正开口2D数字伺服阀动态特性实验研究

２０１３年６月　第４ｌ卷第１１期　机床与液压　

ＭＡＣＨＩＮＥ　ＴＯ０Ｌ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ　Ｊｕｎｅ　２０１３　

Ｖｏｌ＿４１　Ｎｏ．１１　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１３．１１．００１　正开口２Ｄ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３１００１４）　

摘要：为了检验２Ｄ数字伺服阀的加工一致性，分析２Ｄ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２Ｄ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　ｄＢ、一９０。处　频宽约为１２０　Ｈｚ，阶跃响应上升时间约为７　ｍｓ；在幅值２５％的最大阀开口的正弦信号输入下，９个正开口２Ｄ数字伺服阀　对应一３　ｄＢ的频宽平均约为８０　Ｈｚ，最高可达１４１　Ｈｚ，其阶跃响应上升时间平均约为８．６　ｍｓ，最快５．３　ｍｓ。实验结果表明：　正开口２Ｄ数字伺服阀及其电机械转换器具有良好的动态特性，并且２Ｄ数字伺服阀具有良好的加工一致性。　关键词：正开口２Ｄ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：ＴＨ１３７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３８８１（２０１３）１１—００１～４　

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｏｐｅｎ　Ｃｅｎｔｅｒ　２Ｄ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｅｒｖｏｖａｌｖｅｓ　ＬＶ　Ｍｉｎｊｉａｎ，ＲＵＡＮ　Ｊｉａｎ，ＺＵＯ　Ｑｉａｎｇ，ＳＨＩ　Ｍｅｎｇ，ＬＩ　Ｗｅｉ　（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｐｕｒｐｏｓｅ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　３　１００１４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ａｓｓｅｓｓ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　２Ｄ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｅｌ＇ｖｏｖａｌｖｅ，ｉｔｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｏｎ　ｔｈｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｓｔｅｐ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｎｉｎｅ　２Ｄ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｏｐｅｎ　ｃｅｎｔｅｒ　ｓｅｒｖｏｖａｌｖｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ：ｔｈｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ　ｉｓ　ａｐ—　ｐｒｏｘｉｍａｔｅ　１２０　Ｈｚ　ａｔ一３　ｄＢ　ａｎｄ一９０。，ａｎｄ　ｉｔｓ　ｒｉｓｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｉｓ　ａｂｏｕｔ　７　ｍｓ；ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｉｎｅ　２Ｄ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｏｐｅｎ　ｃｅｎｔｅｒ　ｓｅｒｖｏｖａｌｖｅｓ　ｉｓ　ａｂｏｕｔ　８０　Ｈｚ，ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｉｓ　１４１　Ｈｚ　ａｔ一３　ｄＢ　ｇａｉｎ　ｆｏｒ　２５％ｉｎｐｕｔ　ｓｉｇｎａｌ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｒｉｓｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｉｓ　ａｂｏｕｔ　８．６　ｍｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｉｓ　５．３　ｍｓ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　２Ｄ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｅｒｖｏｖａｌｖｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ　ｈａｖｅ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　２Ｄ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｅｒｖｏｖａｌｖｅｓ　ｈａｖｅ　ｇｏｏｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：２Ｄ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｏｐｅｎ　ｃｅｎｔｅｒ　ｓｅｒｖｏｖａｌｖｅｓ；Ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｏｎｖｅｎｅｒ；Ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａ－　ｔｉｏｎ　

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。２Ｄ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ＤＳＰ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，２Ｄ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２Ｄ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　２Ｄ数字伺服阀结构与工作原理　实验所采用的２Ｄ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：２０１２—０５—０４　’　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０９７５２５８）；浙江大学流体传动与控制国家重点实验室资助项目（ＧＺＫＦ一　２００８００５）　作者简介：吕敏健（１９８７一），男，硕士研究生，主要研究方向为电液控制。Ｅ—ｍａｉｌ：ｌａｎｇｘｘ２４１ｖｍｊ＠１６３．ｃｏｒｎ。　・２・　机床与液压　第４１卷　机构　

图１　２Ｄ数字伺服阀示意图　１．１　２Ｄ伺服阀　２Ｄ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２Ｄ伺　服阀　。　敏感腔高压孔　阀芯　

图２　２Ｄ数字伺服阀伺服螺旋机构原理图　１．２　电机械转换器　２１３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５０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　９０。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　２Ｄ数字伺服阀动态特性实验系统　２Ｄ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２Ｄ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、２Ｄ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２１３伺服阀为正开口，通径为　１２．５　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　２Ｄ数字伺服阀动态特性实验研究　为全面测试２Ｄ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２５％　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２１３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２Ｄ数字伺服阀的阶跃特性。　实验中测试了９个２Ｄ数字伺服阀（正开口）及其　电一机械转换器。　第１１期　吕敏健等：正开口２Ｄ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２Ｄ数字阀控制器，经嵌人式　控制器运算处理后由ＤＳＰ输出４路ＰＷＭ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２Ｄ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２Ｄ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　ｄＢ、一９０。处的频宽约为１２０　Ｈｚ。　１　∞０　墨一１　８　一２　ｇ一３　一４　．５　０　０．４　０．８　Ｉ．２　１．６　２　ｔｌｓ　（ａ）．户１　Ｈｚ　２　１　一　０　∞　－１　．２　入　出　０　０．０４　０．０８　０．１２　０．１６　０．２　ｔｌｓ　（ｂ）ｆ＝１０Ｈｚ　０　４　８　１２　１６　２０　ｔｌｍｓ　（ｃ）产１００　Ｈｚ　图５不同频率下电一　０　４０　８０　１２０　１６０　ｆ１Ｈｚ　（ａ）幅频特性　０　４０　８０　１２０　１６０　Ｈｚ　（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２Ｄ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２Ｄ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　ｍｓ。　ｌ０　８　—６　ｏ　４　２　０　０　０．１　０．２　０．３　０．４　ｔｌｓ　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　２Ｄ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２Ｄ数字阀　控制器，经嵌入式控制器运算处理后由ＤＳＰ输出４　路ＰＷＭ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２Ｄ　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：２Ｄ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２Ｄ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　２Ｄ伺服阀上测得的对应一３　ｄＢ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　ｔｌｓ　（ａ）ｆ＝ｌＨｚ　０・１５　０．１　目０・０５　曼０　Ｊ－ｏ．０５　—０．１　—０．１５　Ｏ．２　０．１　昌　昌０　、