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日立FMV伺服阀特性与检测系统研究

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Research on Characteristics and Test System for FMV Electro.hydraulic Servo ValveCHEN Xianhui(Shanghai Baosteel Industry Service Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)Abstract:The structure principle,performance test system,special zero nul adjustment and zero current detection method ofthe Hitachi FMV three-way electro-hydraulic serv0 va1ve used in HAGC for rolling mill of Baosteel were introduced.The parametersimpacting the static and dynamic characteristics were analyzed.The static and dynamic characteristics of the vMve were tested.Theseshow the coreetness of the theoretical analysis。

Keywords:FMV electro-hydro servo valve;Characteristic analysis;Test system日立 FMV伺服阀是 日本 Et立公司专门为轧机AGC系统设计的伺服阀,是轧机 AGC系统的核心元件之-。该阀为弹簧对中、大电流 (额定电流 ±10A)、动圈式力马达直接驱动滑阀的结构,是直动式三通伺服阀,阀内设有阀芯位置传感器,用于检测阀芯位移,但不参与阀的闭环控制 。

FMV伺服阀是三通阀,阀的输出流量特性曲线和压力增益特性曲线都没有负向,无法像四通伺服阀那样根据输出流量特性曲线和压力增益特性曲线来检测阀的机械零位偏置。FMV伺服阀经过解体检修后,必须在试验台设计搭建专用液压回路,使用专用功率放大器和检测仪器,采用正确的方法进行检测、机械零位调整,进而对阀的状态、精度进行判定。

由于13立FMV伺服阀的结构原理完全不同于四通伺服阀,因此在检测上存在很大难度,目前掌握的伺服阀调零及测试方法不适用于日立 FMV伺服阀,无法对其进行机械零位调整和检测。

1 FMV伺服阀的结构和特性分析1.1 FMV伺服 阀结构原理日立 FMV伺服阀结构如图1所示,由位置传感器、液压阀单元、力马达单元和中位点调整单元组成 。

该阀采用弹簧对中,大电流动圈式力马达直接驱动滑阀的结构,是直动式三通伺服阀。该阀仅用-根对中弹簧,-端固定在机械中位点调整机构上,另-自由端与阀芯 -动圈组合相连。力马达无电磁力输出时,弹簧处于自然状态;有电磁力输出时,依据电磁力的方向,压缩或牵引弹簧,从而形成阀芯的位移量。阀内设有极佳的机械中位点调整机构。阀内配置的阀芯位置传感器,仅用于检测阀性能,该位置传感器检测的信号不参与轧机AGe系统闭环控制。

FMV伺服阀的力马达结构为动圈式力马达,由永久磁铁、导磁体和动圈组成。安装在骨架上的动圈放置在内外导磁体组成的环状气隙中,骨架与阀芯相连,永久磁铁在气隙中产生固定磁通。当动圈中通以控制电流时,动圈即在固定磁场中受力而运动,并通过骨架推动阀芯移动。动圈在固定磁场中所受到的电磁力的大型方向,撒于控制电流的大型方向,输出的电磁力与对中弹簧的变形抗力相平衡,从而转换成阀芯的位移量。

FMV阀为三通伺服阀,但是它有5个油口,从右 (磁铁侧)至左分别为控制油口P 、供油口P 、控制油口P 回油口P 泄漏油口P 。二个控制油口 与P。在阀板上或者在油路上沟通为 P。后,再接到推上缸的无杆腔。

收稿日期:2012-06-14作者简介:陈先惠 (1967-),女,工学硕士,高级工程师,主要从事液压技术应用研究工作。E-mail:chenxianhui###baostee1.eom。

第 14期 陈先惠:Lt立 FMV伺服阀特性与检测系统研究 ·61·输入控制电流i 到阀芯位移 的稳态增益为:/icKF/K所以:KF。

v c式中:i 为输入控制电流;(3)为力马达的力常数,K B,rDN,B为气隙中的磁感应强度 ,D为线圈的平均直径 ,Ⅳ为线圈匝数。

可见,当输入控制电流-定时,阀芯位移撒于比值K /K ,此比值又称放大系数 (灵敏度)。由于FMV伺服阀的力马达额定电流为 10 A,其输出的电磁力很大,要求对中弹簧的刚度 K要大,这样就降低了阀的灵敏度。

2 FMV伺服阀性能检测系统为检测 FMV三通伺服阀的静、动态性能并对其机械零位进行调整,设计了检测装置,检测系统示意图如图2所示。检测系统由计算机、信号发生器、指令信号隔离/切换拈、阀专用伺服放大器、阀芯位移变送器、压力传感器、流量计、液压信号调理与转换拈、阀信号切换/隔离拈、数据采集拈和CAN总线控制拈等组成。

。 液压测试台架流量计压力传感器被试伺服阀阀芯位移变送器阀专用伺服放大器液压信号调理与转换拈数据采集拈L --匕 I圜恒 lL藤 计算机图2 日立 FMV伺服阀性能检测系统示意图检测时,计算机对信号发生器发出控制指令,并对数据采集拈采集的数据进行分析处理,绘制测试曲线;信号发生器接受计算机发出的控制指令信号,经隔离处理后,通过阀专用伺服放大器驱动被试伺服阀阀芯按指令信号动作;阀芯位移变送器检测阀芯位移,信号经隔离处理后,输入到数据采集拈;流量计和压力传感器采集的液压信号,经过隔离、转换,由数据采集拈采集进计算机。为提高数据传输的快速性和可靠性,采用CAN总线进行传输。

3 FMV伺服阀性能检测方法及检测数据分析3.1 恒定阀压降下输出流量特性测试及检测和调整 零偏 电流”设定液压油源 的输 出流量 为 试 验流量 ” 的1.25倍,设定液压油源的供油压力为7 MPa(阀压降△p7 MPa),且必须提供干燥洁净的冷却空气。

测试时,计算机控制信号发生器使控制电流按三角波扫描,使 FMV伺服阀芯根据控制电流动作,采集控制电流与伺服阀输出流量之间的关系曲线,采集曲线为图3中的P - 流量曲线。

然后,进行油路切换,同上述方法采集流量特性曲线为图3中的P -PT。这样,就采集到图3所示相交的两条流量特性曲线,即为FMV三通伺服阀的流量特性曲线。通过该特性曲线,由计算机自动计算出滞环、零偏、零位流量和流量增益这些反映阀特性的参数。

1-阀芯位移1 2-输出流量1 3- 阀芯位移2 4-输出流量2枇膣5 .4 -3 2 -1 0 1 2 3 4 5输入信号/Af 口昌删壤鲁彝图3 恒定阀压降下输出流量特性曲线通过分析 FMV三通伺服阀的特性可知:图 3所示的恒定阀压降下输出流量特性中P - 与P -PT两条曲线交点对应的控制电流即为 FMV伺服阀的零偏电流”值,而此时阀的输出流量即是该阀的零位流量。通过计算机计算出两条输出流量曲线交点的横坐标值,即是 FMV伺服阀的 零偏电流”值,该值反映了FMV伺服阀的机械零位状态;而两条输出流量曲线交点的纵坐标值,即是 FMV伺服阀的零位流量,该值反映了当FMV伺服阀的阀芯处于零位时阀的输出流量。

如果由计算机计算出的 零偏电流”值与希望值有偏差,即说明FMV伺服阀的机械零位偏置不符合要求,此时,需要通过旋转该阀的零位调整螺钉,并通过采集该阀的恒定阀压降下输出流量特性曲线,计算出 零偏电流”,并与希望值比较,如有差异,再次调整零位调整螺钉 ,直至 零偏 电流”值与希望值相匹配。

零位调整螺钉调整量计算:例如测量当前 零偏电流”值为0.2 A,希望零偏电流”值为 -0.3 A。则 零偏电流”的调整量 (-0.3 A) - (0.2 A) -0.5 A。调整螺钉的旋转角度为:90。× 45。

顺时针方向旋转调整螺钉45。,再次检查 零偏0 O 0 0 O 0 0 0 0∞加0 0 0 Jm 8 6 4 2 O 4 。

· 62· 机床与液压 第 41卷电流”值。如果调整量不合适 ,重复上述步骤。

3.2 阶跃响应特性检测设定液压油源的输出流量为适当值,设定液压油源的供油压力为7 MPa,提供干燥洁净的冷却空气。

检测时,计算机控制信号发生器输出方波信号,频率0.2 Hz,幅值2 V,测试系统采集阀芯位移反馈信号,计算机绘出阀芯位移与输入信号曲线,如图4所示。

计算机计算出上升时间为 1.8 ms,超调量为 10%,得到被试阀的阶跃响应特性。

2.6时间,s图4 阶跃响应特性曲线3.3 频率响应特性检测设定液压油源的供油压力为7 MPa。提供干燥洁净的冷却空气。检测时,计算机控制信号发生器发出正弦激励信号扫频,频率10-350 Hz,幅值 1 V,测试系统采集阀芯位移信号,计算机计算输出信号与输入信号的幅值比和相位移,采用连续测绘/记录方式,绘制幅频特性响应曲线和相频特性响应曲线,如图5所示,计算机求出-3 dB频响为263 Hz,-90。频响为 162 Hz,即为FMV伺服阀的频率响应特性。

1-幅频响应 相额响应频率 /Hz图5 频率响应特性曲线4 结束语FMV三通伺服阀采用动圈式力马达驱动,稳态时力马达输出的电磁力与对中弹簧的变形抗力相平衡。由于动圈式力马达的静特性线性极好,机械对中弹簧的线性也很好,所以FMV阀有很好的线性位移特性。

FMV伺服阀的无阻尼自然角频率与阀的对中弹簧刚度成反比,由于 FMV阀的对中弹簧刚度较大,提高了阀的动态响应。另外,该阀使用专用伺服放大器,其恒流功率放大输出级采用高电源电压 (±47V),使瞬态驱动的加速能力加大,也提高了阀的动态响应。从 FMV伺服阀的阶跃响应和频率响应测试曲线可以看出,其阶跃响应的上升时间为2 ms,频率响应约 160 Hz。

FMV伺服阀的阻尼比也与阀的对中弹簧成反比,对中弹簧刚度越大,阀的阻尼比就越小,阀的稳定性就越差。从 FMV伺服阀的阶跃响应试验曲线可以看出,其阻尼比较小,阀超调量高达 10%。

FMV伺服法采用大电流驱动可使灵敏度降低得到补偿,而克服阻尼比小,就只能在控制系统设计中给予特殊的考虑。

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