅频特性图可得知，随着激振器振动频率的提高，激振器输出载荷力幅值也在衰减.但在800~1 000 Hz之间，输出载荷力幅值有一个跃升，其峰值约为15 kN.这是由激振频率达到液压系统固有频率发生谐振引起的.当激振频率为2 500 Hz时，载荷力幅值仅为2 kN.因此，该电液高频疲劳试验机能在谐振频率段(1 000 Hz附近)进行大载荷、高频率的疲劳实验.

通过比较轴向开口在1.5，1.0，0.5 mm的幅频曲线，可得出增大2D高频激振阀的轴向开口，可以使输出载荷力振幅变大.

图6　不同轴向开口的幅频特性图Fig.6　Amplitude-frequency characteristic diagram of different axial openings

4结论

在该控制系统的控制下，当轴向开口相同时，随着激振频率的提高，输出力幅值变小；但在980 Hz激振频率处，由于激振频率与电液高频疲劳试验机的固有频率相近产生谐振，使输出力幅值有一个跃升，所以可在谐振频率980 Hz附近处可以进行高频率、大载荷的疲劳试验.当激振频率相同时，2D激振阀轴向开口增大使2D激振阀阀芯轴向位移增大，输出力幅值也相应增大，可知振幅控制器可以控制振动幅值.

参考文献：

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[2]GEORGE T J, SEIDT J, SHEN M H H, et al. Development of a novel vibration-based fatigue testing methodology[J]. International Journal of Fatigue,2004,26(5):477-486.

[3]李跃光,姬战国.国内高频疲劳试验机的技术现状及其发展[J].试验技术与试验机,2006(3):1-4.

[4]任燕,阮健,李胜.2D阀电液激振器数据采集及实时分析系统[J].浙江工业大学学报,2008,36(1):35-38.

[5]邢彤,左强,杨永帅，等.液压激振技术的研究进展[J].中国机械工程,2012,23(3):362-367.

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[8]顾卫钢.手把手教你学DSP[M].北京：北京航空航天大学出版社,2011.

(责任编辑：刘岩)

作者简介：胡俊飞(1989—),男，浙江金华人,硕士研究生，研究方向为电液控制,E-mail：365765383@qq.com.通信作者：阮健教授，E-mail：yanyan333@126.com.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375445)；浙江省自然科学基金资助项目(LZ13E050002)

收稿日期：2014-09-09