某型旋轉直接驅動式伺服閥的研制

王海玲

(南京機電液壓工程研究中心航空機電系統綜合航空科技重點實驗室，江蘇南京 210061)

近年來，隨著國內外航空、航天、船舶等行業的高速發展，電液伺服閥在液壓伺服控制系統得到了廣泛的應用。

電液伺服閥是電液伺服控制系統中的重要控制元件，在系統中起電液轉換和功率放大作用。具體地說，系統工作時它直接接收系統傳遞來的電信號，并把電信號轉換成具有相應極性的、成比例的、能夠控制電液伺服閥的負載流量或負載壓力的信號，從而使系統輸出較大的液壓功率，用以驅動相應的執行機構。電液伺服閥的性能和可靠性將直接影響系統的性能和可靠性，是電液伺服控制系統中引人注目的關鍵元件［1］。

目前，應用最為廣泛的伺服閥主要是帶有前置閥的兩級或三級閥，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板式電液伺服閥。這些伺服閥性能優良，但結構相對復雜，制造困難，成本高，且抗污能力較差。

由于直接驅動式伺服閥具有結構簡單、響應快、可靠性高、抗污染能力強、適用領域廣泛等優點，已經成為近年來研究的熱點。

浙江工業大學研制的2D數字伺服閥，利用步進電動機作為電－機械的轉換器，為了保證較高的響應速度和定位精度，應用DSP設計了一種嵌入式數字閥專用控制器，對閥進行嵌入式閉環伺服控制［2］。北京航空航天大學研制的新型高性能直接驅動電液伺服閥，在結構上采用轉動閥芯取代滑動閥芯，變滑閥結構為轉閥，有效減少了閥的液動力，極大地提高了閥的抗污染性能，在驅動控制上采用直流力矩電機直接驅動閥芯，將對閥的控制轉變為對電機的控制，易于實現閥的數字控制［3］。哈爾濱工業大學研制的直接驅動式電液壓力伺服閥具有體積小、質量輕、抗污染能力強、性能好等優點，通常用于飛機剎車系統，且廣泛應用于航空航天領域［4］。浙江科技學院，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，提出一種新型直動式電液伺服閥［5］。

1 工作原理與結構設計

1.1 工作原理

基于直接驅動式伺服閥的特殊優點，近年來，直接驅動式伺服閥得到了快速的發展與應用。圖1為一種旋轉直接驅動式伺服閥。

該型旋轉直接驅動伺服閥主要由閥芯、殼體、有限轉角電機構成，是一種由有限轉角電機直接驅動的電液伺服閥。其工作原理為:指令信號通過伺服閥電子控制器輸出信號，驅動有限轉角電機作旋轉運動，電機轉軸端的偏心機構將電機的旋轉運動轉化為閥芯的往復直線運動，對應閥芯開口的開度，輸出對應的流量Q。電機通過內置的角位移傳感器反饋給控制器實現閉環控制，實現伺服閥流體流量和方向的控制。

圖1 旋轉直接驅動伺服閥原理圖

1.2 結構設計

該型旋轉直接驅動伺服閥主要由閥芯、殼體、有限轉角電機構成。其中閥芯、殼體組成了該型伺服閥的滑閥級，有限轉角電機為驅動部分，如圖2所示。

圖2 閥芯、殼體組成的滑閥級

當閥芯隨著有限轉角電機的轉動向右移動行程Xv時，1腔對應輸出流量Q;當閥芯隨著有限轉角電機的轉動向左移動行程Xv時，2腔對應輸出反向流量Q，從而實現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;

W為面積梯度，m;

ps為額定壓力，MPa;

ρ為工作介質密度，kg/m3。

2 有限轉角電機的研制

2.1 有限轉角電機結構與工作原理

如圖3所示，有限轉角電機主要由定子組件、轉子組件、角位移傳感器等組成。其中偏心驅動結構與電機軸有機地結合為一體，既節省了空間，又提高了可靠性;電機為濕式結構，液壓油可以進入電機內部以冷卻永久磁鐵;角位移傳感器是一種線性霍爾傳感器，安裝在電機內部，為控制器提供電機位置反饋信號。

圖3 有限轉角電機

當電機通電后，定子組件產生兩對沿圓周方向極性交替分布的磁極，它與轉子組件的4塊永磁體磁極相互作用，使轉子轉動。當改變定子電源通電極性時轉子即反向轉動，通過控制電源極性，進而控制電機轉向，使電機往復擺動。端子上的角位移感器隨轉子往復擺動時，通過感應轉子永磁體在運動過程中漏磁場的變化，使得傳感器輸出電壓值隨磁場變化而發生相應的線性變化，將信號反饋給系統控制器，從而實現對電機擺動方向和極性的控制。

2.2 有限轉角電機的結構設計

有限轉角電機是旋轉直接驅動伺服閥的驅動元件，該部件既是伺服閥中將電氣信號轉換為機械動作的關鍵部件，同時也是實現流量控制的核心部件，其性能的優劣直接影響該結構伺服閥的整體性能。

傳統電機大多數為定子無槽結構，其結構簡單，工藝成熟，但定轉子氣隙較大，轉矩密度低，在有限的體積內無法滿足電機輸出轉矩的要求。因此，在設計時，選用定子有槽結構，該結構定轉子氣隙較小，轉矩密度大，在有限體積內能夠輸出滿足使用要求的轉矩，并且具有質量輕等優勢。

為實現閉環控制要求。電機設計時使用位移傳感器作為位置反饋裝置。在同類電機中通常采用電容式位移傳感器，它由電容和轉子電容組成，即在定子上安裝4個電極，并將轉子的延伸部分做成另一個電極，當轉子擺動時，定子電極與轉子電極的相對位置發生變化，使得電機的電容量發生變化，將電容量的變化反饋給控制器。此類反饋裝置，體積較大、質量較大、結構復雜、成本較高。

在電機體積、質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、質量輕、成本低等優點，保證結構的緊湊和性能可靠。

2.3 有限轉角電機的性能

有限轉角電機是實現伺服閥性能的核心控制部件，因此，對電機的輸出特性要求較高。有限轉角電機所能達到的性能如表1所示。

表1 電機性能

其中，電機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系。從表1可以看出:電機的線性度良好，且滿足設計和使用要求。

3 性能仿真與試驗對比

在Simulink中建立旋轉直接驅動伺服閥的靜態仿真模型，根據實際的使用條件，在使用壓力28 MPa條件下進行仿真，仿真結果如圖4所示。可以看出:閥具有良好的線性度，輸出流量穩定，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的設計要求。

圖4 流量特性曲線(100%額定信號)

4 結論

(1)該產品是一種旋轉直接驅動式新型伺服閥，取消了機－液轉換和功率放大部分，充分利用運動部分實現直接驅動。結構簡單、緊湊，減少了零部件，與兩級伺服閥相比，可以降低加工、使用和維修成本低，同時降低了故障率;

(2)該產品為單級伺服閥，采用有限轉角電機直接驅動，無噴嘴擋板、射流式伺服閥前置液壓放大級的小間隙 (孔徑)，具有很高的抗污染能力、零偏漂移小;

(3)旋轉直接驅動式伺服閥采用電反饋，其分辨率、滯環、頻率響應等靜、動態性能指標高，零位穩定性好;

(4)旋轉直接驅動伺服閥的靜動態性能基本不受供油壓力大小影響，低壓下具有較高動態響應，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環境，同樣也適用于航空燃油系統環境。

(5)該結構伺服閥的開發和生產，在很大程度上擴大了伺服閥的應用領域，具有極大的發展潛力和市場前景。

［1］田源道.電液伺服閥技術［M］.北京:航空工業出版社，2008.

［2］時夢，阮健，李勝，等.2D數字伺服閥的簡介［J］.液壓氣動與密封，2012(11):64－67.

［3］肖俊東，王占林，陳克昌.新型高性能直接驅動電液伺服閥［J］.機械科學與技術，2005，24(12):1423 －1425.

［4］姜繼海，黃英玲，鄒小舟，等.直接驅動式電液壓力伺服閥的特性研究［C］//第五屆全國流體傳動與控制學術會議暨2008年中國航空學會液壓與氣動學術會議，2008.

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