李 磊，趙升噸，范淑琴

(西安交通大學機械工程學院，陜西 西安 710049)

0 前言

20世紀70年代以來，國內開始了對電液伺服系統(tǒng)的研究和應用。近年來，隨著國內機械工業(yè)的高速發(fā)展，對于高精度金屬成型裝備的需求大大增加，大規(guī)格電液伺服系統(tǒng)在鍛壓機械、軋鋼機械、折彎機中的應用越來越廣泛。而電液伺服閥的發(fā)展可以追溯到二戰(zhàn)末期，1940年前后，在飛機上最早出現了電液伺服控制系統(tǒng)［1］。電液伺服閥將輸入的小功率電信號轉換為大功率液壓輸出形式 (壓力和流量)，具有控制精度高和響應速度快的特點。電液伺服閥結構精密，對油液介質要求高，價格昂貴。典型結構有噴嘴擋板式和射流管式，噴嘴擋板式動態(tài)響應快，靈敏度高，但是零位泄漏量大，噴嘴易堵塞，如圖1所示。與噴嘴擋板式電液伺服閥相比，射流管式電液伺服閥抗污染能力強，但是響應速度略慢，如圖2所示。

為使電液伺服系統(tǒng)能夠可靠并廉價地應用到實際工業(yè)生產中，20世紀60年代末，出現了電液比例閥，如圖3所示。電液比例閥是閥內比例電磁鐵根據輸入的電壓信號產生相應動作，使閥芯產生位移，閥口尺寸發(fā)生改變并以此完成與輸入電壓成比例的壓力、流量輸出的元件［2］。后來又經過了一系列的發(fā)展，20世紀末，伺服技術與比例技術相結合，伺服比例閥應運而生，如圖4所示。與電液伺服閥相比，電液比例閥抗污染能力強，成本低，但是其直線性和響應速度均不及電液伺服閥。中國蘭石重工于2008年成功研制的45MN快速鍛造液壓機組的液壓系統(tǒng)采用了大通徑伺服比例閥組作為控制元件，解決了大運動慣量部件在高壓、大流量、頻繁換向工況下平穩(wěn)控制的問題，取得了良好的經濟和社會效益。

電液伺服閥和電液比例閥有其獨有的特點和優(yōu)勢，但也因其自身結構特點的原因，有一些先天的劣勢。特別是當要求輸出的液壓功率較大，而電－機械轉換元件輸出功率較小，無法直接驅動功率級主閥時，需要增加液壓先導級，無疑使閥的結構更加復雜，穩(wěn)定性降低。而電磁直驅式大規(guī)格電液伺服閥以其新的設計思路很好地解決了這些問題，所以對電磁直驅式大規(guī)格電液伺服閥的研究有著重要的意義。

1 電磁直驅式電液伺服閥研究現狀

直接驅動的本質就是取消從動力部件到工作部件之間的一切中間機械傳動環(huán)節(jié)，由動力部件直接驅動工作部件動作，實現所謂“零傳動”。嚴格定義上的直接驅動方式就是動力源不經過任何傳動鏈直接驅動負載，而受現有技術條件的制約，目前的很多直驅方式往往指“準直驅或近直驅”。

由于取消了中間傳動環(huán)節(jié)，不存在滯后問題，保證了系統(tǒng)的傳動精度和定位精度，減小了機械磨損，提高了系統(tǒng)可靠性。所以采用直驅結構的設備動態(tài)響應速度快，而且一般系統(tǒng)的電磁時間常數遠小于機械時間常數。直接驅動可具有更大的加速度和更短的定位時間，以及更高的控制精度。所以直驅式電液伺服閥有著常規(guī)伺服閥和比例閥所達不到的性能優(yōu)勢，引起了國內外很多研究人員和相關廠商的興趣。上世紀80年代中期美國就已經有人申請了關于直驅閥的專利，90年代初，世界幾個主要的伺服閥廠商已經有了各自的代表性直驅閥產品，并以其優(yōu)異的性能占領了國內外的大部分市場，特別是應用到了金屬擠壓、鍛造、壓鑄等關乎國家命脈的重工業(yè)中，90年代中期以來國內也展開了對直驅式伺服閥的一系列研究。

現有的電磁直驅式伺服閥大多是由電－機械轉換器直接驅動閥芯運動，減少傳動環(huán)節(jié)，達到直驅目的。電－機械轉換器作為機電設備的動力源頭，是連接電氣信號與機械動作之間的橋梁，也是實現直接驅動的關鍵部件。電磁直驅式伺服閥上使用的電－機械轉換器主要有直線力馬達、壓電元件、超磁致伸縮材料、旋轉比例電磁鐵、步進電機、直線電機等，本文就現階段國內外各種電磁直驅式電液伺服閥的工作原理以及結構特點展開分析。

1.1 電磁直驅式電液伺服閥國外研究現狀

美國MOOG(穆格)公司是全球著名的精密運動控制產品設計制造商和系統(tǒng)集成商。MOOG公司生產一種直接驅動式伺服閥，簡稱DDV(Direct Drive Servo Valve)，用集成電路實現閥芯位置的閉環(huán)控制，如圖5所示。該閥的電－機械轉換器是永磁直線力馬達，用它來直接驅動閥芯。對中彈簧使閥芯保持在中位，直線力馬達克服彈簧的對中力使閥芯在兩個方向都可偏離中位，平衡在一個新的位置，解決了比例電磁線圈只能在一個方向產生力的不足之處。閥芯位置閉環(huán)控制電子線路與脈寬調制 (PWM)驅動電子線路固化為一塊集成塊，用特殊連接技術固定在伺服閥內。從結構上取消了噴嘴－擋板前置級、用大功率的直線力馬達替代了小功率的力矩馬達，用先進的集成塊與微型位置傳感器替代了工藝復雜的機械反饋裝置－力反饋桿與彈簧管，從而簡化了結構，提高了可靠性，大大地降低了制造成本，卻保持了帶噴擋板前置級的兩級伺服閥的基本性能與技術指標［3］。DDV閥現在已廣泛應用于壓鑄、冶金等重工業(yè)設備上。

圖5 MOOG DDV伺服閥結構圖Fig.5 Structural drawing of MOOG DDV Servo-valve

日本三菱公司與日本KYB公司合作研制了MK系列動圈式電液伺服閥，是一種新型力馬達驅動全電反饋電液伺服閥。MK閥分直動式伺服閥 (單級滑閥)和兩級伺服閥 (直動式伺服閥作先導閥加第二級主滑閥)兩種形式。它們分別與位置傳感器、傳感器放大器及伺服放大器構成全電反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。

直動式MK閥的結構如圖6所示，主要由三部分組成:力馬達部分、閥體部分及位移傳感器部分。電氣元件部分是干式的。動圈運動時直接推動閥芯產生位移，閥芯的位移由位移傳感器檢測出并反饋回輸入端，形成電氣反饋。直動式的優(yōu)點是結構簡單，電氣反饋使結構更為簡單化，從而使可靠性提高。

兩級MK閥的結構如圖7所示。第二級閥又稱為主閥，以直動式閥為先導閥來控制第二級主閥芯。主閥芯與差動變壓器式位移傳感器的鐵芯連接。主閥芯的運動通過此位移傳感器轉換成與位移量成比例的電信號，該信號反饋回輸入端形成兩級電反饋。在主閥與先導閥之間設計了減壓閥，減壓閥可以保證給先導閥提供穩(wěn)定的供油壓力［4］。

MK系列電液伺服閥已經應用于寶鋼1580熱軋生產線上，從實際使用情況來看，MK系列閥相比于一般軋機上使用的噴嘴擋板型電液伺服閥抗污染能力強，并且具有更高的頻響和可靠性，保證了寶鋼1580熱軋生產線穩(wěn)定高效地運行。

壓電器件作為伺服閥驅動器是隨著壓電材料性能大幅度提高而發(fā)展起來的。壓電驅動器具有響應快速，易于控制以及控制精度高的特點。應用于伺服閥的壓電驅動器主要有雙壓電晶片型驅動器和壓電疊堆型驅動器兩種，雙晶片型主要用于噴嘴擋板閥，壓電疊堆型主用于直驅式伺服閥。

美國CSA工程公司研發(fā)了一種直驅式壓電伺服閥［5］，圖8為直驅式壓電伺服閥結構示意圖，圖9為直驅式壓電伺服閥原型機，壓電疊堆替代了電磁轉矩馬達和液壓放大器。除此之外，在壓電伺服閥中無機械反饋裝置。上部的壓電疊堆驅動組件右側的垂直杠桿元件。杠桿有效放大了壓電運動，使其增加了五倍甚至更多的行程。杠桿臂支點處把壓電材料密封，與液壓油隔絕，垂直位置的杠桿臂還避免了流體壓力對閥芯軸向加載使閥芯偏離中位的情況。閥套定位螺釘通過壓縮閥套預緊彈簧使得閥套內的閥芯軸向定位。壓電疊堆使用來自羅克韋爾科學公司的一種特殊的高應變PLZT材料。通過在左端蓋安裝反饋傳感器檢測閥芯狀態(tài)來實現電控。

日本的Takahiro Urai等人用GMM轉換器設計出了直動式伺服閥。GMM(Giant Magnetostrictive Material——超磁致伸縮材料)與傳統(tǒng)的磁致伸縮材料相比，在一定磁場作用下能產生更大的長度或體積變化。圖10是GMM直動式伺服閥的原理圖，線圈中變化的電流產生磁場，使GMM伸縮，與GMM轉換器直接相連的閥芯繼而產生輸出位移，從而控制閥口開度，達到流量控制的目的。超磁致伸縮材料的變形特性為非線性，所以要用位置傳感器和放大級使用PI閉環(huán)控制的方法加以調節(jié)和克服。該閥的特點是采用閉環(huán)控制，結構緊湊，精度高，響應快［6］。

1.2 電磁直驅式電液伺服閥國內研究現狀

北京機床研究所在1995年末開始研制直接驅動式電液伺服閥并在1996年底試制了一批，圖11為該所研制的直驅式電液伺服閥結構圖。該閥主要由3部分組成，即直線力馬達、液壓閥及放大器組件，其核心部分是直線力馬達。直線力馬達是由一對永久磁鋼，左、右導磁體，中間導磁體，銜鐵，控制線圈及彈簧片組成。當一個電指令信號施加到閥芯位置控制器集成塊上，電子線路在直線力馬達上產生一個脈寬調制(PWM)電流，振蕩器就使閥芯位置傳感器(LVDT)勵磁，經解調后的閥芯位置信號和指令位置信號進行比較，閥芯位置控制器產生一個電流給直線力馬達，力馬達驅動閥芯，一直使閥芯移動到指令位置，閥芯的位置與電指令信號成正比，伺服閥的實際流量是閥芯位置與通過節(jié)流口的壓力降的函數［7］。

浙江工業(yè)大學流體傳動及控制研究所的阮健等研制出2D數字換向閥，其結構如圖12所示。步進電機通過傳動機構驅動閥芯在一定的角度范圍內正、反向轉動。在閥芯的左端臺肩上軸對稱地開設兩對與進油相通的高壓孔和與回油相通的低壓孔，在閥孔左端的內表面上軸對稱地開設一對螺旋槽，其左端與閥左腔相通。當閥芯在閥孔中處于正常的工作位置時，高壓孔與低壓孔分別處于螺旋的兩側，并且與螺旋槽之間形成微小的弓形縫隙，這兩個微小的弓形面積串聯而成阻力半橋，閥的右腔與進油相通，其面積為閥芯左端面一半。當閥芯相對靜止時，閥左腔的壓力近似為進油壓力的1/2，這時高低壓孔與螺旋槽之間所形成的微小的弓形面積相等。當步進電機驅動閥芯轉動使得高壓孔與螺旋槽之間形成的弓形面積增大、低壓孔與螺旋槽之間形成的弓形面積減小，則左敏感腔的壓力升高，閥芯所受的軸向力失去平衡，閥芯向右移動直到高低壓孔又回到靜止時與螺旋槽之間所處的相對位置。當步進電機驅動閥芯反方向轉動，則左敏感腔的壓力下降、閥芯左移［8］。

圖12 浙江工業(yè)大學2D數字換向閥結構圖Fig.12 Structural drawing of 2D digital reversing valve made by Zhejiang University of Technology

國內也對直動式壓電伺服閥展開了研究，吉林大學沈傳亮等試制出一種新型壓電驅動單級電液伺服閥，圖13為直動閥的結構圖。壓電疊堆的輸出位移通過右端延長桿作用到滑閥，再通過左端延長桿使彈性回復板發(fā)生形變。當輸入電壓增加時，壓電疊堆伸長，推動滑閥向左運動;當輸入電壓減小時，由彈性回復板的回復作用力使滑閥向右運動，實現滑閥的雙向運動［9］。

浙江大學丁凡教授領導的團隊于2005年研發(fā)出如圖14所示的直動式電液伺服閥，閥芯采用滑閥式結構，閥體兩端采用對頂彈簧實現閥芯的對中，由電－機械轉換器的輸出推桿直接驅動，電渦流傳感器的位移敏感器件與電－機械轉換器的位移輸出裝置連接，實現對閥芯位移的測量及反饋。為便于零位調節(jié)，在閥體一端加入了調零裝置［10］。

太原理工大學王成賓等提出用直線步進電機直接驅動閥芯運動的數字閥，通過連桿、連軸器組成的傳動裝置，將直線步進電機的直線運動傳遞給滑閥閥芯，如圖15所示?？梢詫⒘髁俊毫头较虻纫簤合到y(tǒng)的控制量轉化為脈沖電流由單片機直接控制。這種直線步進數字閥可作為先導閥，也可以直接控制功率級閥芯，控制較大的流量和壓力［11］。

圖15 直線步進電機控制的數字閥原理圖Fig.15 Schematic diagram of digital valve controlled by linear stepping motor

以上所述的直驅式電液伺服閥的閥芯均采用了直線運動的滑閥形式，相對于滑閥而言，轉閥的問題是徑向力不平衡，限制了它的使用場合［12］。崔劍在浙江大學博士研究期間提出一種直動式電液伺服轉閥，其液壓組件采用轉軸式閥芯設計，其閥芯閥套采用了對稱的幾何結構，使得閥芯沿徑向受力均勻，有效補償了轉閥的徑向不平衡力，通過減小運動部件的轉動慣量，提高了動態(tài)負載性能。

直動式電液伺服轉閥結構如圖16所示，其雙向旋轉比例電磁鐵的轉子通過柔性連軸器驅動轉軸式閥芯旋轉，實現伺服轉閥對油液方向，工作壓力和流量大小的控制。閥芯的對中與調零通過彈簧平衡機構實現，添加電渦流角度傳感器可實現閥芯角位移的反饋控制，提高該伺服轉閥的控制精度和工作性能［13］。

圖16 直動式電液伺服轉閥結構圖Fig.16 Structural drawing of direct drive electromechanical servo reversing valve

在對常規(guī)電液伺服閥、電液比例閥結構及特點做了詳細的介紹，并分析了現階段國內外主要的電磁直驅式電液伺服閥的技術特點后，對這三類閥進行了性能比較見表1。

表1 伺服閥、比例閥、直驅閥性能對照表Table 1 Contrast table of servo valve，proportional valve and direct drive valve

2 電磁直驅式電液伺服閥的發(fā)展趨勢

新材料的發(fā)展帶動了電－機械轉換器的更新換代，使其性能得到了顯著提高，衍生出了多種新型電磁直驅式電液伺服閥。表2對本文中涉及到的幾種電－機械轉換器作了簡單的比較。

上述的電－機械轉換器都有自己獨到的優(yōu)點，但是也有自身的局限性。雖然可通過外部硬件和軟件系統(tǒng)加以改善，但是無疑增加了電磁直驅式電液伺服閥的復雜程度和制造成本。而近年來隨著伺服電機的驅動方式的改進，其快速性和精度在不斷提高，而且伺服電機輸出轉矩大，有較大的功率重量比，也不會出現步進電機的丟步問題，控制方法成熟，其自身就可以實現閉環(huán)/半閉環(huán)控制，有著很高的性價比，是電磁直驅式電液伺服閥的電－機械轉換器的理想元件。

表2 各類電 － 機械轉換器的優(yōu)缺點［14］～［18］Table 2 Advantages and disadvantages of various electro-mechanical converters

采用伺服電機作為電磁直驅式電液伺服閥的動力源，研發(fā)創(chuàng)新的閥芯驅動方式，對轉閥可直接進行驅動，也可設計運動轉換機構驅動直線運動的滑閥。利用CFD(Computational Fluid Dynamics——計算流體動力學)方法進行新型電磁直驅式電液伺服閥的電磁場、溫度場、壓力場、位移場的理論建模及數值模擬，優(yōu)化主閥體的設計，實現直驅閥小型化。

另外，采用閥芯－閥套結構的主閥體因污染而產生的失效形式有四種:沖蝕失效、淤積失效、卡澀失效、腐蝕失效［19］。針對這一問題，可對關鍵零部件采取表面硬化處理或使用特殊材料。例如star公司制造的伺服閥中，節(jié)流口和反饋桿頂部都使用了藍寶石材料，而柔性套筒則以鈦金屬作為原材料。從實際使用情況看，大大提高了伺服閥的使用壽命。

針對伺服電機直驅式電液伺服閥展開控制理論與技術的相關研究工作，使控制系統(tǒng)元件能夠與直驅式電液伺服閥相匹配，實現閥的全閉環(huán)控制和自檢測功能，最終實現對液體流量、壓力、方向的在線控制。

3 結論

(1)電磁直驅式液壓閥將新型電機技術、控制技術、液壓技術和機械技術緊密結合，隨著新型高性能電－機械轉換器的出現，為電磁直驅式大規(guī)格電液伺服閥的工業(yè)化應用奠定了良好的基礎。

(2)電磁直驅式電液伺服閥結構簡單、動態(tài)響應速度快、工作可靠、抗污染能力強、維修使用成本低，是今后電液伺服閥的主要發(fā)展方向。

(3)目前用于擠壓與鍛造設備中的大規(guī)格電液伺服閥采用常規(guī)的多級放大控制方式，造成了該閥體積龐大，對油液的過濾精度要求苛刻，價格昂貴，且主要依賴于國外幾個著名企業(yè)進口。而電磁直驅式電液伺服閥很適合在惡劣工況下工作的擠壓設備與鍛造設備中使用。

(4)應加大對適用于擠壓與鍛造設備的新型電磁直驅式大規(guī)格電液伺服閥的研發(fā)力度，盡快開發(fā)出具有自主知識產權的相應產品，提高我國擠壓與鍛造設備的國際競爭力。

［1］ Maskrey，R．H．and Thayer，W．J．A brief history ofelectrohydraulic servomechanisms ［J］．Trans．ASME，J．Dynamic Systems，Measruement and Control，1978(100):110 －116．

［2］ 蘇東海，任大林，楊京蘭．電液比例與電液伺服閥性能比較及前景展望 ［J］．液壓氣動與密封，2008，(4):1－4．

［3］ 朱盤生．MOOG(穆格)DDV伺服閥 ［J］．液壓與氣動，1996，(5):20－21．

［4］ 肖凱鳴，虞勤儉，王渝等．MK電液伺服閥結構原理及性能［J］．液壓氣動與密封，1998(4):33－36．

［5］ Jason E．Lindler and Eric H．Anderson，Piezoelectric Direct Drive Servovalve ［J］．Proc．SPIE 4698，2002:488－496．

［6］ 王傳禮．基于GMM轉換器噴嘴擋板伺服閥的研究 ［D］．杭州:浙江大學，2005．

［7］ 姚建庚．直接驅動式電液伺服閥 ［J］．液壓與氣動，1999(4):36－38．

［8］ 阮健，裴翔，李勝．2D電液數字換向閥 ［J］．機械工程學報，2000(3):86－89．

［9］ 沈傳亮，程光明，楊志剛，等．新型直動式壓電伺服閥 ［J］．機械工程學報，2004(9):125－128．

［10］ 李其鵬，丁凡．一種新型直動式電液伺服閥的研制閥 ［J］．機床與液壓，2010(7):88－90．

［11］ 王成賓，權龍．直線步進電機閉環(huán)控制的數字閥研究 ［J］．機床與液壓，2008(11):38－41．

［12］ 毛衛(wèi)平．液壓閥 ［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2009．

［13］ 崔劍．回轉直動式電液伺服閥關鍵技術研究［D］．杭州:浙江大學，2008．

［14］ 姜繼海，鄒小舟，田源道等．磁滯非線性對直驅式電液伺服閥性能的影響 ［J］．液壓氣動與密封，2007(2):22－25．

［15］ 方群，黃增．電液伺服閥的發(fā)展過程、研究現狀及趨勢 ［J］．機床與液壓，2009(11):1－5．

［16］ 崔劍，丁凡，李其鵬等．電液伺服轉閥耐高壓雙向旋轉比例電磁鐵 ［J］．機械工程學報，2008(9):230－235．

［17］ 李松晶，阮健，弓永軍．先進液壓傳動技術概論［M］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，2008．

［18］ 蔣良華．直線電機關鍵技術問題及其解決辦法探討 ［J］．裝備制造技術，2008(4):37－39．

［19］ 汪迪敏．通過污染控制延長比例閥和伺服閥的壽命 ［J］．重型機械，2003(1):5－7．