旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動電液壓力伺服閥的設(shè)計(jì)研究

(南京機(jī)電液壓工程研究中心 航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京　210061)

引言

電液伺服閥是電液控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，作用是將輸入的小功率電信號轉(zhuǎn)換為液壓信號，液壓信號直接或間接驅(qū)動負(fù)載運(yùn)動。電液力控制系統(tǒng)是電液伺服系統(tǒng)的一種，并且已經(jīng)在工程廣泛應(yīng)用，如疲勞試驗(yàn)加載系統(tǒng)、飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)、電液施力系統(tǒng)[1]及負(fù)載模擬系統(tǒng)。目前飛機(jī)電子防滑剎車系統(tǒng)采用電液壓力伺服閥作為壓力控制元件[2]。電液壓力伺服閥中絕大多數(shù)采用兩級伺服閥結(jié)構(gòu)，第二級都為滑閥功率放大部分，第一級實(shí)現(xiàn)電液轉(zhuǎn)換和功率放大，第一級液壓放大部分大多數(shù)采用噴嘴-擋板結(jié)構(gòu)[3]，少數(shù)采用射流管式，噴嘴-擋板式。壓力伺服閥雖性能優(yōu)良，但使用條件苛刻，抗污染能力較弱，射流管式壓力伺服閥雖抗污染能力較強(qiáng)[4]，但其內(nèi)漏大，力矩馬達(dá)焊接數(shù)太多，抗振動零漂能力差。旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動電液壓力伺服閥(Rotate Direct Drive Pressure Servo-valve，簡稱RDDPV)克服了以上缺點(diǎn)，具有可程化的高可靠性、高抗污染能力和高動態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，目前國內(nèi)尚未出現(xiàn)類似產(chǎn)品，此研究將彌補(bǔ)國內(nèi)對該項(xiàng)技術(shù)研究的空白。

1　RDDPV伺服閥工作原理

RDDVP伺服閥主要由有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)(含角位移傳感器)、主滑閥副(包括閥芯、閥套和殼體)、壓力傳感器、電子控制器組成，其工作原理如圖1所示。當(dāng)電子控制器不供電時(shí)，彈簧將閥芯頂在最右側(cè)，此時(shí)工作腔接通回油腔，伺服閥輸出壓力為零；當(dāng)電子控制器供電，并且伺服閥輸入指令信號為0時(shí)，閥芯處于零位，伺服閥輸出壓力也為零；當(dāng)伺服閥輸入非零正指令信號時(shí)，電子控制器接受指令信號，經(jīng)過計(jì)算，輸出PWM信號驅(qū)動壓力伺服閥的有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，電機(jī)轉(zhuǎn)軸末端的偏心機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為閥芯(壓力輸出級)的直線運(yùn)動，伺服閥輸出的壓力通過壓力傳感器反饋至電子控制器對伺服閥形成壓力閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對伺服閥壓力輸出大小的控制。伺服閥內(nèi)各部分為線性控制，最終可以實(shí)現(xiàn)輸出壓力與輸入指令信號成正比。

圖1　RDDPV伺服閥原理圖

2　RDDPV伺服閥的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1　有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)建模

有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)是沒有換向器和電刷的直流電機(jī)，當(dāng)外加電壓方向不斷變化時(shí)，它將在這個(gè)有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)圍繞中心線往復(fù)擺動，且力矩特性好。其驅(qū)動特性遵循如下方程：

電機(jī)基本運(yùn)動方程：

(1)

感應(yīng)電動勢：

(2)

式中，e為電機(jī)電樞繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢；Ke為感應(yīng)電動勢系數(shù)。

電機(jī)輸出力矩：

T=Ktia

(3)

式中，Kt為電機(jī)力矩系數(shù)；ia為電樞電流。

電樞回路電壓方程：

(4)

式中 ，ua為電樞電壓；ia為電樞電流；L為電樞等效電感；R為等效電阻；e為反電勢。

由式(1)～式(4)進(jìn)行拉普拉斯變化，整理可得控制框圖如圖2所示。

圖2　有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)控制框圖

2.2　滑閥部分建模

1) 滑閥與閥芯位移的關(guān)系

由于電機(jī)轉(zhuǎn)角非常小，所以閥芯位移與電機(jī)轉(zhuǎn)角關(guān)系近似為：

Xv=rθ

(5)

式中,Xv為閥芯位移；r為電機(jī)小球中心與電機(jī)軸線之間的距離；θ為電機(jī)轉(zhuǎn)角。

2) 閥芯受力分析

(6)

式中,M為滑閥閥芯質(zhì)量；Bv為速度阻尼系數(shù)；Km為彈簧剛度；Fm為彈簧預(yù)壓縮力；FL為閥芯所受液動力。

3) 滑閥所受液動力分析

閥芯工作示意圖如圖3所示。

圖3　閥芯工作示意圖

分析閥芯A工作邊，閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動力為：

FLA=0.487Wv(pS-pL)Xv

(7)

分析閥芯B工作邊，閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動力為：

FLB=-0.487WvpL(X0-Xv)

(8)

綜合式(7)和式(8)可得閥芯所受液動力為:

FL=FLA+FLB=0.487WvpSXv-0.487WvpLX0(9)

式中,Wv為節(jié)流邊寬度；ps為供油壓力；pL為伺服閥輸出壓力；Xv為閥芯位移；X0為閥芯預(yù)開口量。

4) 閥芯位移與輸出壓力的關(guān)系

由于電液壓力伺服閥閥芯行程很小，所以閥芯位移與輸出壓力的關(guān)系滿足閥的線性化流量方程[5]，關(guān)系式如下：

QL=KqXv-KcpL

(10)

(11)

式中,QL為閥輸出流量；Kq為流量增益；Kp為壓力增益；Kc為流量-壓力系數(shù)。

在飛機(jī)剎車系統(tǒng)中，壓力伺服閥連接的是一個(gè)固定體積的封閉容腔，所以壓力伺服閥的流量輸出主要用來供給液壓油在固定容腔內(nèi)的體積壓縮。

所以有如下公式[6]：

(12)

式中,Vt為閥芯負(fù)載腔總?cè)莘e；E為液壓油體積彈性模量。

綜合式(10)～式(12)可得輸出壓力與閥芯的關(guān)系式：

(13)

2.3　控制電路模塊

控制電路的設(shè)計(jì)既要滿足壓力傳感器的信號轉(zhuǎn)換，又要滿足壓力伺服閥的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，所以電路模塊應(yīng)包括信號輸入單元和校正控制單元。

(1) 信號輸入單元：由于壓力伺服閥輸出壓力特性曲線如圖4所示，輸出要求有一段死區(qū)，輸入信號在死區(qū)邊界內(nèi)時(shí)此單元處于斷開狀態(tài)，當(dāng)輸入信號大于死區(qū)邊界時(shí)，此單元處于導(dǎo)通狀態(tài)。另外該單元設(shè)置輸入信號放大器，放大系數(shù)為K1，用于調(diào)節(jié)閥輸出壓力隨電流變化的速率。

圖4　壓力伺服閥靜態(tài)特性曲線

(2) 校正控制單元：壓力伺服閥的動態(tài)控制采用多閉環(huán)串級控制。

① 位置閉環(huán)校正：該閥在電機(jī)上采用位置閉環(huán)控制，反饋系數(shù)為K2；

根據(jù)以上分析，可以得出RDDPV控制框圖，控制框圖如圖5所示。

3　RDDPV伺服閥的仿真與試驗(yàn)

根據(jù)RDDPV伺服閥的數(shù)學(xué)模型，在Simulink中搭建模塊進(jìn)行仿真，搭建的仿真模塊如圖6所示。

3.1　調(diào)試過程中各參數(shù)的設(shè)置

(1) RDDPV閥可用于剎車系統(tǒng)，在剎車系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)斷電或故障時(shí)，伺服閥閥芯應(yīng)該被推到一側(cè)，此時(shí)伺服閥沒有壓力輸出，起到故障保護(hù)的作用。閥芯一端的彈簧可以實(shí)現(xiàn)該功能。彈簧預(yù)壓力太小，會有該功能發(fā)揮失效的風(fēng)險(xiǎn)，如果選擇太大，則電機(jī)為克服該力會產(chǎn)生較大力矩。所以彈簧的預(yù)壓力需多次試驗(yàn)選擇最優(yōu)值；

(2) 多閉環(huán)串級控制系統(tǒng)的調(diào)試首先應(yīng)設(shè)置內(nèi)環(huán)參數(shù)，RDDPV伺服閥的調(diào)試應(yīng)從位置閉環(huán)參數(shù)K2開始，較大的位置閉環(huán)參數(shù)K2可以提高電機(jī)的開環(huán)增益，這不僅可以提高電機(jī)的帶寬，并且可以提高電機(jī)閉環(huán)的剛度，提高了電機(jī)抗內(nèi)部干擾和外部干擾的能力。如果位置閉環(huán)參數(shù)K2過大，電機(jī)的幅值穩(wěn)定裕度會減小，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以位置閉環(huán)參數(shù)K2的選取原則為在保證內(nèi)環(huán)有足夠穩(wěn)定裕度的基礎(chǔ)上盡量選大；

圖5　RDDPV控制框圖

圖6　RDDPV伺服閥在Simulink中的模塊圖

(4) PI參數(shù)設(shè)置放到閉環(huán)調(diào)試的最后，PI的參數(shù)選擇對整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能指標(biāo)有重要影響。比例系數(shù)KP的主要作用是提高系統(tǒng)開環(huán)增益，進(jìn)而提高RDDPV伺服閥帶寬，調(diào)試時(shí)還應(yīng)考慮伺服閥的穩(wěn)定性。積分的作用主要是消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，但積分會減小閉環(huán)系統(tǒng)的阻尼，使系統(tǒng)的階躍信號超調(diào)量增大。所以PI的參數(shù)根據(jù)其利弊選取最優(yōu)值；

(5) 輸入模塊放大系數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)參數(shù)調(diào)試完成后，根據(jù)需求，調(diào)試放大系數(shù)K1，使伺服閥滿足要求的壓力增益和額定輸出壓力。

上述調(diào)試過程需重復(fù)進(jìn)行，根據(jù)控制規(guī)律最終選擇合適控制參數(shù)。

3.2　仿真結(jié)果

根據(jù)以上控制規(guī)律進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，獲得各控制模塊參數(shù)使RDDPV輸出性能最優(yōu)，不考慮死區(qū)時(shí)，伺服閥靜態(tài)特性曲線如圖7所示。

圖7　伺服閥靜態(tài)特性仿真曲線

由圖7可知，RDDPV伺服閥輸出負(fù)載壓力pL與輸入電流信號成線性關(guān)系。

圖8為RDDPV伺服閥動態(tài)特性曲線，由曲線可知，該閥幅頻寬為36.3 Hz，相頻寬為31.4 Hz，超調(diào)量為0.7 dB，滿足一般剎車系統(tǒng)對壓力伺服閥的要求。

圖8　伺服閥動態(tài)特性仿真曲線

3.3　RDDPV伺服閥實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)際試驗(yàn)過程中，將系統(tǒng)供油壓力調(diào)至21 MPa，并且給RDDPV伺服閥輸入指令信號，作出伺服閥靜態(tài)特性曲線如圖9所示。

圖9　靜態(tài)特性曲線

由圖9可知除死區(qū)和飽和區(qū)外，輸出壓力和輸入指令信號成線性關(guān)系。

圖10為RDDPV動態(tài)特性曲線，圖11為RDDPV階躍響應(yīng)曲線，由圖10可知伺服閥幅頻寬為38 Hz，相頻寬為30 Hz，超調(diào)量為1.4 dB，滿足該閥協(xié)議性能指標(biāo)要求。

圖10　動態(tài)特性曲線

圖11　階躍響應(yīng)曲線

4　結(jié)論

本研究對旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動壓力伺服閥(RDDPV)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和仿真分析，并且研究了控制器各參數(shù)對該閥綜合性能的影響，經(jīng)試驗(yàn)分析，該閥的輸出與輸入有很好的線性關(guān)系，并且動態(tài)較高，和仿真結(jié)果基本一致。

該產(chǎn)品的研制成功彌補(bǔ)了國內(nèi)外液壓對該方面的空白，推動了飛機(jī)電子防滑剎車系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

根據(jù)本研究所述原理設(shè)計(jì)的電液壓力伺服閥可替代現(xiàn)役飛機(jī)上使用的射流管壓力伺服閥和噴嘴-擋板壓力伺服閥，該閥不但有射流管壓力伺服閥的抗污染能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，還從根本上解決了如射流管壓力伺服閥靜耗流量大的問題，提高了液壓能源的利用效率。另外該類型閥可以提供多信號控制接口，便于用戶對該閥的工作狀態(tài)監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的控制。

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