2D数字伺服阀

　　0　引言

　　在电液伺服控制系统中,电液伺服阀起着机电转换和信号放大作用,在很大程度上对整个系统的性能起到决定性的影响。喷嘴-挡板伺服阀采用力矩马达作为电-机械转换器,由于力矩马达的衔铁-挡板-反馈杆组件的转动惯量很小,因而其动态响应速度很快,同时由于该组件安装在弹簧管上,先导级喷嘴-挡板阀不受摩擦力的影响,因而又具有较好的重复精度和分辨率等静态特性。但是,喷嘴-挡板伺服阀的抗污染能力差,是其致命的弱点[1]。此外,还有结构复杂、加工和装配精度高、结构不适合高频响大流量的伺服阀(大流量一般采用更复杂的三级结构)、导控级泄漏限制工作压力提高及莫明的自激振荡等缺点。采用射流管阀代替喷嘴-挡板阀作为伺服阀的先导级,虽然在一定程度上改善了阀的抗污染性能,但却以较大的先导泄漏功耗为代价[2]。另外为了解决喷嘴-挡板伺服阀抗污染能力差的问题,以及进一步提高伺服阀的频响,MOOG公司最早将用于动圈式喇叭的音圈电机(VoiceCoilServoMotor)研制开发了动圈式伺服阀[3]。它具有电感很小、动态响应速度非常高的优点[4]。但动圈式伺服阀由于受阀芯摩擦力的影响较为严重,静态特性不够理想;同时由于结构限制动圈无法贴壁散热,大电流工作时往往需要采取辅助的冷却措施。由于电子驱动技术的发展及工业发展的需求,上世纪80年代出现了采用LVDT测量阀芯的位置对其构成位置闭环控制比例伺服阀,它具有很高的定位控制精度和分辨率,但动态响应仍较喷嘴-挡板伺服阀差。

　　2D伺服阀利用单个阀芯的旋转和滑动的双运动自由度而设计的伺服螺旋机构实现伺服阀功率级的液压放大功能,相对其他伺服阀具有结构简单、抗污染能力强、构成导控阀导控级的零位泄漏小、固有频率高、动态性能好等优点[5]。在电液伺服阀中除了要求液压功率放大级具有较好静动态特性外,还要求电机械转换器具有很好的性能。2D数字伺服阀利用步进电机作为电-机械的转换器,为了保证有较高的响应速度和定位精度,应用DSP设计了一种嵌入式数字阀专用控制器,对其进行嵌入式闭环伺服控制。

　　1　2D数字伺服阀的结构原理

　　2D数字伺服阀的结构如图1所示。它由阀体、电-机械转换器(步进电机)、传动机构和角位移传感器等组成。传动机构主要是用来连接电-机械转换器与阀芯实现运动传递和力矩放大作用,角位移传感器用来实时检测步进电机转子的角位移,实现对其闭环连续跟踪控制。

　　1. 1　2D伺服阀

　　2D伺服阀结构见图2,阀右腔通过小孔a,经阀芯杆内通道和小孔b与进油口(系统压力)相通,其面积为左腔的一半;左腔的压力由开设在阀芯左端台肩上的一对高低压孔和开设于阀芯孔左端的螺旋槽相交的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制。在静态时若不考虑摩擦力及阀口液动力的影响,左敏感腔压力为入口压力(系统压力)的一半,阀芯轴向保持静压平衡,与螺旋槽相交的高低压侧的弓形面积相等。当以逆时针(面对阀芯伸出杆)的方向转动阀芯,则高压侧的弓形面积增大、低压侧的弓形面积减小,左腔压力升高,并推动阀芯右移,同时高低压孔又回到螺旋槽的两侧,处于高低压侧弓形面积相等的位置,敏腔的压力恢复为入口压力(系统压力)的一半,保持轴向力平衡;若顺时针的方向转动阀芯,变化则正好相反,阀芯向左移动。在2D伺服阀中,阀芯角位移与轴向位移之间的转换运动与普通的机械螺旋机构的转换运动相一致,不同之处在于阀芯的轴向运动由液压静压力驱动的,因此实现2D伺服阀阀芯转角与轴向位移(主阀开口)转换的导控结构也称为液压伺服螺旋机构。从结构和工作原理可以看出2D伺服阀为一双级位置反馈液压流量伺服阀。