基于幅值裕度的电液伺服阀优化设计

　　电液伺服阀及电液伺服控制起源于第二次世界大战前后导弹与火箭的姿态控制[1].1950年美国人W.C.Moog Jr首次开发了航天航空用电液伺服阀.1950年起,液压技术在航空、航天、船舶、冶金和汽车等行业中得到了广泛的应用[2~5].电磁阀、比例阀、伺服 阀相继问世.电液伺服阀是电液伺服系统的重要元件,电液伺服阀的性能直接影响控制系统的性能.在电液伺服阀的设计和分析过程中,如何保证电液伺服阀的快速 性和稳定性,实现电液伺服阀的指标参数优化至关重要[6,7].本文根据电液伺服阀的频率特性,分析频宽、相裕度与幅值裕度之间的关系,从幅值裕度的角度 探讨如何优化电液伺服阀的结构和性能参数.

　　1　力反馈电液伺服阀结构原理

　　图1所示为力反馈两级电液伺服阀的原理图.力反馈电液伺服阀由动铁式力矩马达和双喷嘴挡板阀组成的前置放大级以及滑阀功率放大级两部分构成.当 输入控制电流Δi=0时,衔铁由弹簧管支承,处于上下永磁体的中间,挡板也处于两喷嘴的中间位置,主阀芯在零位,电液伺服阀无输出.当输入控制电流Δi 时,衔铁组件发生偏转,挡板相对中间位置也发生偏移,两喷嘴压差变化导致主阀芯两端产生压差,主阀芯偏离零位,电液伺服阀打开并输出相应大小的压力和流 量.改变控制电流大小和方向可以相应改变流量压力的大小和方向,且阀的输出量和衔铁偏转角度均与控制电流成比例.图中,i1,i2分别为输入控制电 流;p1p,p2p分别为主阀芯两端的压力;ps为供油压力;pA,pB分别为2个负载口的压力;p0为回油压力.

　　2　理论分析

　　2.1　基本方程[2]

　　分析电液伺服阀的数学模型时,假设电液伺服阀的主阀为理想零开口四通滑阀,且不考虑内泄漏.双喷嘴挡板至主阀芯左右容腔的流量线性方程为

　　式中:QLp为主阀芯运动时左右两腔负载口产生的流量;Kqp为喷嘴挡板阀的负载口流量增益;r为喷嘴孔轴心到衔铁旋转中心的距离;θ为衔铁的旋转角度;Kcp为喷嘴挡板阀负载口压力-流量系数;pLp为主阀芯两端的负载压差.

　　主阀芯运动时主阀芯左右容腔的流量平衡方程为

　　式中:Av为主阀芯的截面积;xv为主阀芯位移;Ctp为喷嘴挡板阀总泄漏系数,由于补偿腔泄漏很小,故设Ctp=0;βe为油液弹性系数;Vop为阀芯处于中位时由喷嘴、主阀芯和固定节流器组成的1个容腔大小.

　　主阀芯的力平衡方程

　　式中:mv为主阀芯的质量;Bv为阀芯运动粘性阻尼系数;Bf为阀芯的瞬态液动力系数;Kf为反馈杆的弹簧刚度;Kf0为作用在主阀芯上的稳态液动力刚度.