□ 吕永福 □ 金侠杰 □ 高施琛 □ 邢科礼

上海大学 机电工程与自动化学院 上海 200072

电液伺服阀是机械和电子相结合的高精密部件，广泛应用于航空航天、冶金、钢铁、舰船等领域［1］。由于伺服阀性能的优劣直接影响到电液伺服系统的控制精度、稳定性和可靠性，因此在电液伺服阀出厂前和维修后要求对其进行严格的性能试验，其中空载流量特性测试是必不可少的。笔者研制的电液伺服阀空载流量特性测试系统由计算机对各试验参数进行采集、处理并输出测试结果，同时测试所需的激励信号也由计算机提供，加大了自动化测试的程度，并提高了测试精度。

1 测试液压系统

本系统的设计充分考虑了伺服阀对测试液压系统的严格要求，系统在液压泵出口设置了一个蓄能器，可吸收压力脉动；为了控制油污，分别在吸油口和回油口各设计了一个吸油过滤器和回油过滤器，同时在伺服阀的进油口设计了一个高精度过滤器；伺服阀的回油阻力通过比例溢流阀提供。液压系统原理如图1所示。

此系统的特点是系统压力调节方便，加载过程中负载不受流量变化的影响，同时系统设置了散热、过滤回路，保证了系统的油液清洁度。

2 测试系统组成

测试系统主要由硬件部分和软件部分组成，伺服阀的流量信号和电流信号通过数据采集卡采集后由计算机进行分析和处理，最后绘制出空载流量特性曲线。

2.1 硬件部分

测试系统硬件组成原理框图如图2所示，由工控机、打印机、模拟量输出卡、功率驱动卡和数据采集卡等组成。

①模拟量输出卡：输出试验用的低频控制信号，16位高精度的D/A转换，输出为电压信号。

②功率驱动卡：将控制电压信号转换为被试伺服阀的驱动信号，包括电压信号（－10～10 V）和电流信号（0～±50 mA 和 0～±200 mA）。

③ 数据采集卡：实时采集试验中的压力、流量、温度、电流信号。

④ 数字仪表：主要显示试验台上的压力、电流、温度和流量等值。

⑤信号调理板：主要用于信号的过滤处理，隔离外界杂波信号的干扰。

▲图1 测试液压系统原理图

2.2 软件部分

测试系统软件采用虚拟仪器技术，利用美国NI公司的产品LabVIEW11.0软件作为开发工具，可根据用户要求完全定制化，测试系统操作主界面如图3所示。软件具有良好的可靠性、易用性、准确性等［2］，对采集的数据进行滤波等处理，并按照虚拟仪器的思想进行模块化和层次化的结构设计。

测试软件主要由数据采集模块、信号处理模块、激励信号发生模块和数据显示保存及报表生成模块等组成，主要完成测试数据采集和处理、绘制波形曲线、设置测试参数、保存测试结果、设备状态显示等，测试软件程序流程如图4所示。

3 激励信号发生器

▲图2 测控系统组成原理框图

在传统的伺服阀空载流量特性测试中，所需的信号通过超低频信号发生器产生，本文测试所需的低频信号完全由计算机通过模拟量输出卡实现，这样不仅提高了测试的自动化程度，而且还能降低测试成本。根据测试要求提供单路电流信号，可通过软件独立控制其通断状态。输出电流信号满足以下指标要求。

① 电流幅值：0～±65 mA。

② 电流精度：0.05 mA。

③零点漂移：稳定工作后不大于0.1 mA/12 h。

④ 频率：0.005～20 Hz可调。

⑤波形：三角波非线性失真不大于1%。

▲图3 测试系统主界面

笔者设计的信号发生器采用变点数定时间间隔的方法［3］，即在定时循环中定时器的数值固定，而每个周期的输出点数随频率的改变而改变。输出点数的数值按下式计算:

式中：X表示信号一个周期输出的点数；Y表示一次定时循环的时间值；f表示定时器的计数频率；F表示输出信号的频率。

4 试验结果分析

图5所示为试验得到的伺服阀空载流量曲线分析图，由此计算出的零偏电流为0.22 mA（2.469%），滞环为1.089 mA （12.222%），正向额定流量为63.467 L/min，负向额定流量为64.404 L/min，正向非线性度为3.03%，负向非线性度为2.918%，正向流量增益为124.505 mL/s/mA，负向流量增益为120.972 mL/s/mA，3 mA对称度为10.456%，5 mA对称度为5.665%，7 mA对称度为0.787%。

在标准试验条件下，一般伺服阀的线性度指标是＜7.5%，对称度指标是＜7.5%，滞环指标是＜6%额定电流，零偏指标是＜2%额定电流，流量增益指标是（1±7.5%）公称值。经过对比可以看出此伺服阀的滞环明显偏大。

5 伺服阀静态性能指标对系统的影响

线性度和对称度影响伺服阀系统的精度，其中影响最大最直接的是速度控制系统。速度控制系统要选线性度好的伺服阀。此外选流量规格时，要选比额定流量略偏大的规格，以避免伺服阀工作在流量的饱和段。由于伺服阀在位置控制系统中通常是闭环的，伺服阀工作在零位区域附近，只要系统增益调得合适，可使非线性度和对称度的影响减到最小。伺服阀的滞环是由于力（矩）马达的磁滞和阀的油隙造成的，阀的油隙是由于摩擦力及机械固定部分的间隙造成的，磁滞回环宽度会随着输入信号减小而缩小，因此这种滞环在大多数伺服系统中都不会出现问题。油隙引起的回环值为定值，油液脏时油隙显著增加，可能引起系统的不稳定。精度要求比较高的系统最好选分辨率高的阀，分辨率高意味着摩擦影响比较小，影响阀分辨率的主要因素是阀的静摩擦力和油隙。在恒幅的输入电流条件下，油脏时摩擦力增大，分辨率将降低。

▲图4 测试系统软件程序流程图

▲图5 空载流量曲线分析图

虽然在固定时域条件下已调好了伺服阀的零点，但经过一段时间后，零点要发生变化，这是由于阀的结构尺寸、组件应力、电磁性能、流力特性等可能发生变化，从而使输入电流为零时输出流量不为零。为使输出流量为零，必须预置零偏电流。

6 总结

该测试系统完全满足电液伺服阀的空载流量特性试验的要求，实际使用表明，测试系统具有精度高、结构紧凑、检修方便、可靠性高等特点，还具备可扩展性。

［1］ 方群，黄增.电液伺服阀的发展历史、研究现状及发展趋势［J］.机床与液压，2007，35（11）:162-165.

［2］ 杨乐平.LabVIEW高级程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［3］ 赵江波，王军政，汪首坤.伺服阀静、动态性能测试中多功能信号发生器的设计与应用 ［J］.液压与气动，2003（6）：37-39.