某型旋转直接驱动式伺服阀的研制

王海玲

(南京机电液压工程研究中心航空机电系统综合航空科技重点实验室，江苏南京 210061)

近年来，随着国内外航空、航天、船舶等行业的高速发展，电液伺服阀在液压伺服控制系统得到了广泛的应用。

电液伺服阀是电液伺服控制系统中的重要控制元件，在系统中起电液转换和功率放大作用。具体地说，系统工作时它直接接收系统传递来的电信号，并把电信号转换成具有相应极性的、成比例的、能够控制电液伺服阀的负载流量或负载压力的信号，从而使系统输出较大的液压功率，用以驱动相应的执行机构。电液伺服阀的性能和可靠性将直接影响系统的性能和可靠性，是电液伺服控制系统中引人注目的关键元件［1］。

目前，应用最为广泛的伺服阀主要是带有前置阀的两级或三级阀，如喷嘴－挡板式电液伺服阀、射流管式电液伺服阀和射流偏转板式电液伺服阀。这些伺服阀性能优良，但结构相对复杂，制造困难，成本高，且抗污能力较差。

由于直接驱动式伺服阀具有结构简单、响应快、可靠性高、抗污染能力强、适用领域广泛等优点，已经成为近年来研究的热点。

浙江工业大学研制的2D数字伺服阀，利用步进电动机作为电－机械的转换器，为了保证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，对阀进行嵌入式闭环伺服控制［2］。北京航空航天大学研制的新型高性能直接驱动电液伺服阀，在结构上采用转动阀芯取代滑动阀芯，变滑阀结构为转阀，有效减少了阀的液动力，极大地提高了阀的抗污染性能，在驱动控制上采用直流力矩电机直接驱动阀芯，将对阀的控制转变为对电机的控制，易于实现阀的数字控制［3］。哈尔滨工业大学研制的直接驱动式电液压力伺服阀具有体积小、质量轻、抗污染能力强、性能好等优点，通常用于飞机刹车系统，且广泛应用于航空航天领域［4］。浙江科技学院，基于一种永磁极化式双向比例电磁铁和耐高压电涡流位移传感器，提出一种新型直动式电液伺服阀［5］。

1 工作原理与结构设计

1.1 工作原理

基于直接驱动式伺服阀的特殊优点，近年来，直接驱动式伺服阀得到了快速的发展与应用。图1为一种旋转直接驱动式伺服阀。

该型旋转直接驱动伺服阀主要由阀芯、壳体、有限转角电机构成，是一种由有限转角电机直接驱动的电液伺服阀。其工作原理为:指令信号通过伺服阀电子控制器输出信号，驱动有限转角电机作旋转运动，电机转轴端的偏心机构将电机的旋转运动转化为阀芯的往复直线运动，对应阀芯开口的开度，输出对应的流量Q。电机通过内置的角位移传感器反馈给控制器实现闭环控制，实现伺服阀流体流量和方向的控制。

图1 旋转直接驱动伺服阀原理图

1.2 结构设计

该型旋转直接驱动伺服阀主要由阀芯、壳体、有限转角电机构成。其中阀芯、壳体组成了该型伺服阀的滑阀级，有限转角电机为驱动部分，如图2所示。

图2 阀芯、壳体组成的滑阀级

当阀芯随着有限转角电机的转动向右移动行程Xv时，1腔对应输出流量Q;当阀芯随着有限转角电机的转动向左移动行程Xv时，2腔对应输出反向流量Q，从而实现输出控制流量的功能。

式中:Q为输出流量，L/min;

Cd为流量系数;

W为面积梯度，m;

ps为额定压力，MPa;

ρ为工作介质密度，kg/m3。

2 有限转角电机的研制

2.1 有限转角电机结构与工作原理

如图3所示，有限转角电机主要由定子组件、转子组件、角位移传感器等组成。其中偏心驱动结构与电机轴有机地结合为一体，既节省了空间，又提高了可靠性;电机为湿式结构，液压油可以进入电机内部以冷却永久磁铁;角位移传感器是一种线性霍尔传感器，安装在电机内部，为控制器提供电机位置反馈信号。

图3 有限转角电机

当电机通电后，定子组件产生两对沿圆周方向极性交替分布的磁极，它与转子组件的4块永磁体磁极相互作用，使转子转动。当改变定子电源通电极性时转子即反向转动，通过控制电源极性，进而控制电机转向，使电机往复摆动。端子上的角位移感器随转子往复摆动时，通过感应转子永磁体在运动过程中漏磁场的变化，使得传感器输出电压值随磁场变化而发生相应的线性变化，将信号反馈给系统控制器，从而实现对电机摆动方向和极性的控制。

2.2 有限转角电机的结构设计

有限转角电机是旋转直接驱动伺服阀的驱动元件，该部件既是伺服阀中将电气信号转换为机械动作的关键部件，同时也是实现流量控制的核心部件，其性能的优劣直接影响该结构伺服阀的整体性能。

传统电机大多数为定子无槽结构，其结构简单，工艺成熟，但定转子气隙较大，转矩密度低，在有限的体积内无法满足电机输出转矩的要求。因此，在设计时，选用定子有槽结构，该结构定转子气隙较小，转矩密度大，在有限体积内能够输出满足使用要求的转矩，并且具有质量轻等优势。

为实现闭环控制要求。电机设计时使用位移传感器作为位置反馈装置。在同类电机中通常采用电容式位移传感器，它由电容和转子电容组成，即在定子上安装4个电极，并将转子的延伸部分做成另一个电极，当转子摆动时，定子电极与转子电极的相对位置发生变化，使得电机的电容量发生变化，将电容量的变化反馈给控制器。此类反馈装置，体积较大、质量较大、结构复杂、成本较高。

在电机体积、质量与输出性能的综合考虑下，选用线性霍尔传感器作为位置反馈装置，它具有精度高、体积小、质量轻、成本低等优点，保证结构的紧凑和性能可靠。

2.3 有限转角电机的性能

有限转角电机是实现伺服阀性能的核心控制部件，因此，对电机的输出特性要求较高。有限转角电机所能达到的性能如表1所示。

表1 电机性能

其中，电机输出的线性度与伺服阀的流量曲线的线性度有着密切的关系。从表1可以看出:电机的线性度良好，且满足设计和使用要求。

3 性能仿真与试验对比

在Simulink中建立旋转直接驱动伺服阀的静态仿真模型，根据实际的使用条件，在使用压力28 MPa条件下进行仿真，仿真结果如图4所示。可以看出:阀具有良好的线性度，输出流量稳定，且在额定压力和额定电压条件下，输出流量为12.73 L/min，满足 (13±2)L/min的设计要求。

图4 流量特性曲线(100%额定信号)

4 结论

(1)该产品是一种旋转直接驱动式新型伺服阀，取消了机－液转换和功率放大部分，充分利用运动部分实现直接驱动。结构简单、紧凑，减少了零部件，与两级伺服阀相比，可以降低加工、使用和维修成本低，同时降低了故障率;

(2)该产品为单级伺服阀，采用有限转角电机直接驱动，无喷嘴挡板、射流式伺服阀前置液压放大级的小间隙 (孔径)，具有很高的抗污染能力、零偏漂移小;

(3)旋转直接驱动式伺服阀采用电反馈，其分辨率、滞环、频率响应等静、动态性能指标高，零位稳定性好;

(4)旋转直接驱动伺服阀的静动态性能基本不受供油压力大小影响，低压下具有较高动态响应，适合在0～28 MPa宽范围压力下使用。不仅适用于航空液压系统环境，同样也适用于航空燃油系统环境。

(5)该结构伺服阀的开发和生产，在很大程度上扩大了伺服阀的应用领域，具有极大的发展潜力和市场前景。

［1］田源道.电液伺服阀技术［M］.北京:航空工业出版社，2008.

［2］时梦，阮健，李胜，等.2D数字伺服阀的简介［J］.液压气动与密封，2012(11):64－67.

［3］肖俊东，王占林，陈克昌.新型高性能直接驱动电液伺服阀［J］.机械科学与技术，2005，24(12):1423 －1425.

［4］姜继海，黄英玲，邹小舟，等.直接驱动式电液压力伺服阀的特性研究［C］//第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学会液压与气动学术会议，2008.

［5］李其朋，丁凡.一种新型直动式电液伺服阀［J］.机床与液压，2010，38(13):88－90.