2D阀控电液激振器振动中心偏置量控制的研究

2D阀控缸电液激振器n 的输出频率撒于2D阀阀芯的连续转动的速度，易于通过提高转速实现高频振动(最高可达2 000 Hz)。由于加工误差和载荷不对称等原因，由2D阀进人液压缸左右两腔的流量不完全相等。在没有偏置控制的情况下 ，振动中心位置会有所偏移，偏移量与流量成积分关系。随着时间推移 ，偏移量随之增大，振动中心不断往液压缸-侧偏移；另-方面，常需要零位偏移振动。因为2D阀的转阀特性 ，激振器无法采用-般电液伺服系统引入-个偏置信号构成闭环实现偏置控制的方法。为此本文提出了2D阀与数字伺服阀并联的偏置控制新方案 ，以这种并联机构和电-机械转换器为基础，构建了活塞杆的位置闭环控制系统，实现激振器振动中心偏置量的控制。

1 工作原理带偏置控制的2D阀控电液激振器系统简图如图1所示。整个系统由2D阀、数字伺服阀、单出杆液压缸、位移传感器、位置信号处理拈以及电-机械转换器构成。由图1可知2D阀、数字伺服阀各自的A口与液压缸无感腔相通形成并联机构，驱动单出杆液压缸在某-平衡位置作周期性往复运动。

2D阀具有径向旋转、轴向滑动的双自由度，阀芯的转速由交流伺服电机控制。2D阀阀芯沿轴向有4个台肩，台肩周向均匀开设沟槽，相邻台肩的沟槽相通，T口关闭。由于液压缸无杆腔作用面积与有杆腔互错位 ，当阀芯转到如图2 a)所示的情况时，P.A导收稿 日期：2012-09.17作者简介：陆明江(1986-)，男，硕士研究生，主要从事电液振动控制系统的研究的两倍，活塞杆右移。

l 2 3 4 51-支架；2-位移传感器；3-'魄性载荷；4-活塞；5-液压缸；6-直线电机7-2D阀；8-交流伺服电机；9-数字伺服阀；10-永磁盘式步进电机图 1带偏置控制的激振器系统简图当阀芯转至如图2 b)时，A-T导通，P口关闭，活塞杆左移。这样2D阀阀芯的转动就驱动活塞杆做往复运动，通过控制交流伺服电机的转速就能控制激振器的振动频率。通过控制步进直线电机可以控制2D阀阀芯的开口大小，从而改变振动的输出幅值。而通过调节并联数字伺服阀的阀芯位移方向和阀口面积大小，可以控制活塞杆振动的平衡位置。这样就实现了激振器频率、幅值和偏置量的独立控制。

此外，激振器在低频和高频工况的控制方式是不- 样的。由于数字伺服阀在低频能输出更好的位移波形，当频率 厂<50Hz时，调节直线步进电机使得2D阀阀口关闭，此时2D阀不工作。通过由数字伺服阀、位置信号处理拈、电-机械转换器构成的活塞杆位置闭环系统单独驱动活塞杆往复运动实现激振输出。通过控制数字伺服阀的摆动频率控制激振器输出频率，通过控制伺服阀的摆动幅度和摆动中心分别2013年3月 陆明江，等：2D阀控电液激振器振动中心偏置量控制的研究 第 19页控制激振器输出的幅值和偏置量。 e(t)LVDT- 凰a)向右运动b)向左运动1-单出杆液压缸；2-蓄能器；3-阀块 ；4-阀套；5-大齿轮6-交流伺服电机；7-小齿轮；8-联轴器 ；9-弹簧；10-阀芯1 1-联轴器；12-直线电机；13-油箱；14-蓄能器图2 2D阀工作原理图信号发生器输出正弦激励信号 OSIN，其幅值和频率分别决定激振器的输出振幅和输出频率。假设偏置位置的控制电压为 腿。 ，此时的参考信号为上述两个信号的叠加，而位移传感器的反馈信号为LVDT，数字伺服阀电-机械转换器A/D接口采样偏差信号：e(f) D - 圩s。t-OSIN而在高频工况下(50Hz 厂<2000Hz)，由于2D阀的转阀结构易于得到更高的振动频率，使用 2D阀控制激振器的输出幅值和频率，而用数字伺服阀控制偏置量。此时调节直线电机使得2D阀阀口打开，信号发生器输出矩形波激励信号驱动交流伺服电机，信号的频率决定了电机的转速，电机轴通过齿轮箱与阀芯联接，从而信号的频率也决定了阀芯的转速以及激振器的输出频率。而输出幅值的控制则由直线电机调节轴向开口大小实现。这样，2D阀完成了频率控制和幅值控制。数字伺服阀实现偏置量控制，其参考信号为 。 ，电-机械转换器A/D接口采样的偏差信号变成：1.1活塞杆的位置闭环控制根据数字伺服阀的工作原理口 ，数字伺服阀可以实现阀芯角位移与阀芯轴向位移的转换。因此在偏置量控制中，可以将数字伺服阀简化成三通滑阀，则活塞杆位置闭环的原理简图如图3所示。液压缸有杆腔常通高压油，无杆腔与阀的A口相通。当阀芯处于中位，阀的P口和T口都关闭，活塞杆静止不动；当阀芯 自中位左移，阀的P口打开T口关闭，高压油通过A口进入液压缸无杆腔。由于无杆腔和有杆腔之间两侧的工作面积差活塞杆左移；相反，若阀芯自中位右移，则阀的T口打开P口关闭，液压缸无杆腔通过A口与T口相通，而有杆腔常通高压油，两侧的压差致使活塞杆右移。

位图3 偏置控制原理简图活塞杆位置闭环系统框图如图4所示。

! 葑 瓣 耐凰匡 箜国 l jiI I l L 鐾佶号-- -- II " "iL ! ol该系统主要由数字伺服阀、数字伺服阀的电-机械转换器 、位移传感器、位置信号处理拈构成。永磁盘式步进电机在主控制器的驱动下转动-个角度0 ，电机的转角将使数字伺服阀相应地在轴向产生的轴向阀芯位移，这个轴向的阀芯位移使得活塞杆产生位移 ，活塞杆的位置经位移传感器测量得到的位置电压信号经过如图5所示的位置信号处理拈计算后得到与信号源之间的偏差信号P∽，输回到电-机械转换器DSP拈的A/D接口，DSP采样该偏差信2013年3月8.587.5之 蜜76.565.5陆明江，等：2D阀控电液激振器振动中心偏置量控制的研究 第 21页图7 活塞杆位置闭环控制系统阶跃特性曲线2.2激振 器偏置振动实验低频工况下(厂<50 Hz)，2D阀阀口关闭，通过控制数字伺服阀的阀芯摆动中心控制活塞的振动中心位置，阀芯摆动幅度和频率控制激振器的输出幅值和频率。实验油源压力为5 MPa，偏置电压为6.5 V，1 Hz时的位移传感器测得的激振位移波形如图8a)所示。中间线是用Grapher软件得到的-条回归线，对应的是活塞杆的振动中心。如果激振器的振动中心位置在振动过程中有明显漂移 ，那回归线会出现明显的倾斜。相反，若振动中心稳定在某个位置，那么激振波形的回归线应该接近水平。由图8a)可见3个周期内均值线几乎水平，且将700个采样点取平均，得到的均值为6.52 V，说明活塞的振动中心稳定在控制目标6.5 v位置附近，稳态误差为0.3%。同理，激振频率为5 Hz、15 Hz及30 Hz的激振位移波形分别如图8b)、8c)、8d)所示。

6.76.6>H皇 6.56.46-3时间/sa1 flHz激振波形时间/sc)f15 Hz激振波形 d)f30Hz激振波形图8 低频工况激振位移波形图高频工况下(5O Hz 厂<2 000 Hz)，此时2D阀阀口打开，通过控制2D阀的转速和轴向阀口开度控制激振器的工作频率和幅值，数字伺服阀仅负责控制活塞杆振动中心位置。偏置电压为7.5 V，图9是激振器在100Hz的频率工作时的位移波形，可以看到图中的回归线几乎水平，同样说明活塞杆的中心位置可以稳定在7.6 V左右的位置，稳态误差为1.35%。

7.60857.60757.6O657.6055l时间/s图9 f100Hz激振位移波形图23 结论与展望以电-机械转换器和数字伺服阀为基础搭建了电液激振器的振动中心偏置控制系统，通过对活塞杆的位置闭环实现激振器振动中心偏置量的控制。实验的结果表明该系统基本能完成目标功效。激振器工作频率带宽很大，不同的频率需要的最优PID参数( 、K 、K。)是不-样的∩以展望：若将激振器的工作频带划分成几个，每个划分的频带映射-个相应的最优PID参数，这些最优的PID参数是预先调制好放在-个数组中，激振器工作过程中DSP采样频率信号，根据频率信号读取相应的PID参数，实现自适应的PID调节。