2D数字伺服阀的动态特性试验研究

　　在电液伺服控制系统中,电液伺服阀是一个关键控制元件.它起着机电转换及信号放大的作用,在很大程度上对整个系统的性能起到决定性的影响,同时也决定了电液伺服系统不同的控制方式.2D数字伺服阀是电液伺服阀的一种,2D数字伺服阀除传统数字阀应具有的优点(可直接与计算机连接、不需要D/A转换器、结构简单、重复性好、功耗小、工作稳定可靠等)外[1],相对其他伺服阀更具有抗污染能力强、响应速度快、构成导控阀导控级的零位泄露(伺服螺旋机构泄漏)极小、无滞环、无死区以及良好的动静态特性等优点[2].

　　电―机械转换器作为连接电气元件和机械元件的桥梁,是电液伺服阀的核心元件,其性能的优劣直接关系到电液伺服阀的整体性能的好坏[3].2D数字伺服阀的动态性能除受阀体本身机械结构的频响影响外,很大程度上受电―机械转换器频响的制约.当阀体设计完成后,电―机械转换器的高频响是决定其实现的极为重要的因素.所以提高电―机械转换器的频响是实现2D数字伺服阀高频响的前提.2D数字阀选择步进电机作为电―机械转换器.

　　1 2D数字伺服阀的结构与工作原理

　　本实验采用的阀为三位四通2D数字伺服阀,其结构示意图如图1所示.2D数字伺服阀是由阀体、电―机械转换器、传动机构及位置传感器等组成.传动机构主要是用来连接电―机械转换器与阀芯,位置传感器是用来实时检测步进电机转子的角位移.

　　1.1 2D数字伺服阀的工作原理

　　2D数字伺服阀是指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[2].本实验采用的阀为三位四通2D数字伺服阀,其工作原理如图2所示.最左边是敏感腔,在阀芯的左端台肩上轴对称的开有一对与进油口相通的高压孔和一对与回油口相通的低压孔,在阀套左端内壁轴对称的开有两个螺旋槽.在初始位置,螺旋槽位于高压孔与低压孔的中间位置,此时流过高压孔与低压孔的油液平衡.当电―机械转换器带动阀芯顺时针转过一角度,如图2(a)所示,则高压孔的遮盖面积比低压孔的遮盖面积大,此时敏感腔的压力比右腔压力小,阀芯向左移动.随着阀芯向左移动,高压孔的遮盖面积逐渐变小,低压孔的遮盖面积逐渐变大,左右两腔的压力趋于平衡.当电―机械转换器带动阀芯逆时针转过一角度,如图2(b)所示,则敏感腔压力上升,阀芯右移[4-5].

　　1.2 电―机械转换器的工作原理

　　2D数字阀的电―机械转换器采用二相混合式步进电机.混合式步进电机又称感应子式同步电机,是一种低速的同步电动机,其工作原理如图3所示.在其A相与B相线圈中通入相位差为90b的正弦波电流,便会对转子产生类正弦波(因磁路的非线性不是严格的正弦波)的驱动力矩TA和TB,该力矩合成后驱动转子使其角位移发生变化