新型磁流变液压伺服阀测试系统控制器设计.pdf

2 0 1 0年 1月 第 3 8 卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE T00L ＆ HYDRAULI C S J a n ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 2 ． 0 2 1 新型磁流变液压伺服阀测试系统控制器设计 祝 良荣 ，唐呜 ，田玲 ，邹华 东 1 ．浙江工业职业技术学院机电分院， 浙江绍兴 3 1 2 0 0 0 ； 2 ．桂林电子科技 大学机电工程学院， 广西桂林 5 4 1 0 0 4 摘要新型磁流变伺服阀由磁流变阻尼阀构成，阻尼阀由专用的电流控制器控制，依据电流调节改变磁场强度达到控 制阻尼阀中液体阻尼力大小的 目的。分析了电流控制器的设计原理，据此基于虚拟仪器技术设计出操作软件，针对电流控 制器的特点和技术指标，改变输入电压大小以调节电流控制器的输出电流，在阻尼阀动态工作过程中实时监测输入和输出 信号以提供分析数据。实验结果显示，该控制器可使得阻尼阀工作稳定，伺服系统性能达到设计要求。 关键词磁流变液压伺服阀；虚拟仪器；电流控制器 中图分类号T P 3 9 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 0 5 82 De s i g n o f Co nt r o l l e r o f M a g ne t o r h e o l o g i c a l S e r v o Va l v e Te s t i ng S y s t e m ZHU L i a n g r o n g ， TANG Mi n g ， TI AN L i n g ， Z0U Hu a d o ng 1 ． Z h e j i a n g I n d u s t r y P o l y t e c h n i c C o l l e g e ，S h a o x i n g Z h e j i a n g 3 1 2 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ． G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y ，G u i l i n G u a n g x i 5 4 1 0 0 4 ，C h i n a Ab s t r a c t A c o n t r o l l e d ma g n e t o r h e o l o g i c a l s e r v o v a l v e wa s c o n s t r u c t e d b y s o me d a mp e rs t h a t w e r e c o n t r o l b y a c u r r e n t r e g u l a t o r ． T h e c u r r e n t r e g u l a t o r c a n a d j u s t t h e d a m p i n g f o r c e o f t h e d a m p e r s b y c h a n g i n g t h e m a g n e t i c s t r e n g t h t h r o u g h t h e c u r r e n t r e gul a t i n g ． Th e o r y o f t h e c u r r e n t r e g u l a t o r w a s a n a l y z e d a n d a n o p e r a t i o n p r o g r a m wa s c o n s t r u c t e d b y v i r t u a l i n s t r u me n t t e c h n o l o g y ． T h e i n p u t v o l t a g e w a s a l t e r e d t o a d j u s t t h e v a l u e o f t h e o u t p u t c u r r e n t o f t h e c u r r e n t r e g u l a t o r ．T h e i n p u t and o u t p u t s i g n a l s i n t h e d y n a mi c p r o c e s s o f d a mp e r s w e r e mo n i t o r e d t o p r o v i d e a n a l y s i s d a t a b y t h e p r o gra m． T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e d a mp e r s w o r k s t e a d i l y a n d i t s p e r f o r ma nc e s me e t t h e r e q ui r e me n t ． Ke y wor ds Ma g ne t o r h e o l o g i c a l s e r v o v a l v e； Vi r t u a l i n s t r ume n t ； Cu r r e n t r e g ul a t o r 0前言 液压伺服 阀的静特性 和动特性决定了液压系统 的 工作稳定性和控制精确性 ，构造 出相应的计算机测试 系统对磁 流变液压伺服阀的受控性能进行了测试 ，并 对控制器 的输入 和输 出性能进行检测和标定 。 磁流变伺服 阀的性能检测 系统采用软件功能的虚 拟仪器技术 ，通过在虚拟仪器平 台上对功能模块进行 配置 ，使得磁流变伺服 阀的测试在流量控制等方面得 到相对智能化的效果⋯。在该测试系统中，虚拟仪器 平 台发布命令 ，磁流变伺服阀组成部分 的控制电路根 据虚拟仪器平台所发布的命令改变磁流变阻尼阀的线 圈电流 ，则阻尼 阀的磁场被改变 ，进 而可 以实现大小 连续 、精确 、方便 的无级调控 ，该种实现方法将为磁 流变伺服阀的推广提供前提条件。 1 磁流变伺服阀测试系统的结构设计及工作原理 由4个磁流变阻尼阀采用并联的方法组成磁流变 伺服阀，则伺服阀具备 4个控制单元，分别命名为 MR 。 、M R 2 、M R 、M R ，由这 4个磁流变液压可控 阻尼单元组成 4臂可控的液压全桥 。其组成结构如 图 1所示 。 b 图 1 磁流变伺服 阀的组成原理 其原理为 通过改变桥路中某一对桥臂基本控制 单元 J ，M R 和 M R 或 MR 和 M R 的电磁场强度的 大小 ，便 可调节 M R液压伺服阀的液阻 ，从而控制磁 流变动力传输的动力和力。即电流控制器输出信号时 A i 0 ， 4个阻尼阀同时获得零位激励电流 i 。 ，桥壁 两端具有的流量 和压力 相等 ，则 a 、b两端 的负载 即 收稿 日期 2 0 0 81 2 0 8 基金项 目广西 自然科学基金 资助项 目 0 3 3 9 0 6 7 ，0 3 1 0 0 0 2 作者简介祝良荣 1 9 6 9 一 ，男，硕士，副教授。研究方向为液压测试技术。Em a i l z l r l h 1 6 3 ． c o rn。通讯作者唐鸣， 电话 1 3 0 8 5 6 8 8 3 2 9 ，Em a i l t m ． b i t y e a h ． n e t 。 第 2期 祝 良荣 等 新型磁流变液压伺服 阀测试系统控制器设计 5 9 可保持原位；当 A i ≠0时，i 。 一A i 和 i 。 分别在两个桥 壁 的 a 、b两端产生不 同 的压 力 和流量从 而推动 负载 依据 电流 的不 同而朝不 同的方 向运 动。电流 的大小受 虚拟仪器平台的控制经信息传输通道以命令的方式被 微控制器所执行 。 此控制结构与传统液压 伺服 阀相类 似之处 在于 ， 分别在 a 、b 两端接负载的输入 、输 出端 口；与传统 结构所不 同之处在与磁 流变伺 服阀的反馈控制结构 由 传感器、虚拟仪器平台的处理软件和控制器组成。其 中每 1 个阻尼阀均对应了 1 个独立的控制单元 ，其控 制单元的组成原理如图 2所示 。 磁 阻 图 2 伺服阀测试系统原理图 如图2 所示，虚拟仪器软件平台发布对伺服阀系 统的操作命令，命令通过数据接口和转换器以电压信 号 的方式到达电流控 制器 ，经过控制器 的转换 ，对应 输入电压大小产生相应的输出电流从而达到改变阻尼 阀阻尼力的 目的。’ 2伺服 阀电流控制器设计原理及性能分析 2 ． 1 MR液压伺服 阀激励 电流 的传递模 型 根据 A N S Y S仿真得 到 ，在 不 同 电流 的 激励 下磁流变阻尼器轴 向间 隙磁 感应 强 度 的变 化趋 势一样。依据实验所得 数 据 绘制 电流 和磁 场强 度 之 间 的关 系 ，如 图 3 所示 。 图3 电流 i 与磁场强 度 之 间的关 系 图3所示数据拟合得 i 和 B之间的关 系B 一 0 ． 2 0 7 6 i 0 ． 7 0 2 i 一 0 ． 0 0 7 5 ，可信度 R 0 ． 9 9 7 8 。 对比图3的磁感应强度的大小可知，当 i 1 ． 6 A时， 磁流变液饱和 ，所 以最 大激励 电流 i 1 ． 6 A 。参考 应变片传感器的全桥控制 ，各 M R可控 阻尼单元 初始 状态通人相同的电流 i 。 ，可以消除由于传动介质温升 带来的误差。 、 通过有限元分析手段 可以得 到屈服应力和磁场强 度之间的关系 B一8 0 5 ． 5 6 B 6 9 1 ． 6 7 B 一 8 ． 2 5 4 B一0 ． 0 4 7 6 2 ． 2 磁流变阻尼 阀特性数据采集 依 据图 3所得 B 的关系式可推导得到 电流强 度和磁 场强度 之间的关 系为 r 1 6 7 ． 2 3 4 3 i 一 7 0 9 ． 0 9 3 8 i 4 9 3 ． 3 0 7 6 i 一 1 0 ． 9 7 2 0 i 0 ． 0 2 8 5 i0 ． 0 0 0 4 上述公式表征 了电流与应力的关系 ，采用 面 向 G 语言 的 L a b V I E W 进 行数 据采 集程 序 的编制 ，采 用 串 行数据接口 1 9 2 0 0 b ／ s 规格配置通讯 口实现计算机和 采样电路的通道，依据采集到的数据对磁流变阻尼阀 的控制器性能进行检测。 图 4 数据获取界 面 如图4所示，对磁流变阻尼阀线圈的电流进行采 值。由表 1数据可知，磁流变阻尼阀的实 际输人电 集，由虚拟仪器平台的输出命令确定的电压作为电流 流，即电流控制器的实际输 出电流被控制在 1 ． 6 A之 控制器的输入信号 ，经过检测装置，得到了输入电压 内，满足磁流变液体的性能要求。可采用如表 1所示 和输出电流的值如表 1 所示。 的输入电压，其最大控制电压为2 ． 8 2 0 V 。 对 1 O个固定输入电压值分别采集 8组对应电流 下转第7 9页 第2期 孙兴伟 等专用数控机床上全闭环控制方法的研究 7 9- 现场采用激 光干 涉仪 进行检 测 ，在 8 m检 测长 度 内 ， 定位精度达到3 0 1 m，重复定位精度达到 5 1． m，完全 达到了设计要求 。 图 2是未实现全闭环 时机床 随动误差和实现全闭 环时机床随动误差 曲线 的对 比图 ，图中曲线 1 表示半 闭环 的误差 曲线 ，曲线 2表 示全 闭环 的误 差 曲线 图 。 从图2中可以看出，在开始运动时曲线 1的最大误差 约为 2 5 个脉 冲 ，曲线 2的最 大误 差约为 1 8个脉 冲 。 在反 向运动开始 时 ，曲线 1 最大误差约是 3 0个脉 冲 ， 曲线 2的最 大误差 约 是 2 0个脉 冲。在 加 工过 程 中 ， 曲线 2始终在零点左右摆动且幅度不大 ，大 约在 6个 脉冲左右 ，而 曲线 1摆动 的 幅度 要大 得 多 ，大 约在 1 2个脉冲左 右 。从 曲线 图 中可 以看 出实 现全 闭环之 后随动误差 明显减小 了。 0 l 00 200 300 400 500 600 700 80 0 9 00 1 000 时 间／ ms 图 2 半闭环和全闭环时机床随动误差 曲线 图 4结论 运 用运动控 制卡 的 内部 编码 器转 换表 将光 栅 尺 的位置反馈 加 在运 动 控 制卡 上 实 现 了全 闭 环 控 制 ， 提高 了机床 的运动精 度 和加工 精度 ，并通 过 一定 的 参 数设置解决 了全 闭环 后机 床 出现 的反 向震 动和 跟 随误差增大等 问题 。经实 际应 用表 明 ，该 方法 是 一 种减小加长床身机床纵 向进给误差行之有效的方 法 。 参考文献 【 1 】李霞， 王永章， 郑佳听， 等． 开放式软数控系统的关键技 术研究及实现[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术， 2 0 0 3 1 0 1 21 5 ． 【 2 】 李爱平 ， 张建国． N C嵌入 P c型开放式数控系统的研究 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 1 1 2 3 1 3 7 ． 【 3 】罗学科 ， 赵玉侠． 典型数控系统及其应用[ M] ． 北京 化 学工业 出版社 ， 2 0 0 5 ， 1 0 ． 【 4 】 周凯． 数控机床的数字化全闭环控制[ J ] ． 机械工业 自 动化 ， 2 0 0 2 4 3 83 9 ． 【 5 】 吴宏， 蒋仕龙 ， 龚小云， 等． 运动控制器 的现状与发展 [ J ] ． 制造技术与机床 ， 2 0 0 4 1 2 4 2 7 ． 【 6 】 裴葆青， 陈五一， 吴淑琴． 基于运动控制器的开放式数控 系统研究应用[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术， 2 0 0 3 2 4 1 4 3 ． 上接第 5 9页 表 1 电流控制器输．h／ 输出值对应表 ／ V ， 0 ／ A ／ A， 0 u B ／ A， 0 “ ／ A ／ A， 舢 ／ A， 0 ／ A， 0 u ／ A 0． 0 0 0 0． 0 0 9 0 ． O l 1 O ． 叭 1 O ． 01 2 O． 0 1 3 0． 01 3 O ． 01 3 0 ． 0 1 4 0 ． 2 8 0 0． 1 5 0 0 ． 1 51 0 ． 1 5 3 0 ． 1 5 3 0 ．1 5 5 O． 1 5 5 O． 1 5 6 O ． 1 5 8 0 ． 6 9 0 0 ． 3 6 1 0 ． 3 6 2 0 ． 3 6 3 0 ． 3 6 5 O ． 3 6 6 0 ． 3 6 6 O ． 3 6 7 0 ． 3 6 9 1 ． 3 8 0 O． 7 0 5 O． 7 0 7 O ． 7 0 7 O ． 7 0 7 0 ． 7 0 8 O ． 7 O 9 0 ． 7l 1 O． 71 2 1 ． 7 9 0 0 ． 9 0 1 O ． 9 0 2 0． 9 0 2 0 ． 9 0 3 0 ． 9 O 3 0 ． 9 05 O ． 9 09 0 ． 91 3 2 ． 0 0 0 1 ． 0 1 0 1 ． 0l 1 1 ． 01 3 1 ． 01 5 1 ． 01 4 1 ． 0 1 6 1 ． 0 1 7 1 ． 01 7 2 ． 2 o 0 1 ． 0 1 0 1 ． 01 2 1 ． 01 3 1 ． 01 3 1 ． 01 3 1 ． 01 3 1 ． 0 1 5 1 ． 0 1 6 2 ． 3 0 0 1 ． 1 61 1 ．1 6 1 1 ．1 6 1 1 ． 1 6 3 1 ． 1 6 3 1 ． 1 6 9 1 ． 1 6 9 1 ．1 7 3 2 ． 5 0 0 1 ． 2 6 0 1 ． 2 6 1 1 ． 2 6 2 1 ． 2 6 2 1 ． 2 6 2 1 ． 2 6 3 1 ． 2 6 5 1 ． 2 6 6 2 ． 8 2 0 1 ． 4 21 1 ． 4 2 4 1 ． 4 2 5 1 ． 4 2 5 1 ． 4 2 5 1 ． 4 2 6 1 ． 4 2 7 1 ． 4 2 9 依据表 1 所示数据和实际控制对象要求 ，对控制 器进行微调，使得输入／ 输入符合标准。对表 1 数据 进行误差分析得到，其残余误差属于线性误差 。 ， 基于流体 系统 的误差标准 ，该线性误差在允许 范围之 内。 3结 论 磁流 变阻尼 阀拥 有传 统 阻尼 阀所 不具 备 的各 项 优点 ，能够 在 流量 控 制 的 智 能 化 方 面 达 到更 加 方 便、精确的 目的，并在传统液压伺服阀的基础上提 升 了电液 元素相互 结 合 的程 度 ，为检 测 和控制 等单 元的扩展提供了更为方便的途径。针对该种伺服阀 而设计出的性能检测系统的电流控制器 ，其精度控 制 性能 的稳 定和提 升将对 该 种伺 服 阀的应 用产 生 良 好 影响 。 电液伺服 阀在实验过程 中表现稳定 ，电流与应力 均达到要求，未来的发展将着重在改进设计提高阻尼 系数 ，改进软件结构 ，提升控 制精度 和速度 等方 面。 磁流变 电液伺服 阀作为新型的低压中速系统流量控制 器 ，其特点明显 ，应 用潜力 巨大。 参考文献 【 1 】关新春， 李金海 ， 欧进萍． 剪切阀式磁流变液减振器磁路 的设计方法[ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 0 3 3 9 7 9 9 ． 【 2 】T i a n L ． S t u d y o n P o w e r T r a n s m i s s i o n T e c h n o l o g y b a s e d - o n M R F [ J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u ma l o f M o d e m P h y s i c s B， 2 0 0 5 ， 1 9 7 ／ 8 ／ 9 1 5 6 31 5 6 9 ． 【 3 】 艾红霞． 磁流变阀及具有阻尼特性的 M R f 压执行器的 研究[ D] ． 重庆 重庆大学， 2 0 0 5 ． 【 4 】费业泰． 误差理论与数据处理 [ M] ． 3版． 北京 机械工 业 出版社 ， 1 9 9 7 ． 5 ． 【 5 】罗中良， 李先祥， 施仁． 工业配比过程控制及系统设计 [ J ] ． 兰州大学学报 自然科学版， 2 0 0 4 ， 6 4 0 3 4 3 7 ． 埔 O 博 是鸶 、 栩 酱 }