汪小芳，張軍

(1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇常州 213164；2.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院,陜西西安 710064)

0 前言

負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的功耗低，在重型汽車和工程機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于泵的變量機(jī)構(gòu)對流量變化的調(diào)節(jié)明顯滯后主閥閥芯響應(yīng)速度，導(dǎo)致主閥關(guān)閉后泵繼續(xù)工作，在管道中產(chǎn)生的多余流量形成液壓系統(tǒng)的沖擊。在極端的工作條件下，如高壓工作時主閥突然斷電，多余的高壓流量可能破壞液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，因此迫切需要通過臺架實驗研究負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的沖擊特性。

針對多余流量形成液壓沖擊的現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者通過增加阻尼孔和蓄能器進(jìn)行了研究，取得了一定的成效，但不是很理想。為明確負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的沖擊機(jī)制以及沖擊特性的影響關(guān)系，迪茹俠采用仿真和試驗分析的方法，確定了主泵滯后主閥關(guān)閉引起的多余流量是造成負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)沖擊的主要因素。在此基礎(chǔ)上，顧海榮等基于流量削減方法，提出在變量泵出口與負(fù)載敏感口之間設(shè)置比例插裝閥來控制變量泵出口壓力與負(fù)反饋壓力之間的壓差，可用于減弱液壓沖擊。相關(guān)實驗表明，主閥關(guān)閉時間影響系統(tǒng)沖擊效果，當(dāng)主閥關(guān)閉時間高于700 ms，液壓系統(tǒng)沖擊較小，因此主閥響應(yīng)速度影響系統(tǒng)沖擊特性。

比例閥電磁鐵影響主閥響應(yīng)特性，可簡化為一階慣性環(huán)節(jié)，方錦輝等采用仿真和試驗方式研究了伺服閥的比例電磁鐵控制特性，其試驗結(jié)果表明閥的響應(yīng)時間大于50 ms，但文中并未說明閥芯控制方法。現(xiàn)有針對液壓臺架的測控系統(tǒng)的研究主要集中在液壓系統(tǒng)的整機(jī)性能，為滿足液壓閥大電流的驅(qū)動需求，常利用板卡和PLC驅(qū)動比例閥放大模塊來驅(qū)動液壓閥。楊濤等人以PCI 數(shù)據(jù)采集卡為硬件開發(fā)了基于LabVIEW的液壓試驗測控系統(tǒng)，并用PID算法實現(xiàn)了對流量的閉環(huán)控制；文剛等人使用NI板卡設(shè)計了插裝閥實驗臺測控系統(tǒng)，采用放大器將采集到的電流放大后通過控制比例閥進(jìn)行系統(tǒng)壓力的控制。王紀(jì)森等采用信號采集板卡并結(jié)合運(yùn)動控制板卡，通過測控系統(tǒng)實現(xiàn)了液壓阻尼器試驗臺轉(zhuǎn)角和驅(qū)動電機(jī)的控制；楊林等人為了提高多路閥試驗臺測試精度問題，基于 PLC 開發(fā)了多功能的液壓多路閥試驗臺架。

已有的關(guān)于液壓臺架試驗都需要為液壓閥驅(qū)動增加額外驅(qū)動硬件，而且比例閥放大模塊響應(yīng)速度一般為100～400 ms，可滿足液壓系統(tǒng)功能控制需求，但無法滿足負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)主閥關(guān)閉時間10 ms的性能要求。工程機(jī)械車載PLC端口具有大電流和快速響應(yīng)的特點，滿足工程機(jī)械液壓系統(tǒng)20～50 ms控制響應(yīng)需求，在工程機(jī)械上得到廣泛應(yīng)用。這種直接驅(qū)動比例閥的方式可用于液壓臺架，實現(xiàn)閥的快速響應(yīng)特性，同時縮減附屬器件，從而提高液壓臺架測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

針對負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)沖擊特性需要主閥高速控制響應(yīng)特性的要求，采用車載PLC的PWM口直接驅(qū)動主閥比例閥控制主閥關(guān)閉速度，通過上位機(jī)通信方式構(gòu)建負(fù)載敏感液壓臺架的測控系統(tǒng)，實現(xiàn)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)沖擊特性試驗需求。

1 液壓臺架測控系統(tǒng)設(shè)計

1.1 負(fù)載敏感液壓臺架

為研究負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的沖擊削減方法，以力士樂的A10VSO28DFR泵和M4-12多路閥為對象設(shè)計了負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)試驗臺架原理如圖1所示。在此基礎(chǔ)上，采用作者所提的沖擊削減方法改進(jìn)了臺架功能，增加了防沖擊閥14，用于削減消除主閥關(guān)閉速度高于泵響應(yīng)速度造成的系統(tǒng)多余流量。為研究液壓系統(tǒng)的沖擊特性，在泵至單向節(jié)流閥之間安裝流量傳感器11測試主油路流量和2個壓力傳感器12和10測試負(fù)反饋壓力和系統(tǒng)壓力。試驗時，僅控制M4-12主閥在右位工作，研究不同主閥開口大小和關(guān)閉時間下的沖擊特性。

圖1 負(fù)載敏感液壓試驗臺架原理

臺架的系統(tǒng)流量通過MM430變頻器調(diào)控變頻電機(jī)，實現(xiàn)泵的轉(zhuǎn)速和排量調(diào)控。多路閥M4-12配套的驅(qū)動模塊為RA2-1/10比例放大器，可在單電壓狀態(tài)下實現(xiàn)主閥左/中/右位切換和閥口開口控制。然而，試驗發(fā)現(xiàn)RA2-1/10比例閥放大模塊響應(yīng)時間大于400 ms，僅能通過手動關(guān)閉M4-12閥實現(xiàn)主閥瞬時關(guān)閉的效果造成系統(tǒng)沖擊，難以滿足主閥切斷時間可調(diào)控的沖擊特性試驗要求。因此，沖擊特性試驗需要高響應(yīng)速度的主閥控制方法。

1.2 臺架測控系統(tǒng)設(shè)計

為滿足沖擊試驗要求，需要負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)主閥關(guān)閉時間和開口大小可調(diào)，調(diào)控時間至少為10 ms。根據(jù)沖擊試驗的需求，負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的沖擊試驗的輸入量為3AI(1個流量+2個壓力)，輸出口為1PWM(主閥)和1AO(變頻器控制)，因此選擇具有10 ms控制周期的車載Hersmor G16車載控制器，其PWM口具有電流反饋檢測功能，可實現(xiàn)主閥開口大小的精確控制。其中，主閥斷電條件試驗是直接切斷PLC電源來模擬，其余主閥開口和關(guān)閉時間則通過PLC控制PWM端口來實現(xiàn)。

為實現(xiàn)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)沖擊特性研究，需要實現(xiàn)指定條件的主閥控制及液壓系統(tǒng)參數(shù)的采集，為此提出基于上下位機(jī)的臺架測控系統(tǒng)，二者通過CAN總線通信，測控系統(tǒng)原理如圖2所示。下位機(jī)采用G16控制器控制液壓系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)指定要求的泵流量、負(fù)載壓力和主閥開口大小控制；上位機(jī)采用LabVIEW和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)壓力和流量的數(shù)據(jù)采集，用于分析沖擊特性。

圖2 沖擊試驗的液壓臺架測控系統(tǒng)

力士樂A10VSO28DFR型變量泵的額定參數(shù)為28 MPa、28 mL/r和40 L/min，據(jù)此系統(tǒng)選用量程為7.5～75 L/min和精度為2.5%的HYSENSE QT100渦輪流量計測量系統(tǒng)流量，并通過WS15281X1頻率轉(zhuǎn)換模塊將接收到的流量頻率信號轉(zhuǎn)換成0～5 V電壓信號。負(fù)載壓力和負(fù)反饋壓力選擇量程0～40 MPa和精度0.5%的Wika S-20壓力傳感器，輸出信號0～5 V。數(shù)據(jù)采集端口為3個AI，為此采集卡用4個同步AD通道的NI-9233采集模塊和cDAQ-9171機(jī)箱，構(gòu)建便攜式采集系統(tǒng)。液壓控制主要為主閥控制，通過1個PWM和1個CF(電流反饋)口實現(xiàn)主閥控制。上下位機(jī)的通信模塊為PEAK USB/CAN模塊。

2 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

液壓測控系統(tǒng)軟件功能包括上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集和通信功能，下位機(jī)的液壓閥控制功能和二者的通信模塊。上位機(jī)具有數(shù)據(jù)采集功能、CAN總線通信功能、數(shù)據(jù)存儲和圖表顯示等功能，下位機(jī)具有CAN總線通信、液壓功能控制(如主閥關(guān)閉時間和開口大小的控制)、電流反饋檢測等功能。上位機(jī)的測控系統(tǒng)的控制流程如圖3所示：系統(tǒng)初始化完成隊列配置、硬件參數(shù)預(yù)設(shè)等功能；參數(shù)配置主要是用于設(shè)置采樣參數(shù)和硬件參數(shù)；硬件錯誤是系統(tǒng)判斷采集卡和CAN卡是否存在等檢測；在采集過程中，采用多線程技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、CAN通信和數(shù)據(jù)處理的同時進(jìn)行。

圖3 測控系統(tǒng)流程

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

針對上位機(jī)在數(shù)據(jù)采集時，需實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、顯示和數(shù)據(jù)處理等功能，同時還與下位機(jī)進(jìn)行CAN總線的通信，為此，本文作者使用多線程、隊列和全局變量技術(shù)構(gòu)建采集系統(tǒng)，提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時性和效率，保證數(shù)據(jù)采集的實時性和避免數(shù)據(jù)丟失。隊列技術(shù)主要確保數(shù)據(jù)采集和顯示的獨立運(yùn)行，如圖4(a)所示，數(shù)據(jù)采集中采用了顯示和存儲兩個隊列，隊列參數(shù)與實際傳送數(shù)據(jù)類型一致。以采集的隊列為例，隊列參數(shù)主要包括采集通道數(shù)據(jù)及對應(yīng)的采集時間；若隊列中存在數(shù)據(jù)，則可解析隊列，如圖4(b)所示，將采集的原始沖擊數(shù)據(jù)存儲，用于后期離線分析。為滿足總線通信和臺架的交互功能，采用了多線程的技術(shù)結(jié)構(gòu)，確保CAN總線通信、數(shù)據(jù)解析以及數(shù)據(jù)顯示和人機(jī)交互的獨立性和實時性。通過全局變量，將采集系統(tǒng)中的壓力和流量參數(shù)以及CAN總線通信的控制參數(shù)在交互面板上顯示。

沖擊參數(shù)的數(shù)據(jù)采集主要使用LabVIEW的DAQmx功能函數(shù)，實現(xiàn)硬件配置、數(shù)據(jù)讀取和硬件釋放等功能。為了能實時查看沖擊過程的實時參數(shù)和取芯，以25 ms的采樣長度進(jìn)行存儲，采集的原始數(shù)據(jù)會被均值濾波后，如圖4(b)所示，通過全局變量傳入AI_Data，在人機(jī)交互界面中按照50 ms的周期更新數(shù)據(jù)。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程

2.2 CAN總線通信功能設(shè)計

通過CAN通信實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的功能控制，同時反饋控制參數(shù)。下位機(jī)系統(tǒng)將按照試驗要求控制主閥啟閉時間和開口大小，其中開口大小的反饋主要依據(jù)比例閥的反饋電流而定。為確保通信功能，設(shè)置了雙方通信協(xié)議，如表1所示，通過報文0x1F8(上位機(jī)發(fā)送)和0x1F9(PLC發(fā)送)傳遞信息。在0x1F8報文中，BYTE1～2為PWM設(shè)定值，控制主閥開口大小，該值與主閥的控制電流線性對應(yīng)。BYTE3和BYTE4為上升速率；BYTE5和BYTE6為下降速率，用于調(diào)節(jié)主閥啟閉的PWM變化斜率，其功能是在單位時間內(nèi)(如100 ms)控制主閥開口量線性減小/增加。BYTE7為主閥關(guān)閉標(biāo)志。BYTE8為主閥關(guān)閉周期，單位是10 ms/bit，用于控制主閥關(guān)閉時間。若主閥關(guān)閉標(biāo)志為置1，則PLC將根據(jù)主閥關(guān)閉周期(≥1)，在*10 ms內(nèi)按照程序逐漸削減PWM大小，直到主閥關(guān)閉。上位機(jī)發(fā)送報文的程序如圖5所示。下位機(jī)收到0x1F8后，PLC發(fā)送當(dāng)前狀態(tài)0x1F9報文給上位機(jī)，主要是反饋控制參數(shù)，確保通信功能正常。

圖5 CAN通信數(shù)據(jù)發(fā)送框

表1 CAN通信協(xié)議

CAN報文格式標(biāo)準(zhǔn)包括幀標(biāo)志CAN_ID、幀長度Length和幀數(shù)據(jù)Data_array(1-8B)。為了實現(xiàn)報文解析，可根據(jù)報文CAN_ID和參數(shù)在幀數(shù)據(jù)中的定義，按照文獻(xiàn)[25]中提出的柔性化測控系統(tǒng)實現(xiàn)報文解析。設(shè)置報文解析變量CAN Msg Para define、參數(shù)名稱、幀ID和通道參數(shù)(待解析內(nèi)容)，并定義為結(jié)構(gòu)體數(shù)組類型，通道參數(shù)定義包括通道名稱Channel_name、數(shù)據(jù)起始位、類型和長度。解析流程如圖6所示。由CAN卡采集的報文Rec_ID，搜索Msg Para define中的ID，如兩個ID相等，則讀取通道名稱定義的參數(shù)，根據(jù)定義解析參數(shù)；當(dāng)完成所有通道參數(shù)的解析，再解析下一個報文，CAN_Rec模塊中產(chǎn)生數(shù)據(jù)，采集到報文后，將自動進(jìn)行報文解析。

圖6 報文解析流程

2.3 比例閥控制策略

本文作者研究的核心是控制主閥開口大小和關(guān)閉時間，實現(xiàn)沖擊特性研究。硬件上采用PWM口驅(qū)動比例閥，同時利用PLC內(nèi)部的電流端口CF口檢測PWM口的實際輸出電流，根據(jù)比例閥開口與電流的關(guān)系可確定開口大小。為準(zhǔn)確控制開口大小，采用PID方法控制閥口輸出電流大小，控制誤差為10 mA，滿足液壓閥精度要求。為實現(xiàn)比例閥閥口的準(zhǔn)確關(guān)閉，以PLC的10 ms周期為基礎(chǔ)，設(shè)置主閥關(guān)閉時間為10 ms整數(shù)倍。當(dāng)進(jìn)行試驗時，設(shè)置PWM=10 000，對應(yīng)主閥的最大電流(如600 mA)，主閥開口與PWM大小線性映射。圖7為主閥關(guān)閉控制流程圖，首先定義變量，并賦初值，PWM_out為PLC輸出，PWM_in為PLC輸入，定義delta=PWM_in/Cut_Count為主閥關(guān)閉速率，Count為起始關(guān)閉時間，每增加一個周期其值自增1，Cut_Count為關(guān)閉周期，在關(guān)閉周期內(nèi)，主閥開口隨著關(guān)閉時間增加線性減小，當(dāng)關(guān)閉時間大于等于關(guān)閉周期時，說明主閥在設(shè)定的關(guān)閉周期內(nèi)完成關(guān)閉。例如，主閥開口量為100%，需要在50 ms使主閥完全關(guān)閉，則在5個周期內(nèi)線性遞減輸出PWM值，直至PWM=0，關(guān)閉主閥(實際主閥電流小于200 mA即關(guān)閉，但實際關(guān)閉時電流置0)。如果要在小于10 ms的時間內(nèi)關(guān)閉主閥，試驗采用的方法就是切斷PLC電源，實現(xiàn)最短時間內(nèi)的關(guān)閉，以滿足沖擊試驗要求。

圖7 主閥關(guān)閉控制流程

3 液壓系統(tǒng)沖擊試驗

3.1 臺架測控系統(tǒng)功能試驗

受液壓管路長短的影響，臺架的液壓沖擊時間為50～70 ms。為了驗證負(fù)載敏感液壓臺架測控系統(tǒng)的功能正確性和沖擊削減方法的有效性，設(shè)置采樣率為2 048 Hz，確保采集到?jīng)_擊過程。

測試系統(tǒng)人機(jī)交互界面主要包括采集卡通道配置、采樣率和采樣點的選擇，以及與液壓臺架主閥控制相關(guān)的主閥開口、主閥反饋電流以及主閥電流上升和下降的速率。同時界面包括了壓力和流量的實時參數(shù)，以及界面截圖、文件保存等功能。

為了驗證測控系統(tǒng)的功能，在系統(tǒng)流量20 L/min和負(fù)載壓力6 MPa下進(jìn)行功能測試。以主閥關(guān)閉時長30 ms為例，圖8為系統(tǒng)界面。可以看出：測控系統(tǒng)有效檢測到主閥關(guān)閉瞬間的系統(tǒng)沖擊過程。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，泵出口壓力從7.57 MPa升到10.20 MPa，液壓沖擊超調(diào)量34.7%，試驗驗證了測控系統(tǒng)功能的正確性。同時通過監(jiān)控界面可看到當(dāng)前閥口的PWM值為0，表明閥口已經(jīng)關(guān)閉，驗證CAN總線通信正確性以及下位機(jī)控制功能的正確性。由于主閥關(guān)閉，沖擊試驗后，負(fù)反饋壓力為0，負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)維持在最低壓力2 MPa工作，表明液壓系統(tǒng)工作正常。沖擊功能試驗既驗證了所設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)的正確性，同時表明采用PLC直接驅(qū)動比例閥，可實現(xiàn)定時和定開度的控制，滿足負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的沖擊特性要求。

圖8 液壓臺架測控系統(tǒng)沖擊試驗結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)處理方法對系統(tǒng)的影響

為比較不同數(shù)據(jù)處理方式的影響，在主閥相同關(guān)閉時長、系統(tǒng)相同流量和相同負(fù)載壓力情況下對比了普通連續(xù)采集和隊列采集的結(jié)果。采集方式區(qū)別在于隊列采集是將采集的數(shù)據(jù)傳送到隊列進(jìn)行分時處理；而連續(xù)采集是每采集一段數(shù)據(jù)后即進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和解析，信號采集與處理為串聯(lián)環(huán)節(jié)，處于同一個循環(huán)中。圖9是兩種采集方式的沖擊效果圖，兩種數(shù)據(jù)處理方式均能實現(xiàn)沖擊過程的準(zhǔn)確采集。但是，在連續(xù)采集中[圖9(a)]，泵出口壓力呈鋸齒狀，鋸齒位置處于兩個數(shù)據(jù)段之間，間隔為0.025 s，說明兩次相鄰的數(shù)據(jù)采集存在數(shù)據(jù)丟失。而圖9(b)所示的采用隊列處理的結(jié)果，沖擊過程中的壓力數(shù)據(jù)曲線平滑，表明采用隊列的數(shù)據(jù)采集和處理方法更適合臺架沖擊試驗。后續(xù)試驗均采用隊列處理方法。

圖9 不同數(shù)據(jù)采集方式下的沖擊特性曲線

3.3 關(guān)閉時間對沖擊的影響

為對比沖擊關(guān)閉時間的影響，在相同流量(20 L/min)，壓力分別為6、8 MPa下測試不同主閥關(guān)閉時間下的沖擊效果。

圖10是在負(fù)載壓力為6 MPa下不同主閥關(guān)閉時間的沖擊試驗結(jié)果，可知：瞬時關(guān)閉下的沖擊最大，沖擊超調(diào)率達(dá)到42.03%，隨著主閥關(guān)閉時間的增加，系統(tǒng)沖擊減小。

圖10 不同關(guān)閉時間下的沖擊過程

為進(jìn)一步說明沖擊的規(guī)律，圖11為6、8 MPa負(fù)載壓力下不同主閥關(guān)閉時間下的沖擊變化規(guī)律，可知：當(dāng)關(guān)閉時間大于700 ms后，系統(tǒng)沖擊小于10%；而關(guān)閉時間小于200 ms，系統(tǒng)沖擊均大于20%。在高壓工作下，系統(tǒng)突然斷電，液壓沖擊將嚴(yán)重危害系統(tǒng)元件的壽命。

圖11 主閥關(guān)閉時間與沖擊率的關(guān)系

3.4 沖擊削減試驗

為驗證所提沖擊削減方法的正確性，在所設(shè)計的臺架測控系統(tǒng)中，試驗對比了圖1中防沖擊閥14啟閉的效果。前期研究表明多余流量是造成液壓沖擊的根本原因，因此在大流量30 L/min和8 MPa的負(fù)載壓力下進(jìn)行試驗。圖12是臺架試驗測試結(jié)果，開啟防沖擊閥(流量消除)后，系統(tǒng)沖擊從原來14.92 MPa下降到13.2 MPa，表明所提方法是有效的。在此方法基礎(chǔ)上，后期可研究防沖擊閥的流量匹配，以進(jìn)一步削減系統(tǒng)沖擊。

圖12 沖擊削減對比試驗

4

(1)針對現(xiàn)有比例閥放大器響應(yīng)慢、無法滿足沖擊試驗的控制要求，采用車載PLC和LabVIEW的負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的測控系統(tǒng)，通過臺架沖擊試驗驗證了測控系統(tǒng)功能正確性；

(2)通過試驗對比分析了數(shù)據(jù)普通采集和隊列采集的結(jié)果，結(jié)果表明兩種方法均能采集到?jīng)_擊過程，但基于隊列的數(shù)據(jù)處理方法可保證數(shù)據(jù)不丟失和采集實時性；

(3)不同主閥關(guān)閉時間的試驗結(jié)果表明：小于200 ms的主閥關(guān)閉沖擊較大，在此基礎(chǔ)上驗證了所提流量削減方法的有效性；

(4)基于車載PLC可以直接驅(qū)動液壓閥，縮減了系統(tǒng)附件多導(dǎo)致的故障，且可有效保障比例閥的快速控制特性。文中采用的臺架測控方法可為其他液壓測控系統(tǒng)提供參考。