正开口2D数字伺服阀动态特性实验研究.pdf

2 0 1 3年 6月 第 4 l 卷 第 1 1期 机床与液压 MACHI NE TO0L＆ HYDRAUL I CS J u n e 2 01 3 Vo l _ 4 1 No ． 1 1 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 1 ． 0 0 1 正开 口2 D数字伺服阀动态特性实验研究 吕敏健 ，阮健，左强，时梦 ，励伟 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 3 1 0 0 1 4 摘要为了检验 2 D数字伺服阀的加工一致性，分析 2 D数字伺服阀的结构和工作原理，在此基础上 ，通过实验研究 9 个正开口2 D数字伺服及其电一机械转换器的频率响应和阶跃响应特性。实验测得其电 一 机械转换器对应 3 d B、一9 0 。 处 频宽约为 1 2 0 H z ，阶跃响应上升时间约为7 ms ；在幅值2 5 ％的最大阀开口的正弦信号输入下，9个正开口2 D数字伺服阀 对应 一 3 d B的频宽平均约为8 0 Hz ，最高可达 1 4 1 H z ，其阶跃响应上升时间平均约为 8 ． 6 m s ，最快 5 ． 3 m s 。实验结果表明 正开 口2 D数字伺服阀及其电机械转换器具有良好的动态特性，并且 2 D数字伺服阀具有良好的加工一致性。 关键词正开口2 D数字伺服阀；电一机械转换器；动态特性；实验研究 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 1 0 0 1～ 4 Ex pe r i me nt a l I nv e s t i g a t i o n o n Dy na mi c Ch a r a c t e r i s t i c s o f Op e n Ce n t e r 2 D Di g i tal Se r v o v a l v e s L V Mi n j i a n ，R U A N J i a n ，Z U O Q i a n g ，S H I Me n g ，L I We i K e y L a b o r a t o r y o f S p e c i a l P u r p o s e E q u i p m e n t a n d A d v a n c e d P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ，M i n i s t r y o f E d u c a t i o n ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 1 4，C h i n a Ab s t r a c t T o a s s e s s p r o c e s s i n g c o n s i s t e n c y o f t h e 2 D d i g i t a l s e l v o v alv e ， i t s s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p ri n c i p l e w e r e d e s c rib e d， a n d t h e n e x p e ri m e n t s w e r e c a r ri e d o u t o n t h e e q u e n c y a n d s t e p r e s p o n s e c h a r a c t e ri s t i c s o f n i n e 2 D d i gi t al o p e n c e n t e r s e r v o v al v e s and t h e i r e l e c t r o me c h a n i c al c o n v e e r ． T h e e x p e ri me n t s r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h ee q u e n c y wi d t h o f t h e e l e c t ri c - me c h a n i c al c o n v e e r i s a p p r o x i ma t e 1 2 0 Hz a t 一3 d B a n d 一9 0 。 ， an d i t s ri s i n g t i me i s a b o u t 7 ms ； t h e a v e r a g e e q u e n c y w i d th o f t h e n i n e 2 D d i g i t al o p e n c e n t e r s e r v o v alv e s i s ab o u t 8 0 Hz ，t h e ma x i mu m i s 1 41 Hz a t 一3 d B g a i n f o r 2 5 ％ i n p u t s i g n al ， a n d t h e a v e r a g e o f i t s ri s i n g t i me i s abo u t 8 ． 6 ms a n d t h e ma x i mu m i s 5 ． 3 ms ．T h e e x p e r i me n t al r e s u l t s p r e s e n t t h a t t h e 2 D d i g i t al s e r v o v alv e and i t s e l e c t r o - me c h a n i c al c o n v e e r h a v e e x c e l l e n t d y n a m i c c h a r a c t e ri s t i c s ，a n d t h e 2 D d i gi t a l s e r v o v alv e s h a v e g o o d p r o c e s s i n g c o n s i s t e n c y ． Ke y wo r d s 2 D d i gi t a l o p e n c e n t e r s e r v o v a l v e s ；E l e c t r o m e c h a n i c a l c o n v e n e r ；D y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s ；E x p e ri m e n t al i n v e s t i g a - t i o n 在电液伺服控制系统中，电液伺服阀可以将小功 率的电信号转换成可以控制执行器加速度、速度和位 置的液压输出，实现系统的电 一液转接与信号放大， 所以其性能在很大程度上决定 了整个液压系统的性 能。2 D数字伺服阀利用伺服螺旋机构作为液压功率 放大级 ，具有 良好的静动态特性；同时又利用步进电 机作为电 一机械转换器，并且采用 D S P进行嵌入式 闭环伺服控制 ，很好地保证了较高的响应速度和定位 精度⋯；与其他伺服阀相 比，还具有抗污染能力强、 导控级泄漏小、固有频率高等优点 。所以，2 D数 字伺服阀具有 良好的动态特性。 电液伺服阀的动态性能指标主要通过频率响应或 阶跃响应来衡量 。作者主要介绍了 2 D数字伺服阀 正开口动态特性实验的研究方法和内容，并且详 细分析 了其幅频特性 、相频特性与阶跃特性。 1 2 D数字伺服 阀结构与工作原理 实验所采用的2 D数字伺服阀 正开 口结构如 图 1 所示 ，它主要 由阀体 、电 一 机械转换器 步进 电 机 、角位移传感器和传动机构组成。角位移传感器 用于实时检测步进电机转子角位移 ，实现闭环伺服控 制；传动机构可以用于步进电机与阀芯之间的连接， 并实现运动的传递和力矩的放大 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 50 4 ’ 基金项 目国家 自然科学基金资助项 目 5 0 9 7 5 2 5 8 ；浙江大学流体传动与控制 国家重点实验室资助项 目 G Z K F一 2 0 0 8 0 0 5 作者简介吕敏健 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，主要研究方向为电液控制。Em a i l l a n g x x 2 4 1 v m j 1 6 3 ． c o rn。 2 机床与液压 第 4 1卷 机构 图 1 2 D数字伺服阀示意图 1 ． 1 2 D伺服 阀 2 D伺服 阀的核心 思想是 利用 阀芯双运 动 自由度 的伺服螺旋机构实现流量导控，其结构原理如图2所 示 J 。阀芯右腔与人 口压力 系统压力 相通，其 面积为左腔面积的一半；阀芯左腔为敏感腔，其压力 大小由高、低压孔与螺旋槽相交形成的两个微小弓形 面积决定。高、低压孔开设在阀芯左端台肩上，螺旋 槽则开设于左端阀芯孔上。静态时，如果不考虑摩擦 力及阀口液动力因素，敏感腔压力为右腔压力的一 半，高、低压孔与螺旋槽相交的弓形面积相等，阀芯 轴向保持静压平衡。如果转动阀芯 ，则引起高、低压 孔与螺旋槽相交的弓形面积发生差动变化，敏感腔压 力立即随之变化 ，同时作用在阀芯上的轴向静压力也 发生变化，因此阀芯失去平衡而轴向运动，结果使弓 形面积恢复相等，同时敏感腔压力恢复为系统的一 半，阀芯重新保持轴向静止。这种通过阀芯转角与轴 向位移 主阀开口转换的导控结构类似于机械螺 旋机构 ，所以称为液压伺服螺旋机构；又因其利用阀 芯的双运动 自由度实现流量导控功能，故称为2 D伺 服 阀 。 敏 感 腔 高 压孔 阀芯 图2 2 D数字伺服阀伺服螺旋机构原理图 1 ． 2 电机械 转换 器 2 1 3 伺服阀采用两相混合式步进 电机作为电 一机 械转换器。混合式步进电机由定子和转子组成 ，其结 构原理如图3所示。定子由 8 个绕有线圈的铁心磁极 组成，串接成 A、B两相绕组，并且每个定子上布有 整齐排列的小齿 ，其齿距、齿宽与转子上的小齿一 致。转子由两段齿环形铁芯和装在转子内部的磁钢组 成 ，两段铁芯充磁 后分 别呈 N极 与 S 极 。铁 芯上 均 布一定数量的小齿 一般为 5 0个 ，两段铁芯上的 小齿相互错开半个齿距。当 A、B两相通以相位差 9 0 。 的正弦电流，经过一个周期转子转一个齿距。 图3 混合式两相步进电机工作原理 2 2 D数字伺服 阀动态特性实验 系统 2 D数字伺服阀动态特性实验系统原理简图如图 4所示，测试系统主要由加载子系统 、信号源及控制 子系统、记录及二次仪表子系统三部分组成。加载子 系统 的主要 组成为标准 的液压 实验平 台和被测 2 D伺 服阀 包括电 一 机械转换器 ，信号源及控制子系统 主要 由信号发生器、2 D数字阀控制器和工控机组成 ， 记录及二次仪表子系统主要由激光传感器和记忆示波 器组成。其 中，被测 2 1 3 伺服阀为正开 口，通径为 1 2 ． 5 mm 加 载 子 系 统 茇 委 孥 秉 I 同 一 数字L 蓼 一4 位移 空制器f 二 h 峨 l 图 4 动态测试平 台 3 2 D数字伺服阀动态特性实验研究 为全面测试2 D数字伺服阀 正开口及其电 一 机械转换器的动态特性，实验分为频率响应和阶跃响 应两部分进行。做频率响应实验时，输入幅值 2 5 ％ 的最大阀开 口的正弦信号，通过改变正弦信号的频 率，分别测试电一机械转换器和2 1 3 数字伺服阀的频 率特性。做阶跃响应实验时，输入幅值为最大阀开 口 且初始值为零的方波信号 可做为阶跃信号 ，分别 测试电 一 机械转换器和 2 D数字伺服阀的阶跃特性。 实验中测试了 9个 2 D数字伺服阀 正开 口及其 电 一 机械转换器 。 第 1 1 期 吕敏健 等 正开口2 D数字伺服阀动态特性实验研究 3 3 ． 1 电 一机械转换器的动态特性 实验 实验时，将步进电机安装在阀上后，通过信号发 生器输出所需信号传给2 D数字阀控制器，经嵌人式 控制器运算处理后由 D S P输出4路 P WM波形控制混 合式两相步进电机旋转 ，角位移传感器实时测量步进 电机转子的角位移 ，并将测得信号传送 回2 D数字阀 控制器采样 记录 ，同时也对输 人信号进行 采样记 录 ，然后再将 采样记录信号传 送 回工控机 记 录显 示 。由于9个 2 D阀的电 一机械转换器使用的是 同一个混合式两相步进电机 ，所以其频率响应实验 只做 1 组 。 3 ． 1 ． 1 频率响应实验 在不同频率的正弦信号作用下 ，实验所测得的 电 一机械转换器频率响应如图5所示。可以看出该 电 一机械转换器，在低频段能很好地跟随输入信号运 动，在高频段也具有良好的频率响应。根据测得数据 所绘制的频率特性曲线 ，如图6所示，该电一机械转 换器在 一 3 d B 、 一 9 0 。 处 的频 宽约为 1 2 0 H z 。 1 ∞0 墨一 1 8 一2 g 一 3 一4 ．5 0 0． 4 0． 8 I． 2 1． 6 2 t l s a ． 户1 Hz 2 1 一 0 ∞ -1 ．2 入 出 0 0． 04 0． 08 0 ． 12 0． 1 6 0． 2 t l s b f 1 0Hz 0 4 8 12 1 6 20 t l m s c 产 1 0 0 Hz 图5 不同频率下电 一 0 4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 f 1 H z a 幅频特性 0 4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 H z b 相频特性 图6 电 一机械转换器频率特性 3 ． 1 ． 2 阶跃 响应 实验 将混合式两相步进电机安 装在 2 D数字伺 服阀 上 ，在空载情况下输入幅值为最大阀开 口的阶跃信 号 ，电 一 机械转换器 的阶跃 响应如图 7所示 。表 1 为 分别从 9个 2 D伺服阀测得的电 一机械转换器的阶跃 响应上升时间，其上升时间平均值为 6 ． 9 m s 。 l 0 8 6 o 4 2 0 0 0 ． 1 0 ． 2 0 ． 3 0 ． 4 t l s 图7 7号阀电机械转换器阶跃响应 表 1 电 一机械转换器阶跃响应上升时间 阀号1 号 2号 3号 4号 5号 6号 7号 8号 9号 平均 上升时 6 ．9 6 ． 0 6 ． 1 6 ． 5 7 ． 7 6 ． 6 6 ． 7 7 ． 5 7 ． 7 6 ． 9 间／ ms 3 ． 2 2 D数字伺服 阀的动态特性 实验 实验时，信号发生器输出所需信号给2 D数字阀 控制器，经嵌入式控制器运算处理后由 D S P输出 4 路 P WM 波形控制 混合式两相 步进 电机旋 转 ，再通 过 齿轮机构驱动阀芯转动，伺服螺旋机构又将阀芯转动 转化为阀芯的轴向移动，然后由激光传感器测出阀芯 位移后传给示波器记录，示波器又同时记录信号发生 器所产生的输出信号。 3 ． 2 ． I 频率响应实验 在不同频率正弦信号作用下 ，实验所测得 的2 D 伺服阀 7号的阀芯位移输出如图 8所示，其幅频 特性如图9所示。可以看出2 D伺服阀在低频段具 有良好的跟踪特性，这与实测的电 一 机械转换器特性 一 致；在高频段 2 D伺服阀也具有 良好 的频率响应 ， 频宽比电一机械转换器的低一些。表2为分别在 9个 2 D伺服阀上测得的对应 一 3 d B时的频率值。 0． 2 0 ． 1 昌 目 O -0． 1 ．0． 2 0 0． 4 0． 8 1． 2 1． 6 2 t l s a f lHz 0 1 5 0 ． 1 目 0 0 5 曼0 J -o ． 0 5 0． 1 0． 15 O ． 2 0． 1 昌 昌0 、 ．0 ． 1 0． 2 0 0 ． 0 4 0 ． 0 8 0 ． 1 2 0 ． 1 6 0 ． 2 t l s b f 1 0Hz 0 4 8 1 2 1 6 2 0 t l ms c 产 1 0 0 Hz 入 出 图 8 7号阀在不同频率下的阀芯位移输出 4 机床 与液 压 第 4 1 卷 2 笔 0 、 量 。 一 一6 在幅值为最大阀开 口 。 。 的阶跃信号作用下 ，2 D伺0 ． 6 服 阀 7号 的 阶跃 响应 o ． 4 如图 1 0所示。表 3为分别 o ．2 从9个 2 D伺服阀测得的阀 【 2 】易际研， 李胜， 阮健． 2 D数字伺服阀的频率特性研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 1 6 7 7 0 ． 【 3 】骆涵秀， 李世伦， 朱捷， 等． 机电控制[ M] ． 杭州 浙江大 学出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 4 】李胜， 阮健， 孟彬． 2 D数字伺服阀频率特性研究 [ J ] ． 中 国机械工程 ， 2 0 1 1 ， 2 2 2 2 1 5 2 1 9 ． 【 5 】R U A N J ， B U R T O N R， U K R A I N E T Z P ． A n I n v e s t i g a t i o n i n t o t h e C h a r a c t e r i s t i c s o f a T wo Di me n s i o n a l“ 2 D” F l o w C o n t r o l V al v e [ J ] ． J o u r n al o f D y n a m i c S y s t e ms ， Me a s u r e m e n t ， 2 0 0 2 ， 1 2 4 1 2 1 4 2 2 0 ． 【 6 】 阮健． 电液 气 直接数字控制技术[ M] ． 杭州 浙江大 学出版社， 2 0 0 0 ． 【 7 】 邹正佳， 李胜， 阮健， 等． 2 D数字伺服阀的动态特性试验 研究[ J ] ． 浙江工业大学学报， 2 0 1 1 ， 3 9 4 4 2 9 4 3 2 ． 【 8 】 李胜． 2 D伺服阀数字控制的关键技术的研究 [ D ] ． 杭 州 浙江工业大学 ， 2 0 1 1 ． 上接第 2 2页 4 结论 主轴结构的一阶固有频率为 2 0 2 ． 5 4 H z ，高于主 轴旋转的激振频率，所以主轴的动态性能满足要求， 通过模态分析可 以分辨 出结构动刚度的薄 弱环节 。对 于该型号镗铣床主轴，前两阶振型为电机的上下摆 动 ，因此其螺母与减速器连接及减速器螺母 与联 轴器 连接为动刚度薄弱环节 ，在进行优化设计时需要着重 考虑，尤其要注意电机的固定。3 、4阶振型为主轴 摆动和扭转，由于主轴前端位移会对加工精度产生很 大影 响响 ，因此在进行结构改进和优化设计 时 ，同样 需要着重考虑这两个方面 的问题 。 参考文献 【 1 】 于兆勤， 方富． 陶瓷滚动轴承在高速主轴单元中的应用 [ J ] ． 中国机械工程， 1 9 9 6 ， 7 1 6 46 6 ． 【 2 】 丁长安， 常瑁， 黎贵华． 支撑轴承对高速主轴系统特性的 影响[ J ] ． 轴承， 2 0 0 7 5 1 61 8 ． 【 3 】 戴曙． 机床滚动轴承应用手册[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 9 3 1 6 51 6 8 ． 【 4 】 F A G轴承样本手册[ M] ， 2 0 1 1 8 5 8 9 ． 【 5 】 郭策． 高速高精度数控车床主轴系统的动态与热态特性 研究[ D] ． 南京 东南大学， 2 0 0 3 4 4 5 6 ． 【 6 】 李为民， 王海涛． 轴向定位预紧轴承刚度计算[ J ] ． 河北 工业大学学报， 2 0 0 1 2 1 51 9 ． 【 7 】 王学林 ， 徐岷， 胡于进． 机床模态特性的有限元 分析 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 5 2 4 8 5 0 ． 【 8 】K A N G Y， C H A N G Y P ， T S A I J W， e t a 1 ． I n t e g r a t e d“ C A E ” S t r a t e e s f o r t h e D e s i g n of Ma c h i n e T o o l S p i n d l e b e a r i n g S y s t e m s [ J ] ． F i n i t e E l e m e n t s i n A n a l y s i s a n d D e s i g n ， 2 0 0 1 ， 3 7 6 ／ 7 4 8 5 5 1 1 ． 0 旦 性 加 挣兰 里 0一 。圈 仆 亟 嫉