电液伺服阀力矩马达的综合刚度

　　电液控制系统中,电液伺服阀将电气信号转换成液压信号,起到信号放大作用,是液压系统中最精密的核心控制元件,其性能直接影响系统的特性[1]。电液伺服阀具有动态响应快、控制精度高、使用寿命长等优点,已广泛应用于航空、航天、舰船、工业等领域[2]。几十年来,中国航空航天系统等研制了高性能的飞行器电液伺服阀[2-6]。一般工业用电液伺服阀的可靠性和精度难于满足飞行器电液伺服系统的特殊要求[7-9]。飞行器电液伺服阀实现了小型轻量化、模块化,但是电液伺服阀在极限环境下如何保持正常工作,需要研究电液伺服阀力矩马达的设计方法和性能[4-6]。下面引入相对频率幅值比,分析电液伺服阀的频率特性和力矩马达综合刚度的确定方法,为电液伺服阀的设计和动态性能分析提供理论依据。

　　1　力反馈两级电液伺服阀

　　图1所示为力反馈电液伺服阀的结构原理图。力反馈电液伺服阀由动铁式力矩马达和双喷嘴挡板阀组成的前置放大级以及滑阀功率放大级两部分构成。当输入控制电流Δi=0时,衔铁由弹簧管支承处于上下永磁体的中间位置,挡板处于两喷嘴之间,主阀芯在零位,电液伺服阀不输出信号。当输入控制电流Δi时,衔铁组件发生偏转,挡板相对中间位置也发生偏移,两喷嘴压差变化导致主阀芯两端产生压差,主阀芯偏离零位,电液伺服阀打开并输出相应大小的流量。当改变控制电流的大小和方向时,可以相应地改变控制流量的大小和方向且阀的输出量以及衔铁偏转角度均与控制电流成比例。

　　2　理论分析

　　电液伺服阀从输入控制电流i至输出阀芯位移xv之间的传递函数方框图[1]为开环传递函数为

　　将式(8)代入式(11)可得出满足稳定条件的相对频率幅值比Rf的约束条件为

　　由式(10)和式(12)可得到满足稳定条件的相对频率幅值比Rf和相对频宽ωb0的曲线起点包络线,即各曲线族的起点。图示的起点包络线存在一个拐点,在拐点处纵坐标取值急剧下降。该现象表明:当力矩马达的阻尼比ξmf小于该拐点所对应的阻尼比时,电液伺服阀难于实现较大的频宽。为此,进行电液伺服阀的设计时,必须同时考虑相位裕度和幅值裕度两个指标,以下分析电液伺服阀幅值裕度Kg和相位裕度γ与相对频率幅值比Rf之间的关系。

　　式(20)表示在某一阻尼比时,力矩马达的相对频率幅值比Rf和相位裕度γ之间的关系。当取不同的阻尼比ξmf时,可通过式(19)、(20)得到γ-Rf关系的系列曲线族,如图5所示。由式(12)、(19)和(20)可得到满足稳定条件的相对频率幅值比Rf和相位裕度γ的起点包络线。图示的起点包络线存在一个拐点,相对频率幅值比Rf超过拐点后,相位裕度迅速上升。