（机械电子工程专业论文）基于虚拟器的电液伺服阀的静态性能测试.pdf

本人郑 测试是本 明引用的内 对本文的研宄做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：是丝n 年i 月匕日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留井向中国科学信息研究所、中国优秀博碗士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名： 煌进l 年土月垃一日 师瓣年j 月二各 摘要 本文研究的主要内窑是对电液伺服控制系统中的关键元件一电液伺服阀进行特性 测试。 在本文中我们在1 3 3 厂原有的液压试验台液压回路的基础上，重点对伺服阀的 静态特性进行了分析，确定了测试方法，结合虚拟仪器与c a t 技术研制出一套基于 虚拟仪器的伺服阀静态特性自动化测试系统，取代了原有的手工测试系统，使新试验 台具有操作简单，体积小集成度高，通用性等特点。 在本测试系统中，测试的主要项目包括有伺服阀的压力，空载流量、内泄漏及分 辨率等静态特性测试。在试验台改造过程中，涉及的研究内容主要有虚拟仪器的设计、 数据采集、数据分析处理、信号控制、液压伺服控制、硬件搭配、机械加工等，其中 针对整个测试系统测试精度的基础一压控电流源进行了重点研究。 在测试系统中系统软件采用w i n d o w s x p 操作系统，应用软件采用虚拟仪器编程 软件l a b v l e w 2 0 0 9 。用虚拟仪器结合数据采集卡实现了信号输出，数据采集显示等功 能，取代了信号发生器、以及一些仪器仪表降低了成本，缩短了开发时间。 关键词：l a b v l e wc a t 电液伺服阀静态特性电流源 a b s t r a c t t h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e l ov a l v ei st h ek e yp a r to f t h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o l s y s t e m i n t h i sp a p e r ，i nt h eh y d r a u l i cc i r c u i t sw i t ho r i g i n a lh y d r a u l i ct e s tr i go fl3 3 w ed o a n a l y z e de m p h a s i so ns e r v ov a l v es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c d e t e r m i n e t h e t e s t i n g m e t h o d ，u s i n g t h ev i r t u a li n s t r m n e n tt e c h n o l o g yw i t hc a t d e v e l o p e das e f r ov a l v es t a t i cc h a r a c t e r i s t i cl e s t a u t o m a t i o ns y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t ，m a k en e wt e s tr i gh a sc h a r a c t e r i z e db y s i m p l eo p e r a t i o n - s m a l ls i z e h i g hl e v e lo f i n t e g r a t i o n ，g e n e r a l i t y ，e t c w eh a v em a i n l yt e s t e ds e r v ov a l v e sp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c s t c h a r a c t e r i s t i c so ff l o w ， a n di n t e r n a ll e a k a g ef e a t u r e si nt h i sp a p e r t h ec a ts y s t e md e v e l o p m e n tp r o c e s si n v o l v i n g t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，t h es i g n a lc o n t r o la n dv i r t u a li n s t r u m e n te t c ，w h i c h a i m e da ts i g n a lc o n t r o lp a r to ft h ev o l t a g ec o n t r o l l e dc u r r e n ts o u r c e t b e c a u s ei t sp r e c i s i o n c h a r a c t e r i s t i c sa l et h ef o u n d a t i o no f t e s t e ds y s t e m i i lt h et e s ts y s t e m ，s y s t e ms o f t w a r eu s i n gw i n d o w s x po p e r a t i n gs y s t e m ，a p p l i c a t i o n s o f t w a r eu s i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ep r o g r a m m i n g l a b v l e w 2 0 0 9c o m b i n e d v i r t u a l i n s t r t u n e n t w i t hd a t a a c q u i s i t i o nc a r dr e a l i z e ds i g n a lo u t p u td a t a c o l l e c t i o ns h o w ，a n d o t h e rf 1 i n a t i o n s ，r e p l a c e dt h es i g n a lg e n e r a t o r ，a n ds o m ei n s t r u m e n t s ，r e d u c e dc o s t - s h o r t e n t h ed e v e l o p m e n tt i m e k e y w a r d s ：l a b v i e w c o m p u t e r - a i d e dt e s t e l e c t r o h y d r a u l i cs e i , v o v a l v e s t a t i c c h a r a c t e r i s t ；cc u r r e n ts o i l i 陀e 目录 摘要 a b s t r a c t e j录1 第一章绪论 1 课题研究的目的与意义1 2 电液伺服阍测试技术国内外现状1 12 l 传统手工测试方法2 l2 2p c 机辅助测试( c o m p u t e r a i d e d t e s t 简称c a t ) 3 12 3 虚拟仪器酒4 试方法 5 3 主要研究内容 一 6 第二章电液伺服阀静态特性分析及测试方法 2 1 电液伺服阀静态特性分析 8 8 2 1 1 负载流量特性 9 2 12 空载流量特性 一1 0 2 13 压力特性1 l 2 14 内泄漏特性 2 15 分辨率特性一 1 2 2 2 电液伺服阀静态特性测试方案 1 2 2 2 1 静态特性测试方法的确定一1 3 2 2 2 静态特性测试系统方案的确定 2 3 本章小结 第三章静态特性测试系统硬件系统结构设计 】6 3 1 静态特性测试系统液压结构 1 6 3 2 静态特性测控单元结构 1 7 3 2 l 信号控制部分 3 22 信号传感部分2 8 323 信号采集部分 3 1 3 2 4 信号处理部分 3 3 3 25 附件 3 3 静态特性测试系统抗干扰 3 3 1 干扰产生的机理分析 3 32 抗干扰的解决措施 一 3 4 本章小结 第四章静态特性测试系统软件系统结构设计 3 8 4 1 静态性能测试系统软件结构 3 8 4 1 1 压力特性测试模块3 9 4 1 2 空载流量特性测试模块 3 9 4 1 3 分辨率特性测试模块4 0 4 1 4 内泄漏特性测试模块4 0 42 用l a b v i e w 进行数据处理与分析 4 0 42 1 多功能信号发生器 4 1 422 模拟信号采集4 1 423 脉冲信号采集4 2 424 内存管理 一4 3 4 25 曲线拟合 4 26 数字滤波 抖 44 4 27 频谱分析， 4 5 4 28 宙函数 一 4 5 4 3 程序发布 4 5 4 4 本章小结 第五章电液伺服阀静态特性试验4 8 4 8 5 1 压控电流源的检验 5 2 电液伺服阀的静态性能测试5 0 5 2 1 电液伺服阀的标准试验条件5 0 5 2 2 电液伺服闽的静态特性测试实验结果与分析5 0 5 3 测试系统精度与误差分析5 4 5 4 本章小结 5 5 第六章总结与展望5 6 6 l 课题总结 5 6 62 展望 5 6 致谢5 8 参考文献s 9 附录6 1 第一毒绪论 11 课题研究的目的与意义 本课题源于中国工业长春航空液压控制有限公司( 1 3 3 厂) 委托的关于m s y - 1 2 伺服阀试验测试台的改造项目。 电液伺服控制系统具有精度高、体积小、控制功率大等特点，广泛应用于冶金机 械、航空航天、舰船和兵器工业等领域。而电液伺服阀是电液伺服控制系统的核心器 件，它是一种高性能、高精度的电液控制部件，主要实现电液信号之间的转换和功率 放大u i ，是保证电液伺服系统的控制精度、稳定性、可靠性的重要因素之一。其正确 使用与否将影响整个系统性能的工作可靠性和寿命。因此对电液伺服阀的性能检测显 得尤为重要。而且电液伺服阀的测试不仅是设计和制造电液伺服阀的一个检验过程， 同时也是对测试对象的一个重新认识的过程，测试结果可作为设计和制造新阀的依据 。 1 ”厂经过对原有m s y - 1 2 伺服阀测试试验台的整理和检查，发现其中一部分功 能已不能正常使用，部分元件已经老化，而且在原试验台中，采用传统的手工测试方 法，使用x y 记录仪根据测试数据绘制出相应的特性曲线，然后在特性曲线上手工进 行测量，计算得出相应的实验结果。近年来由于伺服阀制造工艺的改进以及伺服阀需 求量的不断增加，该试验台已经不能满足新产品的性能测试要求。故需对其在原基础 上进行改造，使其能适应新的测试要求。原m s y - 1 2 电液伺服阀特性测试试验台操作 平台见附录一。 本课题旨在原有伺服阀试验台的基础上，引入p c 机辅助测试技术，结合虚拟仪 器( l a b v i e w ) 技术对原测试台进行改造，实现铡试过程的自动化。在新的测试试验台 中要充分发挥c a t 技术的特点，在提高测试效率，保证实验结果精度的一致性的前 提下，使试验台具有高集成度、操作方便、易于维护与升级等特点。因此，本课题将 在液压c a t 技术的基础上提出和组建一种基于虚拟仪器的电液伺服阀性能测试系 统在现阶段本课题立足国内，开发的试验台具有较高性能、较低成本、实用性强 等优势，具有很强的现实意义。 1 2 电液伺服阀测试技术国内外现状 在电液伺服阀生产和使用过程中必须按国标规范对电液伺服阀进行静、动态特 性测试。目前，电液伺服阀性能测试试验台主要有两种类型：一种是传统的手工测试、 记录类型；另一种是p c 机辅助测试( c o m p u t e r a i d e dt e s t 简称c a t ) 类型。 国外，早在二十世纪六十年代中期，就有许多液压公司开始了液压c a t 技术的研 究。在许多技术先进的国家伺服阀的制造已形成专业化生产规模并以批量生产的 形式供应，其测试技术己选到很高的自动化程度。美国联合工业公司( u i c ) 的下属 公司a a i a c l t o ：l l i i o l o g i e s 公司有掖压元件测试系统的系列化产品，目前可获知其最 新伺服阀测试系统为s e r v ov a l v et e s ts y s t e mm o d e l 9 7 4 0s e r i e s 。国外对伺服阀测试系 统的另一研究方向是便携式测试系统。这种便携式测试系统可使用伺服阎工作的液压 系统的油源来完成性能检测工作，适合于电液伺服阀现场的故障检测_ _ i = 作圈i1 为 m o o g 公司提供的便携式的测量设备。 图i 1 便捷伺服阀测试装置 国内，c a t 技术在液压系统i 9 9 试中的应用已经十分广泛。我国从七十年代后期就 开始了液压泵、马达和液压阀的c a t 技术的应用研宄，上海工业大学、北京工业学院 上海煤机所、中船7 0 4 所等很多单位都进行过这方面的研究。浙江大学在八十年代中 后期开始液压c a t 方面的研究，使用a p p l e 型微机开发了一套通用液压元件的c a i 测试系统到了九十年代，又在w m d o w s 平台上开发出s d t h 液压元件c a t 测试系 统。宝钢公司设备部上海检修公司与北京理工大学自控系合作，对电液伺服阀静动态 特性试验台实施微机化改造，太大减少了离线梭验的时间；鞍山自动化研究所设计了 一套伺服阀的c a t 装置。 i 2 i 传统手工测试方法 传统手工测试系统一般采用信号发生器、电液伺服阀控制器、x y 函数记录仪、 示波器、液压马达、压力传感器及测速发电机等来实现的，不仅测试成本高、结构复 杂而且测试时结果受人为因素影响较大，测试精度偏低。 1 传统手工测试电液伺服阀静态特性的主要仪器及作用如下： 1 ) 超低频信号发生仪：产生给定的电压信号，提供给电液伺服阔拄制嚣及x y 记录仪的输入端。 2 ) 电液伺服阀控制器：将超低频信号发生仪输入的电压信号成比例的转换成相 应的电流信号提供给电液伺服阀，从而控制电液伺服阀的状态。它既是一 个v n 转换器又是一个功率放大器。 3 ) x y 记录仪：接收超低频信号发生仪及测速发电机和压力传感器的电压信号 并绘出电液伺服婀的静态特性曲线。液压马达及测速发电机的作用是将液压 流量信号成比例的转换成电压信号输出给x y 记录仪的y 输入端。压力传感 器的作用是将压力信号成比例的转换成电压信号输出x - y 记录仪的y 输入 端。 2 传统手工琅0 试电液伺服阀静态特性的测试系统组成及原理图 田l2 测试系统组成，原理圈 3 实验特点 1 ) 实验系统的电控部分为模拟量控制系统，即测量系统中的控制、测量信号为 模拟、连续的电信号。 2 ) 实验系统对电液伺服阀特性的测量只能由x y 记录仪来绘制曲线，对测试结 果不能采集，不能进行数据处理、分析只能通过人工测量x y 记录仪绘制 的曲来完成，效率低、准确性差。 3 ) 该实验测试系统使用仪器较多，且多为模拟信号仪器因而故障点多，抗干 扰、漂移能力差，测量精度低ii 。 1 2 2p c 机辅助测试( e o m p u t e r a i d e dt e s t 简称c a t ) 自从p c 机应用于工业系统以来，电液伺服问的性能测试设备有专用测试系统和 通用测试系统两种专用系统测试精度比较高，但功能比较单一，辅助设备较多，整 体价格比较昂贵一般用于生产厂家。通用测试系统又分为两种：一是以测试总线仪 器为主的测试系统，二是由p c 机组成的p c 机辅助测试系统( c a t ) 。 随着p c 机硬件与软件技术的飞速发展，液压c a t 技术正在走向多样化、高效率、 高自动他与网络化的发展方向，已经成为液压测试系统开发的首选技术。 在硬件上，原始的c a t 系统一般采用单片机作为系统的主机。随着p c 机的发展 与普及现在一般采用p c 机作为系统主机或者采用p c 机进行数据处理，采用单片 机控制执行的模式。在测试系统中，p c 机凭其不断提高的c p u 速度，不断提高对实 验数据的处理能力远远超过了单片机的能力。满足了日新月异的科学技术发展的要 求。 在软件上，c a t 系统中的软件分为系统软件和应用软件。在现代p c 机中，一般 采用w i n d o w 2 0 0 0 、w i n d o wx p 、m i c r o s o f tw i n d o w sv i s t a 以及最新的w i n d o w ss e v e n 操作系统。比起早期的d o s 操作系统。w i n d o w s 操作系统使用图形用户接口，使测 试系统的界面更直观。w m d o w s 操作系统采用多任务与多线程的运行模式，而且现在 的p c 机的c p u 已经发展到通用双核，相当一部分已经使用了四核c p u 。所以在系统 运行时，将不同的任务分配到不同的线程上使其同时高述运行，不存在相互干扰问 题使过去困扰测试系统的程序运行忙、等待时间长，数据处理慢等问题不复存在。 在应用软件方面，原始的c a t 系统中，使用单片机做主机所以使用汇编语言编写软 件。在使用p c 机取代单片机后就不再单纯的使用汇编浯言了，起初采用汇编语言 和高级语言混合编程，后来采用d e l p h i 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等可视化编程语言 环境进行编程。比起汇编语言来，这些新的编程方式更简单、方便。大大缩短了编程 时间。但随着软件技术的发展新的图形化编程软件的出现，如l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 、v e e 等，颠短了传统的编程思维模式。图形化编程模式中不再有具体 的命令，而是将不同的功能打包成模块，然后用线条把不同的模块连接起来实现所 需的功能，这种模式通俗易懂，容易上手，不需要专门学习- - t 1 编程语言。就可从事 测试软件的开发，大大节约了编程所用的时间m 。液压c a t 技术的发展主要经过了一 下4 个历程。 1 二次仪表+ 单片机+ 汇编语言 图l3 采用单片机的液压c a t 这是液压c a t 原始模式。在该系统中，采用单片机作为系统主机只能使用汇编 语言，而且单片机内存小、数据处理能力低、可控外设少。使用的二次仪表传输数据 慢只能起到显示的作用。这些缺点都限制了该模式在液压测试系统中的应用。如图 13 所示。 2 二次仪表+ 专用输入接口+ p c 机系统+ 高级语言 这种模式比起第一种来，有了报大的进步。采用p c 机取代单片机，有更大的内 存，提高了数据处理能力增加了可控外设，不再单一的只能使用汇编语言，可以使 用高级语言进行软件开发。虽然增加了成本，但功能大大的提高了。如图1 4 所示。 圈i4 采用专用接口的液压c a t 3 二次仪表+ 通用输入接口+ p c 机系统+ 高级语言 田i - 5 采用通用接口的液压c a t 这种模式在第二种模式的基础上引入了通用接口取代了原来的专用接口，使各 测试仪器与p c 机之间更容易连接，使系统的灵活性、通用性、实用性得到了增强。 4 如图1 5 所示。 4 兼有试验数据采集和p c 机控制功能的微机系统 这种模式不仅可以完成测试功能，还能对液压系统中相关参数如压力、流量、箍 度，电流等进行调控，实现真正意义上的自动化测试。为了实现p c 机控制，在液压 系统中必颁有相应的控制执行器，以及控制执行器与p c 机相连接的接口。这种模式 是目前液压c a t 系统中的通用模式h 。如图16 所示。 图i 6 具有试验数据采集和控制功能的液压c a t 系统 1 2 3 虚拟仪器测试方法 自从2 0 世纪七十年代，美国n a t i o n a l i n s t r u m e n t s 公司首先提出虚拟仪器的概念， 到今天己经有接近三十年。虚拟仪器随着p c 机技术以及因特网的发展以其独特的 魅力在大多数测试研宄中成为工程师们和科学家的首选。使用虚拟仪器进行测试软件 的开发，可以达到减少开发时间、降低成本等目的，而且通过互联网可以根方便的 进行远程控制与交流叫。这些都是传统的测试仪器所不能具有的。 同其它的测试技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势；1 扩展性强：2 开发时间少； 3 无缝集成：4 高性能旧n l 。虚拟仪器在电液伺服阀特性测试中的应用如下： 1 虚拟仪器的软件构成框图 图 虚拟仪器系统的软件构成框图 2 虚拟仪器技术的实验特点： i ) 实验系统的控制测量部分为数字量一模拟量混合系统即p c 机输出及接收的 为数字信号其它为模拟信号。 2 1 采用p c 机进行测量可以对测试结果进行采集、存储，从而可进行进一步分析， 井可重复使用这些数据。 3 ) p c 机可按照要求对电澈伺服阐的特性测试数据进行自动分析，处理，并显示 结果，大大提高了效率及准确程度。 4 ) 与手工测试相比不需要超低频信号发生仪段x y 记录仪等测试仪器，节省了 仪器减少了故障点。由于采用数字量控制，增加了抗干扰能力，测量精度 5 大大提高。 5 ) 由于采用p c 机进行信号的输入、输出及处理使得控制非常灵活、方便、可 靠、准确。并可随时方便的更改实验方式，增减实验项目】。 13 主要研究内容 本课题旨在原有伺服阀试验台的基础l 引入p c 机辅助测试( c a t ) 技术实 现电液伺服阀测试过程的自动化，提高伺服阀测试的效率增加实验结果精度的一致 性r 使试验台具有操作简单，体积小，集成度高，通用性等特点。与液压c a t 密切相 关的测控仪器其发展经历了模拟仪器、带g p i b 接口的智能仪器到全部可编程的虚 拟仪器( v 1 ) 的历程。虚拟仪器采用图形编程语言l a b v i e w ，将l a b v i e w 应用到电 液伺服阀c a t 系统中，可咀简化测试系统、提高测试系统的开发效率、增强系统的可 扩展性、大大降氐实验成本。因此，在本文中针对伺服闵特性测试系统主要对虚拟 软件的开发、测试原理与方法的分析、试验台硬件的搭建等内容进行了研字己与开发。 首先，在本测试系统中将使用虚拟仪器代替模拟信号源，用l a b v i e w 编程实 现虚拟信号发生器，配以相应的数据采集卡及相关电路研制出一台压控电流源用来取 代超低频信号发生器及伺服阀控制器的功能。在本测试系统中，该压控电流源输入的 电压信号由虚拟仪器( l a b v i e w ) 与数据采集卡的动态d a 结合的虚拟信号发生器来 实现的，要具有超低频、大功率、高精度等性能。具体要求如下： 1 波形：需要实现要求的四种波形：三角波、正三角波、正弦波、方波。当测试 系统需要扩展功能，测试阎需要更多种类激励信号时。这一点由虚拟仪器( l a b v i e w ) 结台数据采集卡的动态d a 来实现。 2 频率：虚拟信号发生器产生的波形要由数据采集卡来实现。根据信号频率00 l h z - 1 0 0 h z 要求选择相应位数与采集速率的数据采集卡，在确保实现频率要求的同时也 要保证允许测试系统升级扩展功能。 3 幅值：为保证激励信号幅值调整时的精确度，将其分为五档：0 士2 0 m a 、0 4 0 m a 、o 1 0 0 m a 、0 2 5 0 m a 、0 士5 0 0 m a 。在设计时将信号幅值扩展l 3 i n ， 在信号加偏置电流后幅值超出该档时错档使用，即可保证信号的正常输出。 4 电压：该电流源要求输出信号电压在1 5 v 以内。电流源输出信号的幅值与电压 均有自行设计的功率放大电路来保证。 5 线性度：要求信号的线性度在1 以内。由数据采集卡及功放来保证。 6 信号零点起振：要求信号0 点在o2 1 n 以内要结合电源误差功率放大 器的分辨率与精度数据采集卡位数考虑选取与设计相应硬件来实现。 其次完成对电液伺服阀静态特性测试方法的理论与测试指标的分析，根据测试 要求，选定衙妥的相关硬件。考虑到现场环境比较复杂，存在各种干扰所选硬件必 须具备抗干扰等特点。同时采取相关措施如屏蔽、模拟滤波、数字滤波等方法将这 些干扰信号衰减到最小t 提高系统测试精度，使的获得试验结果误差在允许范围以内。 6 最后，运用l a b v i e w 软件实现对硬件的控制涉及到多个硬件之间的兼容，多 个程序之间相互冲突等问题对测试数据的进行调理，分析处理、曲线绘制、数值分 析和计算、在性能眭线上直接读出性能指标并完成坝4 试曲线的保存、打印等功能。 ， 赫 第二章电液伺服阀静态特性分析及测试方法 电液伺服阀是伺服控制系统中非常关键的组件，在伺服控制系统的设计和研制中 也往往是注意的焦点：电液伺服系统运行出现异常时，也往往与作为系统中关键控制 元件的电液伺服阀的状态有关。因此电液伺服阀的定期测试和调整是一项确保电液伺 服控制系统安全可靠运行的必不可少的措施和手段。电液伺服阀出厂前须进行严格的 榆测，以确保产品的质量。所以，在电液伺服阀生产和使用过程中按国标规范必须 对电液伺服阀进行静、动态特性测试c li 。 21 电液伺服阀静态特性分析 在工程应用中使用的伺服阀大致可分为三大类：电液伺服阀、机液伺服阀、气 液伺服阀。其中又以电液伺服阀的应用最为广泛。本课题中测试针对的对象就是电液 伺服阃。 电液伺服阀，顾名恩义“电液”指出了在使用过程中的能量转换过程。其功能可 大致归纳为将小功率的模拟电子信号经过功率放大，转换成大功率的液压能，实现对 液压系统中的位移、速度，加速度或转速、角速度、角加速度的控制，其大小、极性、 速度响应都随着输入模拟电子信号的变化而变化。 表2 - 1 电液伺服阀主要性能 伺服阀的工作性能伺服阗试验项目伺服阀特性曲线伺服阔性稚指标 静态特性负载流量特性负载流量特性曲线压力增益、极性 压力特性压力特性曲线压力增盏、 空载流量特性空载流量特性曲线滞环、线性度、对称度 重叠、零偏、额定流量 内泄漏特性内泄漏特性曲线内泄据 分辨章特性分辨率特性曲线分辨牢 动态特性频率响应 频率响应曲线频宽 所跃响应阶跃响应曲鳃 响应时间 零位特性霉偏零位偏稃 霉漂供油压力霉耀曲线 回油压力零漂曲线 油温零漂曲线 零点的罔值与分辨率零点的阀值与分辨率 因实验设备限制，在本文中主要进行的是电液伺服阀的静态特性测试的研究。静 态特性包括有负载流量特性、压力特性、空载流量特性、内泄漏特性与分辨率特性。 静态特性测试就是在得出这几条特性曲线的基础上t ，得到如表2 - i 所示的一系列的 静态参数。下面就这五种特性进行原理分析。 2 1 1 负载流量特性 电液伺服阀在正常工作情况下输入的控制电流信号与输出的负载压降、流量之 间的关系曲线，称为负载流量曲线。从负载流量曲线可以得所有的伺服阀的静态特性。 但是在实际测试过程中，要想准确、完善的测得该曲线是报困难的，特别是要准确得 出伺服阀工作位置一零位附近的特性。在不同阀开口情况下可得一簇负载流量随负 载压差变化曲线，如图21 所示。通过这些曲线，可以用来选择与负载流量与负载压 降相匹配的伺服阀的型号。下面以力反馈二级伺服阀为例，通过特性方程的方式分析 其静态特性6 】。 在静态情况下，该伺服阀的传递函数为： 丑：z 丝一丝s e c r 。+ ，。m7 + 6 ) k ， 式中。伺服阀阀芯位移： ( 2 1 ) p 。伺服阀控制电流； 丘力矩马达的中位电磁力矩系数； k 。力矩马谜的放大器的放大倍数； r + 力矩马达线圈的内阻； 以力矩马达放大器的内阻； ，双喷嘴轴线和力矩马达衔铁轴线的距离： 6 双喷嘴轴线和滑阁轴线的距离； k ，反馈杆的刚度。 则力矩马达的静态平衡方程为： 2 k p h = ( 卫+ “) ( 22 ) 式中一伺服阀控制电流，由此可得在静态情况下有 耻高i 旺弘 将2 3 式代入21 即可求得伺服阀的压力流量特性方程 q l = c , w 高石卢“托 眩， 式中 p 供油压力： 只回油压力； 一一滑阃的面积梯度； c ，流量系数； 吼流量； p 油液密度； 流量的放大倍数 其中以= 百靠是伺服阀的滑阀位移对输入控制电流的增益且为定值 仉 惑 o 图2 j 负载流量特性曲线 2 1 2 空载流量特性 从伺服阀控制窗口输出的流量称为控制流量。负载压降为零时的控制流量，称空 载流量。负载流量不为零时的控制流量称负载流量。控制流量特性即控制流量对输入 电流关系的曲线。通常将空载流量随输入电流在正负额定电流之间作一完整循环的连 续曲线称空载流量特性曲线。如图2 2 所示是典型的空载流量特性曲线图。由表2 - 1 所示。在如图2 2 所示的特性曲线上要得出的性能指标包括有：霉偏、流量增益、对 称度、滞环、额定流量、非线性度等。 零偏：在空载流量为零的状态称为零位。零偏是指在忽略滞缓影响的条件下伺 服阍在处于零位时的控制电流值与额定电流比值的百分比，通常小于3 。 流量增益；在空载流量特性曲线图中，各点的流量增益是不同的，把流量曲线中 点的轨迹称为名义流量曲线。名义流量增益线指从名义流量曲线的零流量点指向两级 的直线中与名义流量曲线偏差娘小的直线该直线的斜率称为名义流量增益。 对称度；空载流量特性曲线两极性的名义流量增益之差与较大的 ；5 义流量增益的 比值称为对称度，反映的是两个流量曲线相一致的程度以百分比表示，小于1 0 。 滞环：在给伺服阀输入一个在正负额定电流之间变化的电流信号时，在一个循环 周期内，往返产生相同的控制流量对应的两个控制电流的差的最大值与额定电流的比 值称为滞环，以百分比表示。该值应小于5 。通常输入控制电流信号是低频三角波 信号，其循环速度要小于记录仪表的动态特性。一般取0 1 f z 以下。滞缓产生的原因 分两个方面；一是力矩马达磁路的磁滞影响的。磁滞回环的宽度会搬据输入信号变化 而变化。另一个原因足伺服阀中存在游隙，力矩马达中机械固定处的滑动、阀芯与阀 套间的摩擦力等都是造成游隙的原因，液压油中的杂物还会使游隙加大，影响伺服系 统的稳定。 额定流量：在阀压降为额定供油压力条件下对应于额定电流所规定的控制流量， 以升，分表示t 容差为1 0 。 额定漉量由拽 + l 瓤定电流 游j l 懈i 乡 瓤定电流 么 一 一攀 图2 2 空载流量特性曲线 线性度；名义流量曲线与其增益线的最大偏差与额定电流的比值称为线性度 映的是在在其他工作变量保持不变的情况下，名义流量曲线与其增益线的一致性 百分比表示一般应小于75 。 2 1 , 3 压力特性 压力特性是指将两个负载1 3 完全封闭 压降之间的函数关系曲线。由表2 - l 可知 益特性参数。 反 以 使输出流量为零时，输入控制电流与负载 我们应该在压力特性曲线图上得出压力增 压力增益：指压力特性曲线上某点或某段的斜率，通常压力增益规定为负载压降 与输入电流曲线在4 0 最大负载压降之间的斜率。压力增益能够反映该伺服阀所在伺 服系统的承载能力和系统剐度。规定压力增益为控制流量变化1 额定电流时负载压 降应超过3 0 额定供油压力。压力增益越大则系统的承裁能力越强、剐度越大。误 差相对也较小 ap l 纩 夕 0 i 。 图2 3 压力特性曲线 i j氍黼 l 先导妊泄耩赢量 i 图2 , 4 内泄漏特性曲线 2 1 4 内泄漏特性 内泄漏特性曲线指在额定供油压力的情况下关闭控制窗口，从回油窗口流出的 流量随输入电流变化的曲线，如图2 4 所示，需要从该特性曲线图得出内泄漏特性参 数。 内泄漏是指随着输入电流的改变对应的最大的流量值，通常应小于1 0 的额定 流量。内泄捅可以反映旧阀的磨损情况，还可以为新开发产品提供滑阀制造质量指标。 2 1 5 分辨率特性 分辨率指使阀的输出流量发生变化( 增加和减小) 所需的输入电流的最小变化值 ( 随输入电流大小和停留时间长短不同) 取其最大值与额定电流之比，以百分比表示， 称为分辨率。其特性曲线图与2 2 空载流量特性图相似。分辨率特性主要由伺服阀中 的静摩擦力引起的。 2 2 电液伺服阀静态特性测试方案 在本系统中，首先要根据箍要完成的测试项目，确定具体的测试方法。主要包括 静态特性中的空载流量特性测试，分辨率特性测试，压力特性测试、内泄漏特性测试。 1 2 然后根据测试方法的要求确定删试系统方案，措建起测试系统的结构，明确系统结 构中每个部分的任务使测试系统能够完成上述测试任务。 2 , 2 1 睁态特性测试方法的确定 1 ) 空载流量特性测试方法：给被测电液伺服阀一个周期的低频三角波电流信号， 同时测试这一个周期内的流量变化情况，流量是根据液压单元中的作动简的活塞位移 间接得到的采集到的数据经p c 机处理后的出空载流量特性曲线，由特性曲线得出 需要的特性参数。 2 ) 压力特性测试方法：按照试验标准，给被测伺服阈加载一个由零点起振，幅值 为被测伺服阀额定电流的低频三角波周期电流信号，同时通过压力传感器测试两个控 制窗口的压力p 1 、p 2 ，由p c 机计算出压差后，得出压力特性曲线由特性曲线得出 需要的特性参数。 3 ) 内泄漏特性测试方法：按照试验标准，给被测伺服阀加载一个由零点起振幅 值为被测伺服阀额定电流的低频三角波周期电流信号同时根据液压单元中的作动筒。 的活睾位移间接得到的流量数据经p c 机处理后得出内泄漏特性曲线由特性曲线 得出需要的特性参数。 4 ) 分辨率特性测试方法：按照试验标准，给被测伺服阁加载一个由零点起振幅 值为被测伺服阀0l 倍额定电流的低频三角波周期电流信号同时根据液压单元中的 作动筒的话塞位移间接得到的流量数据经p c 机处理后得出分辨率特性曲线由特 性胁线得出需要的特性参数。 # # 口”k = 爿 r # 目* 图2 , 5 测试最统方案 2 2 2 静态特性测试系统方案的确定 本测试系统硬件由液压试验单元和测控单元组成液压试验单元主要功能包括建 立液压恒压油源，对被测电液伺服阀进行加载，实现各个静态特性测试之问的油路切 换，以及静动态测试之间的油路切换。测控单元按功能可分为四个部分：信号控制部 分、信号传感部分、信号采集部分、信号处理部分。如图2 , 5 所示。软件部分采用虚 拟仪器( l a b v l e w ) 开发，设计出能够完成空载流量试验、压力特性试验、内泄漏试 验、分辨率试验的测试系统。 根据测试要求，本系统的具体结构如图2 6 所示此测试系统要完成电液伺臃阀 l3 的静态测试，要具备的功能包括有对伺服阀输入电流的控制、对压力、流量信号的采 集、对钡4 试数据进行分析和计算、结果保存输出等几个部分。其基本设计过程如下： 1 ) 软件设计 在本测试系统中采用虚拟仪器( l a b v i e w ) 作为应用软件l a b v i e w 作为一 种比较规范、成熟的图形化编程语言。可以方便地开发出虚拟面板、自动控制信号的 产生和实现数据的采集、分析、处理和存储等功能m i 。编制应用软件的主要工作内容 就是设计虚拟仪器( l a b v i e w ) 的过程。 i 软件部分2 信号采集部分3 液压试验单元4 信号处理部分5 控$ 0 信号部分 罔2 6 电液伺服阀特性测试系统方案 在本系统的软件部分，主要研宄了基于l a b v i e w 软件的本测试系统的软件结构 与编程方法。在本系统中采用模块化设计的模式根据测试任务的内容，将整个软件 部分分为四个模块：即压力特性测试模块空载流量特性测试模块，分辨率特性测试 模块- 内泄满特性测试模块，在每个测试模块中包含有信号发生器模块，数据采集处 理、结果保存打印等于功能模块这样可以在程序进行扩展升级的时候可以调用该 功能子模块根据升级要求组成新的测试模块缩短软件开发时间。其具体的内容在 第四章的软件部分有详细的介绍。 2 ) 硬件设计：在本系统中，硬件部分又分为液压试验单元与测控单元。由于本测 试系统属于一个改造项目，液压试验单元就不需要重新设计了，在原试验台的基础上 4 进行简单的整改即可以投入使用了。重点是对捌控单元的设计测控单元又分为4 个 部分：信号传黪部分、信号采集部分，信号处理部分，信号控制部分。测控单元在设 计的时候要充分考虑到与液试验压单元的结合性。争取在功能完善的同时，降低成 本。在本系统中，结合实际情况，需要配置的硬件包括有：p c 机、电源、压力传感器、 光栅尺、数据采集卡等。需要自行研制的硬件有压控电流源。以上硬件的选择与研制 都需要先进行充分的理论分析与验证，结台实际测试环境与要求，使硬件满足测试的 要求。其详细内容在第三章中有具体论述。 3 ) 最后对测试系统进行调试。将软件，硬件连接起来，对给定伺服阀进行静态 特性测试，验证该试验台的可靠性对测试结果进行分析，处理，从而得出电液伺服 阀的各个性能指标，将实验结果保存和打印。 23 本章小结 奉章主要分析了伺服阀测试系统的静态特性测试的原理与测试方法，在此基础上 结台原有的试验台给出了具体改造方案，对方案所涉及的软硬件结构进行了分析。 第三章静态特性测试系统硬件系统结构设计 根据整个期0 试系统的要求，可将系统分为两个单元：液压试验单元与测控单元。 液压系统单元是整个电液伺服阀特性测试试验台的基础部分，在本测试系统中 需要测试的电液伺服阀的静态特性包括有压力特性、空载流量特性、分辨率特性、内 泄漏特性。各个测试项目要求不同的液压回路结构，因此液压系统单元要能够满足静 态特性的实验要求m 1 。 从测试系统的方案设计来看，测控单元要完成的功能包据有按照测试要求给指定 电液伺服阀提供控制电流信号、对伺服闽进油口与出油口的压差以及流量，温度等 参数进行采集并对采集的数据进行分析处理，得出特性指标，并将测试结果保存、 打印等。 对系统硬件设计方案的选择主要从以下几个方面考虑： ( 1 ) 首先明确实验台的功能即要完成电液伺服阀的静态性能测试，也要具有扩 展功能能够满足后续翊4 试要求。包括动态性能测试等，要求有比较强的人机交互能 力。 ( 2 ) 测试系统的性能取决于p c 机 系统中使用的电缆，采取的屏蔽措施等 干扰因素，不受环境影响。 传感器、信号调理装置、数据采集卡、以及 要求选择合适硬件达到指定要求，滤除各种 ( 3 ) 在硬件设计过程中，要充分考虑整个系统的安全性与可靠性 ( 4 ) 充分利用现有试验台的资源，降低伟0 造成本。 31 静态特性测试系统液压结构 本测试系统的液压积4 试单元是在原有的液压试验台的基础上组件起来的，包括液 压泵、溢流阀等液压元件都有现成设备提供使用。本系统的液压试验单元组成结构如 图31 所示，具体液压系统如图3 2 所示。在液压试验单元中：根据在系统中所使用到 的液压元件如电液伺服阀、溢流阎、作动筒的尺寸等因素，将其直接连接在一起构成 一个液压回路集成块。这样设计可以不用频繁拆卸液压回路，减少了管道压力损失， 提高了测试效率，降低了成本1 2 0 l 。 虽然试验台的液压回路中用于动态测试的部分仍不能正常使用所以目前主要考 虑的是电液伺服阀的静态性能测试部分。但一旦动态部分恢复完毕，即将进行动态测 试的测试系统的开发。所以在维建液压回路时将动态性能测试所需求也考虑进去。 所以液压回路集成块按照静、动态测试的要求分为两个部分。两个部分共用一套油源 系统其内部通过管道互相联系，在测试时可以根据需要单独使用或结台使用。切换 非常方便，测试不受影响。这样设计使得液压试验单元紧凑，避免了因频繁安装、拆 卸所带来的污染、泄嚣，元件损坏等问厝提高了测试系统的可靠性、稳定性口- j 。 l 测控单z2 过瞎b3 油箱4 电硅换向嚼5 节斑阿6 灌雎泵7 瓣州8 睁鸯特性铡试伺服期底座9 拽向阀1 0 压力侍瞎# i i 动杏特性测试伺取呻底癌1 2 换向阀1 3 静态特性涮试怍动俺l t 动态特性测试作动筒 图3 1 掖压单元结构圉 圈3 , 2 液压系统图 32 静态特性测控单元结构 在c a t 测试系统中最关键的部分是测控单元。为了实现柳0 试系统的高效率与高 精度就必须要根据要求选定一套合适的硬件蹬备。根据第二章确定