高频电液激振系统的应用

辛杨桂，窦宝慧，裴旸，刘春虎

(1.广州机械科学研究院有限公司液压研究所，广东广州 510700;2.国家电网大庆供电公司，黑龙江大庆 163000)

0 前言

振动试验是现代工程技术领域中的一项基本试验，广泛应用于许多重要的工程领域，如导弹、火箭的环境试验;汽车零部件试验及行走机械的道路模拟试验;水坝、高层建筑的抗震试验等［1］。电液激振系统具有功率体积比大、无极调频、无极调幅、输出力大及易于实现自动化控制等的优点，特别是高频大功率的振动系统具有较高的性价比及优越性，使得高频电液激振系统在振动试验中发挥着越来越重要的作用。

高频电液激振系统在汽车检测行业应用广泛，特别是在汽车零部件可靠性和耐久性的试验中占据着重要的地位。随着人们对汽车安全性的日益重视，低频率的电液激振系统已经不能满足汽车零部件高安全性的检测要求，需要高频率的液压振动台来完成。然而，国内100 Hz以上的高频电液伺服激振系统基本从国外购买，引进国外高频试验台价格昂贵，一般企业无力承担。因此，本文作者对具有高稳定性、高频率和高精度的激振系统进行了介绍，并成功应用于某汽车振动试验台中。

1 高频激振系统组成

1.1 液压原理

高频振动试验系统的主要工作原理是采用可控制的高频响应伺服阀，并通过控制伺服阀的开口大小调节液压油的压力与流量，使作动装置产生往复振动。输出的电控信号经放大器进入伺服阀，伺服阀将与输入信号成比例的液压油输入伺服液压缸，以驱动活塞运动。以正弦曲线作往复运动的伺服油缸在零角度时速度最大，为满足瞬间的液压缸高速度要求及减小油泵规格，在液压进油回路中增加一个蓄能器。

设计的液压振动试验系统不仅能满足高速动作要求，产生较大的推力和位移，并且在高频的时候也可以提供较大的激振力及流量。根据汽车零部件的试验技术要求，设计的液压原理图如图1所示。

图1 液压原理示意图

1.2 系统组成

高频电液激振系统控制原理及主要组成如图2所示。

图2 控制系统组成示意图

如图2所示高频激振系统主要由静压轴承伺服油缸、高频响伺服阀及其放大器、SSI输出位移传感器、力传感器、压力传感器、嵌入式CPU、带超采样模块、相关控制模块、TCP/IP通讯线、PC工控机及VB组态系统等组成。

采用静压轴承结构的伺服油缸，参数合适的静压轴承可以保证将摩擦副之间分隔开不会发生直接的摩擦，可以显著减少因密封圈产生的干摩擦及因此产生的换向瞬间的停顿，因而可以大大提高油缸乃至整个伺服系统的精度和性能。

高频激振控制系统核心包括具有高处理速度的嵌入式CPU和具有高响应性的MOOG 761伺服阀，以满足油缸高频状态下对数据采集和处理的要求;上位机采用研华工控机和VB组态系统的形式，VB组态系统可开发具有不同操作功能的界面和曲线显示界面;上位机通过以太网接口，运用TCP/IP协议与CPU通讯，并运用VB语言对操作界面进行开发，实现CPU与上位机的数据通讯与共享。

2 高频激振系统控制原理

文中介绍的高频激振系统试验台应用于汽车零部件的耐久性和可靠性试验，并按给定的正弦信号作往复运动。对于油缸的低频控制，一般对单个控制量(如位移、力)进行常规的PID控制，通过整定PID参数使控制量的实际值与设定值基本一致。但在高频控制中，由于油缸在高频动作的过程中数据的采集与处理也相应高很多，因此对单个控制量的PID控制已不能满足控制的要求，控制量的实际值与设定值偏差较大，控制滞后也较大，曲线失真严重，已不能满足实际的试验要求。

针对高频试验下油缸曲线失真严重的问题及本系统的控制特点，采用一种新的控制方法:对控制量的多个特征值进行PID控制。其技术特征在于:设定正弦信号的振幅、相位、偏差3个特征量与实际输出位移信号的振幅、相位、偏差3个特征量分别做PID控制，其输出用于校正设定正弦信号的振幅、相位和偏差，并且校正后的设定正弦信号直接控制伺服阀的阀芯动作，继而使得控制量的实际值与期望正弦信号保持同步。控制原理示意图如图3所示，是实现高频电液压激振系统试验要求的关键所在。

图3 高频控制原理示意图

3 控制优化

3.1 提高采样频率

对于响应频率要求达到100 Hz，系统采样频率应在200 Hz及以上，也就是在4 ms内控制系统要完成通讯、数据采集、运算、输出控制等一系列流程，因此对各个环节的响应时间必须严格控制。

系统采用带超采样的模拟量模块 (相对普通的模拟量模块，带超采样的模拟量模块把每个扫描周期的信号分成100份后进行处理)，带超采样的模块采集位移和力的输入值，并送给PLC进行运算处理。带超采样的模块采样频率一般可达25 MHz，完全满足了系统对采样时间的要求。

3.2 线性拟合

伺服阀的频宽是决定系统工作频率的关键因素之一，该系统采用美国MOOG 761系列伺服阀，该系列伺服阀幅值比在-3 dB时对应阀的频率为80～90 Hz之间，因此，伺服阀在90 Hz以上工作时，频率越高，衰竭越严重。为减小在90 Hz以上高频时由于伺服阀本身引起的衰竭，对输入的正弦信号幅值作线性拟合，增大幅值量。

4 实例分析

该高频激振系统对输入正弦信号的多个特征值进行PID控制，采用带超采样的模块对数据进行处理，对幅值进行线性拟合，并做了大量试验，试验结果如下:

正弦激振力:10 kN

频率范围:0.5～120 Hz，0.1精度任意设置控制精度:±0.05 mm或±50 N

如图4所示为频率100 Hz、振幅0.05 mm时系统检测出的曲线图。

图4 100 Hz时曲线图

由图4可知，该系统具有激振力大、调频范围宽、位移量大、频率高、精度高和稳定性高等特点。应用结果表明该控制系统较好地满足了实际试验要求，且整个控制系统操作简单方便、便于检测与监控。

5 结束语

介绍了高频激振系统的组成、控制原理及其控制优化，并将该系统应用在某汽车零部件试验中，结果表明该系统激振力可达10 kN，激振频率达120 Hz，控制精度为±0.05 mm或±50 N，较好满足了高频、高精度和高稳定性的实际使用要求，且整个控制系统操作简单方便、便于检测与监控。

［1］韩意斌，俞浙青，阮健.新型高频电液激振器［J］.液压与气动，2007，31(6):67-69.

［2］邢彤，左强，杨永帅.液压激振技术的研究进展［J］.中国机械工程，2012，2(23):362-366.

［3］程辉，俞浙青，阮健.新型电液激振试验台的高频特性研究［J］.液压与气动，2010(6):28-30.

［4］姜伟，胡新华.高频液压激振器的仿真研究［J］.机床与液压，2003，31(3):131-132.