2D数字伺服阀频率特性研究

　　0　引言

　　在电液伺服控制系统中，电液伺服阀起着机-电转换和信号放大的作用，在很大程度上对整个系统的性能具有决定性的影响。喷嘴-挡板伺服阀将力矩马达作为电-机械转换器，由于力矩马达的衔铁-挡板-反馈杆组件的转动惯量很小，因而其动态响应速度很快，同时由于该组件安装在弹簧管上，先导级喷嘴-挡板阀不受摩擦力的影响，因而又具有较好的重复精度和分辨率等静态特性。但是，喷嘴-挡板伺服阀的抗污染能力差，这是其致命的弱点[1-2]。此外，喷嘴-挡板阀还存在结构复杂、加工和装配精度高、导控级泄漏限制工作压力大及产生莫明的自激振荡等缺点。采用射流管阀代替喷嘴-挡板阀作为伺服阀的先导级，虽然在一定程度上改善了阀的抗污染性能，但却以较大的先导泄漏功耗为代价[3]。为解决喷嘴-挡板伺服阀抗污染能力差的问题，并进一步提高伺服阀的频响性能，MOOG公司开发了动圈式伺服阀[4]。它具有电感很小、动态响应速度非常高的优点[5-6]。但动圈式伺服阀受阀芯摩擦力的影响较为严重，静态特性不够理想;同时受结构限制，动圈无法贴壁散热，大电流工况下往往需要辅助的冷却措施。20世纪80年代出现了采用LVDT测量阀芯位置的位置闭环控制比例服伺阀，该比例服伺阀具有很高的定位控制精度和分辨率，但动态性能仍比喷嘴-挡板伺服阀的动态性能差。

　　2D伺服阀利用螺旋机构实现伺服阀功率级的液压放大，相对其他伺服阀具有结构简单、抗污染能力强、构成导控阀导控级的零位泄漏小、固有频率高、动态性能好等优点[7]。电液伺服阀除了要求液压功率放大级具有较优的静动态特性外，还要求电-机械转换器具有很好的性能。2D数字伺服阀将步进电动机作为电-机械的转换器，为了保证有较高的响应速度和定位精度，笔者应用DSP设计了一种嵌入式数字阀专用控制器，并对其进行嵌入式闭环伺服控制。

　　1　2D数字伺服阀的结构原理

　　2D数字伺服阀的结构如图1所示。它由阀体、电-机械转换器(步进电动机)、传动机构和角位移传感器等组成。传动机构主要用来连接电-机械转换器与阀芯，实现运动的传递和力矩的放大。角位移传感器实时检测步进电动机转子的角位移，以实现对步进电动机转子角位移的闭环连续跟踪控制。

　　2D伺服阀的结构原理见图2。图2中，P口为进油口，T1口和T2口为回油口，A口和B口为负载口。2D伺服阀体右腔通过小孔b、阀芯杆内通道和小孔a与P口相通，右腔压力为进油口的压力(系统压力)，右腔截面面积为左敏感腔截面面积的一半。在阀芯左端台肩上有一对高低压孔;在阀芯孔左端有一螺旋槽。螺旋槽和高低压孔相交构成一液压阻尼半桥，该液压阻尼半桥控制了左敏感腔的压力。静态时，若不考虑摩擦力及阀口液动力的影响，左敏感腔压力为入口压力的一半，阀芯在轴向保持静压平衡，此时，高低压孔与螺旋槽相交的弓形面积相等。当阀芯逆时针(面对阀芯伸出杆)转动时，高压孔与螺旋槽相交的弓形面积增大，低压孔与螺旋槽相交的弓形面积减小，于是，左敏感腔的压力升高。左敏感腔的压力升高后，推动阀芯右移。阀芯右移的结果是高低压孔又回到螺旋槽的两侧，高低压孔和螺旋槽的相交面积又重新相等，左敏感腔的压力恢复为入口压力的一半，阀芯重新保持轴向力的平衡。若阀芯顺时针转动，变化则正好相反。在2D伺服阀中，阀芯角位移与轴向位移(主阀开口)之间的转换运动与普通的机械螺旋机构的转换运动相一致，不同之处在于阀芯的轴向运动是由液压驱动的，因此实现2D伺服阀阀芯转角与轴向位移转换的导控结构也称为液压伺服螺旋机构。从结构和工作原理可以看出，2D伺服阀为双级位置反馈液压流量伺服阀。