一种新型电液伺服阀的建模与仿真

　　电液伺服系统因其具有输出功率大、控制精度高等优点，而广泛应用于工业生产的各个领域。电液伺服阀作为电液伺服控制系统的核心部件，其性能的好坏直接影响整个电液伺服控制系统的性能。随着工业技术的不断发展，对电液伺服阀的性能提出了更高的要求，响应速度更快、频宽更高且工作更稳定，同时实现其数字化与智能化。因此，研究的目的即为实现电液伺服阀性能的提高。

　　钕铁硼(NdFeB) 永磁材料作为一种性能优异的磁性材料，较高的剩磁和矫顽力以及较大的磁能积，特别是具有较高的内禀矫顽力，若用于动圈式力马达将大大改善力马达的性能。笔者在广泛研究国内外相关文献资料及工作的基础上，以TH-7/ 10 型伺服阀为基础，以提高电液伺服阀的频宽、响应速度等动态特性为指导思想，分析研究基于钕铁硼永磁材料的动圈式伺服阀的动静态性能。

　　1　伺服阀的功率键合图建模

　　钕铁硼永磁动圈式电液伺服阀由嵌入式伺服放大器、钕铁硼永磁动圈式力马达、前置级滑阀及功率级滑阀组成。液压系统的动态建模有多种方法，如较早的传递函数法、方块图和信号流图、向量—矩阵 (状态空间) 表达式法以及在20 世纪80 年代发展起来的功率键合图法。功率键合图由功率键、节点、变换TF、旋转器GY、作用元、外界输入功率元及因果关系等组成^[1]。由于伺服阀结构复杂参数很多，绘制键合图时一定要严格地按照步骤进行。根据该阀的结构组成，建立的键合图模型可分为力马达 (包括伺服放大器)、导阀芯和主阀芯3 个部分。其功率键合图见图1。

　　由于R1与R3，R2与R4是串联的，因此用液阻R13和R20来描述这4 个固定节流口，其中R13= R1+ R3，R20=R2+ R4。2个可变节流口的液阻分别为R15与R22。

　　主阀芯在先导级控制系统中相当于是一个变换模数为1/ Ap(主阀芯端面有效面积) 的变换器。主阀芯左右腔液体会产生容积效应，分别用2 个容性元C17和C24来表示，左右2 个端面压差的作用要推动主阀芯移动，则必须克服主阀芯的惯性力及主阀芯运动时的黏性摩擦力，分别用惯性元I28和阻性元R29模拟。图1中R31、R33、R36和R38表示这4 个可变节流口的液阻，其值大小受主阀芯位移xv控制。

　　根据各元件的特性，可以得其状态方程为

　　1.1　力马达键合图(含伺服放大器)

　　动圈式力马达主要由磁钢、导磁体、对中弹簧、载流线圈及线圈骨架等元件组成。伺服放大器有内阻，控制线圈存在内阻和电感，铝制线圈骨架和线圈罩也有电阻，而且要分担电压。力马达产生的电磁力要使线圈带动阀芯一起运动，必须克服导阀芯的惯性力、调零弹簧 (包括液动力弹簧)的变形力以及黏性阻尼力，此外还有扰动力，它包括稳态液动力的非线性部分、干摩擦力部分以及力马达磁滞等效到机械回路中的扰动。