王海玲

(南京機(jī)電液壓工程研究中心航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210061)

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外航空、航天、船舶等行業(yè)的高速發(fā)展，電液伺服閥在液壓伺服控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。

電液伺服閥是電液伺服控制系統(tǒng)中的重要控制元件，在系統(tǒng)中起電液轉(zhuǎn)換和功率放大作用。具體地說(shuō)，系統(tǒng)工作時(shí)它直接接收系統(tǒng)傳遞來(lái)的電信號(hào)，并把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有相應(yīng)極性的、成比例的、能夠控制電液伺服閥的負(fù)載流量或負(fù)載壓力的信號(hào)，從而使系統(tǒng)輸出較大的液壓功率，用以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電液伺服閥的性能和可靠性將直接影響系統(tǒng)的性能和可靠性，是電液伺服控制系統(tǒng)中引人注目的關(guān)鍵元件［1］。

目前，應(yīng)用最為廣泛的伺服閥主要是帶有前置閥的兩級(jí)或三級(jí)閥，如噴嘴－擋板式電液伺服閥、射流管式電液伺服閥和射流偏轉(zhuǎn)板式電液伺服閥。這些伺服閥性能優(yōu)良，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，制造困難，成本高，且抗污能力較差。

由于直接驅(qū)動(dòng)式伺服閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、可靠性高、抗污染能力強(qiáng)、適用領(lǐng)域廣泛等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

浙江工業(yè)大學(xué)研制的2D數(shù)字伺服閥，利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為電－機(jī)械的轉(zhuǎn)換器，為了保證較高的響應(yīng)速度和定位精度，應(yīng)用DSP設(shè)計(jì)了一種嵌入式數(shù)字閥專用控制器，對(duì)閥進(jìn)行嵌入式閉環(huán)伺服控制［2］。北京航空航天大學(xué)研制的新型高性能直接驅(qū)動(dòng)電液伺服閥，在結(jié)構(gòu)上采用轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯取代滑動(dòng)閥芯，變滑閥結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)閥，有效減少了閥的液動(dòng)力，極大地提高了閥的抗污染性能，在驅(qū)動(dòng)控制上采用直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)閥芯，將對(duì)閥的控制轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)電機(jī)的控制，易于實(shí)現(xiàn)閥的數(shù)字控制［3］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的直接驅(qū)動(dòng)式電液壓力伺服閥具有體積小、質(zhì)量輕、抗污染能力強(qiáng)、性能好等優(yōu)點(diǎn)，通常用于飛機(jī)剎車系統(tǒng)，且廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域［4］。浙江科技學(xué)院，基于一種永磁極化式雙向比例電磁鐵和耐高壓電渦流位移傳感器，提出一種新型直動(dòng)式電液伺服閥［5］。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

基于直接驅(qū)動(dòng)式伺服閥的特殊優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，直接驅(qū)動(dòng)式伺服閥得到了快速的發(fā)展與應(yīng)用。圖1為一種旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)式伺服閥。

該型旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)伺服閥主要由閥芯、殼體、有限轉(zhuǎn)角電機(jī)構(gòu)成，是一種由有限轉(zhuǎn)角電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的電液伺服閥。其工作原理為:指令信號(hào)通過(guò)伺服閥電子控制器輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)有限轉(zhuǎn)角電機(jī)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸端的偏心機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為閥芯的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)閥芯開口的開度，輸出對(duì)應(yīng)的流量Q。電機(jī)通過(guò)內(nèi)置的角位移傳感器反饋給控制器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)伺服閥流體流量和方向的控制。

圖1 旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)伺服閥原理圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該型旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)伺服閥主要由閥芯、殼體、有限轉(zhuǎn)角電機(jī)構(gòu)成。其中閥芯、殼體組成了該型伺服閥的滑閥級(jí)，有限轉(zhuǎn)角電機(jī)為驅(qū)動(dòng)部分，如圖2所示。

圖2 閥芯、殼體組成的滑閥級(jí)

當(dāng)閥芯隨著有限轉(zhuǎn)角電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)向右移動(dòng)行程Xv時(shí)，1腔對(duì)應(yīng)輸出流量Q;當(dāng)閥芯隨著有限轉(zhuǎn)角電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)向左移動(dòng)行程Xv時(shí)，2腔對(duì)應(yīng)輸出反向流量Q，從而實(shí)現(xiàn)輸出控制流量的功能。

式中:Q為輸出流量，L/min;

Cd為流量系數(shù);

W為面積梯度，m;

ps為額定壓力，MPa;

ρ為工作介質(zhì)密度，kg/m3。

2 有限轉(zhuǎn)角電機(jī)的研制

2.1 有限轉(zhuǎn)角電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖3所示，有限轉(zhuǎn)角電機(jī)主要由定子組件、轉(zhuǎn)子組件、角位移傳感器等組成。其中偏心驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與電機(jī)軸有機(jī)地結(jié)合為一體，既節(jié)省了空間，又提高了可靠性;電機(jī)為濕式結(jié)構(gòu)，液壓油可以進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部以冷卻永久磁鐵;角位移傳感器是一種線性霍爾傳感器，安裝在電機(jī)內(nèi)部，為控制器提供電機(jī)位置反饋信號(hào)。

圖3 有限轉(zhuǎn)角電機(jī)

當(dāng)電機(jī)通電后，定子組件產(chǎn)生兩對(duì)沿圓周方向極性交替分布的磁極，它與轉(zhuǎn)子組件的4塊永磁體磁極相互作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)改變定子電源通電極性時(shí)轉(zhuǎn)子即反向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)控制電源極性，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，使電機(jī)往復(fù)擺動(dòng)。端子上的角位移感器隨轉(zhuǎn)子往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，通過(guò)感應(yīng)轉(zhuǎn)子永磁體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中漏磁場(chǎng)的變化，使得傳感器輸出電壓值隨磁場(chǎng)變化而發(fā)生相應(yīng)的線性變化，將信號(hào)反饋給系統(tǒng)控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)擺動(dòng)方向和極性的控制。

2.2 有限轉(zhuǎn)角電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

有限轉(zhuǎn)角電機(jī)是旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)伺服閥的驅(qū)動(dòng)元件，該部件既是伺服閥中將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)作的關(guān)鍵部件，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)流量控制的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接影響該結(jié)構(gòu)伺服閥的整體性能。

傳統(tǒng)電機(jī)大多數(shù)為定子無(wú)槽結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝成熟，但定轉(zhuǎn)子氣隙較大，轉(zhuǎn)矩密度低，在有限的體積內(nèi)無(wú)法滿足電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的要求。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，選用定子有槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)定轉(zhuǎn)子氣隙較小，轉(zhuǎn)矩密度大，在有限體積內(nèi)能夠輸出滿足使用要求的轉(zhuǎn)矩，并且具有質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)。

為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制要求。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)使用位移傳感器作為位置反饋裝置。在同類電機(jī)中通常采用電容式位移傳感器，它由電容和轉(zhuǎn)子電容組成，即在定子上安裝4個(gè)電極，并將轉(zhuǎn)子的延伸部分做成另一個(gè)電極，當(dāng)轉(zhuǎn)子擺動(dòng)時(shí)，定子電極與轉(zhuǎn)子電極的相對(duì)位置發(fā)生變化，使得電機(jī)的電容量發(fā)生變化，將電容量的變化反饋給控制器。此類反饋裝置，體積較大、質(zhì)量較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。

在電機(jī)體積、質(zhì)量與輸出性能的綜合考慮下，選用線性霍爾傳感器作為位置反饋裝置，它具有精度高、體積小、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，保證結(jié)構(gòu)的緊湊和性能可靠。

2.3 有限轉(zhuǎn)角電機(jī)的性能

有限轉(zhuǎn)角電機(jī)是實(shí)現(xiàn)伺服閥性能的核心控制部件，因此，對(duì)電機(jī)的輸出特性要求較高。有限轉(zhuǎn)角電機(jī)所能達(dá)到的性能如表1所示。

表1 電機(jī)性能

其中，電機(jī)輸出的線性度與伺服閥的流量曲線的線性度有著密切的關(guān)系。從表1可以看出:電機(jī)的線性度良好，且滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

3 性能仿真與試驗(yàn)對(duì)比

在Simulink中建立旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)伺服閥的靜態(tài)仿真模型，根據(jù)實(shí)際的使用條件，在使用壓力28 MPa條件下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。可以看出:閥具有良好的線性度，輸出流量穩(wěn)定，且在額定壓力和額定電壓條件下，輸出流量為12.73 L/min，滿足 (13±2)L/min的設(shè)計(jì)要求。

圖4 流量特性曲線(100%額定信號(hào))

4 結(jié)論

(1)該產(chǎn)品是一種旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)式新型伺服閥，取消了機(jī)－液轉(zhuǎn)換和功率放大部分，充分利用運(yùn)動(dòng)部分實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，減少了零部件，與兩級(jí)伺服閥相比，可以降低加工、使用和維修成本低，同時(shí)降低了故障率;

(2)該產(chǎn)品為單級(jí)伺服閥，采用有限轉(zhuǎn)角電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，無(wú)噴嘴擋板、射流式伺服閥前置液壓放大級(jí)的小間隙 (孔徑)，具有很高的抗污染能力、零偏漂移小;

(3)旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)式伺服閥采用電反饋，其分辨率、滯環(huán)、頻率響應(yīng)等靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)高，零位穩(wěn)定性好;

(4)旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)伺服閥的靜動(dòng)態(tài)性能基本不受供油壓力大小影響，低壓下具有較高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，適合在0～28 MPa寬范圍壓力下使用。不僅適用于航空液壓系統(tǒng)環(huán)境，同樣也適用于航空燃油系統(tǒng)環(huán)境。

(5)該結(jié)構(gòu)伺服閥的開發(fā)和生產(chǎn)，在很大程度上擴(kuò)大了伺服閥的應(yīng)用領(lǐng)域，具有極大的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)前景。

［1］田源道.電液伺服閥技術(shù)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2008.

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［3］肖俊東，王占林，陳克昌.新型高性能直接驅(qū)動(dòng)電液伺服閥［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2005，24(12):1423 －1425.

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［5］李其朋，丁凡.一種新型直動(dòng)式電液伺服閥［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(13):88－90.