2D数字伺服阀的频率特性研究

　　0　引言

　　在电液伺服系统中,电液伺服阀作为关键元件其性能很大程度上决定了整个系统的性能。喷嘴挡板伺服阀的惯性小、位移量小,因而动态性能及灵敏度都很高,但抗干扰和抗污染能力较差,而且存在于喷嘴与挡板之间的泄漏会导致大量的功率损耗,在较高系统压力工作的情况下,阀的功率损耗正比于系统损耗的平方。射流管伺服阀的抗污染性比喷嘴挡板阀的有所改善,但泄漏量和功率损耗都更大[1]。2D数字伺服阀相比较其他伺服阀,抗污染能力强,伺服螺旋机构泄漏极小,其功耗与流体动力控制系统的其他能量损失相比几乎可以不考虑,控制特性比较理想,没有滞环和死区。此外, 2D数字伺服阀虽然只有一个阀芯,但却是双级阀,其性能由伺服螺旋机构决定,由于螺旋伺服机构的固有频率达到105Hz,所以2D数字伺服阀具有良好的静态以及动态性能。

　　1　2D数字伺服阀工作原理

　　利用阀芯双运动自由度及伺服螺旋机构设计的数字伺服阀,简称为2D数字伺服阀[2],其工作原理如图1所示。阀右腔通系统压力,面积为左端阀芯面积As的1/2。左端敏感腔压力由开设在阀芯左端台肩上的两对轴对称的高、低压孔和阀芯孔内表面的螺旋槽相交的两个微小弓形面积构成的液压阻力半桥控制。在静态情况下,螺旋槽正好处于高、低压孔之间,不考虑摩擦力等干扰力,左腔压力为系统压力的1/2,阀芯轴向力平衡。步进电机通过齿轮传动机构控制阀芯的角位移。当阀芯以图1(a)所示方向旋转某一角度,低压孔与螺旋槽构成的重叠面积增大,高压孔与螺旋槽构成的面积减小,此时敏感腔压力降低,其推力小于右腔高压流体对阀芯的推力,阀芯向左移,液压缸右腔进油,左腔回油,左右两腔的压力分别为pA和pB。阀芯继续旋转过程中,由于阀芯向左移动一定位移使得低压孔与阻尼槽构成的节流口变小,高压孔与螺旋槽构成的面积增大,最后高低压孔又回到螺旋槽的两侧,使两个微小弓形面积相等的位置,压力恢复为系统压力的一半,再次保持轴向力平衡。当阀芯以图1(b)所示方向旋转,高压孔与阻尼槽构成的重叠面积增大,而低压孔与其构成的面积减小,此时右腔推力大于左腔对阀芯的推力,阀芯向右移,液压缸左腔进油,右腔回油。阀芯继续旋转过程中,由于阀芯右移使得高、低压孔最后又回到螺旋槽的两侧,保持轴向力平衡。

　　2　控制算法及控制器组成

　　2D数字伺服阀的性能除了和它的结构有关外,还取决于其控制器,可以说数字阀控制器设计的好坏在很大程度上决定了阀的性能优越与否。该2D数字伺服阀控制器如图2所示,信号发生器输出的控制信号u1(t)与位置检测板给出的电机位置信号u2(t)经由固化在DSP控制模块中的特殊控制算法计算后,给出步进电机旋转磁场的角位移控制信号θmc(t),该信号在电机驱动模块中放大后作用在步进电机相绕组上的激磁线圈,最终产生一个旋转角位移θm(t),并驱动步进电机转子转动,使其输出角位移为θ(t)。