交流伺服缸系统测试方法的研究

董荣宝

(中国煤炭科工集团 上海研究院有限公司，上海 200030)

0 引言

电液控制技术主要有泵控和阀控两种。目前阀控技术被广泛应用，其缺点是节流与溢流损失，能效较低。低能效不但增加了系统的装机功率，还会引起系统发热，从而带来一系列问题。为了从根本上解决问题，理想方式是采用泵控技术[1-3]。在液压技术领域中，测试既是评判液压元件和系统性能的最终依据，也是最重要的研发手段。本文测试方法适用于交流伺服系统特性的研究，对提高液压缸基本性能具有促进作用[4-9]。

1 工作原理

交流伺服缸系统由伺服电机、油泵、安全阀、压力和位移传感器、蓄能器、高频电磁球阀等组成。配套设备有驱动单元、控制单元等[10-11]，如图1所示。

控制器得到指令控制驱动器使伺服电机1旋转，带动油泵2旋转，液压缸活塞腔进入高压油，液压缸伸出。同时高频电磁球阀6.2得电，蓄能器5中液压油通过6.2补偿由于液压缸7造成的流量差所需要的油液。位移传感器8传输液压缸位置数据到控制器进行比较，从而修正误差，改变伺服电机的转速。当液压缸缩回时，电磁阀6.1得电，活塞腔多余的液压油回到蓄能器5中。

1-伺服电机;2-油泵;3-安全阀;4-压力传感器;5-蓄能器;6-电磁球阀;7-液压缸;8-位移传感器。

2 设计特点

闭环伺服控制，控制精度达到0.02 mm；精密控制推力，增加压力传感器，控制精度可达2%；很容易与PLC等控制系统连接，实现高精密运动控制。

与伺服阀控液压缸系统具有明显的节能效果，噪音低，高可靠性，操作维护简单。

结构紧凑，集成化程度高，不需要复杂安装工作，抗污染能力强(NAS 11级)可靠性高，维护费用低。

3 测试技术

加载测试系统原理如图2。比例溢流阀4.1与4.2分别控制加载液压缸活塞腔与活塞杆腔的压力，产生正反加载力，压力传感器5检测液压缸中2腔的压力值。油泵1给加载系统供油，单向阀2主要起到被压作用。加载缸与交流伺服液压缸采用铰接连接。

1-油泵；2-单向阀；3-压力表；4-比例溢流阀；5-压力传感器；6-加载液压缸；7-被测体。

3.1 行程检测

无负载工况下,将被试液压缸无杆腔通油,液压缸活塞全部伸出,使用尺子测量活塞杆伸出的长度并记录。

3.2 泄漏测试

1)外泄漏测试。调节系统压力额定压力的1.5倍，油温30～40 ℃，加载5 min，液压缸缓慢运动，查看焊接处、端盖密封处和活塞杆密封处，不得有外渗漏及零件损坏等现象。

2)内泄漏测试。内泄漏发生在无杆腔与有杆腔之间，会带来能量损失，降低效率，更为严重的是可能会大大缩短活塞的密封寿命。额定压力下，加载使液压缸运动到中间位置，分别给无杆腔与有杆腔通液压油，观察此时的有杆腔和无杆腔是否有油液流出。

3.3 最低启动压力测试

试验原理如图3所示。无负载工况下，将被试验液压缸的无杆腔连接到泵源(泵源出口增加低压比例溢流阀)，被试液压缸有杆腔放空或者接回油箱。通过计算机给比例溢流阀发出斜坡信号，随着信号的增大，被试液压缸由静止到开始运动。液压缸位移由交流伺服液压缸内置位移传感器测得，当位移量从“零”变成“非零”瞬时压力传感器测量到无杆腔压力值即为伺服液压缸最低启动压力(最低启动压力要求小于0.1 MPa)。

图3 最低启动压力测试原理

3.4 正弦曲线跟随试验

油温30～40 ℃，无负载，液压缸运动到中间位置开始试验。交流伺服电机输入电流正弦曲线频率分别为1 Hz、2 Hz、3 Hz，振幅分别1 mm、2 mm、3 mm。记录伺服电机输入电流与液压缸位移传感器输出电流的正弦曲线。

交流伺服液压缸的动态特性采用正弦激励信号的频率响应来衡量。若被试液压缸的位移跟随曲线比较平滑，振幅衰减较小，相位不超过90°，输出波形无明显失真，说明动态响应较好。若输出波形出现明显畸变，说明液压缸跟踪能力较弱。

3.5 重复精度测试

液压缸运动到中间位置，此位置设定为零点，油温30～40 ℃，无负载，设定自动运行模式，时间间隔4 000 ms，回数10次，开始试验。分别记录液压缸伸出与缩回位移各10次，如图4所示，得到a值与b值，计算误差：

Δx1=amax-amin

(1)

Δx2=bmax-bmin

(2)

得到20组数据，分别找出伸出与缩回最大误差，误差值不许超过±0.02 mm。

图4 重复精度测试曲线

3.6 瞬态响应特性测试

调节系统压力20.6 MPa，油温30～40 ℃。

1)在不同压力干扰下，观察系统稳定性。

2)改变控制器参数，例如PID，考察对系统的响应特性、稳态精度的影响。

4 结论

交流伺服液压缸系统对位置、速度控制精度高、易于操作，结构紧凑，抗污染能力强，环保节能。在环境恶劣的情况下，能够替代阀控伺服系统。通过设计新品和在线实践应用验证，以上测试方法能够检测交流伺服液压缸系统的基本性能，以此为依据对系统进行优化设计，取得良好效果，能有效提升伺服液压缸系统的可靠性。