插裝式二維(2D)伺服閥的理論分析與實驗研究

何晉飛，陳烜，魯鵬勇，阮健,*，常亮,2

1. 浙江工業(yè)大學 機械工程學院，杭州 310014 2. 浙江交通職業(yè)技術(shù)學院，杭州 311112

插裝閥相對于其他連接方式的液壓閥，具有許多不可取代的優(yōu)點，如密封可靠、重量輕、易于系統(tǒng)集成、加工改型相對容易等[1]，因此它是液壓技術(shù)一個重要的發(fā)展方向。插裝閥主要有蓋板式插裝閥和螺紋插裝閥[2-3]。蓋板式插裝閥由插裝件和控制蓋板組成，一般作為二通閥使用，但是想要實現(xiàn)傳統(tǒng)滑閥的三位四通功能，則至少需要4個二通插裝閥組合使用[4]，結(jié)構(gòu)復雜，質(zhì)量、體積也會相應(yīng)變大。螺紋插裝閥利用螺紋，將插裝元件旋入集成塊的安裝孔，來實現(xiàn)其功能。憑借其拆卸組裝方便、集成度高和適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點[5-7]，被逐漸應(yīng)用于重工機械、鉆井平臺、廢料處理機械、林業(yè)設(shè)備和挖掘機等行業(yè)[8-11]。目前電液式螺紋插裝閥一般是由電磁鐵直接控制的直動式比例閥，其動靜態(tài)特性水平會受到一定抑制，而且其流量往往會受到電磁線圈的功率和液動力的限制[12]。為了改進電控模塊，Ouyang等[13]研究了插裝閥的壓電驅(qū)動機構(gòu)，使用由金屬磁致伸縮材料制造的螺桿來驅(qū)動插裝閥，使得插裝閥重量更輕。

伺服閥作為電液伺服系統(tǒng)的核心，能直接影響電液伺服系統(tǒng)性能，因此人們對于伺服閥的改進也在不斷進行[14]。噴嘴-擋板伺服閥一般采用動態(tài)響應(yīng)良好的噴嘴擋板閥作為導閥再加一級滑閥作為主閥的方式，導閥和主閥之間采用反饋桿實現(xiàn)級間反饋[15]，具有靈敏度高，靜動態(tài)性能好等優(yōu)點。人們一般通過優(yōu)化電-機械轉(zhuǎn)化器來提高噴嘴-擋板閥的性能，如浙江大學的王傳禮教授利用超磁致伸縮材料改進電-機械轉(zhuǎn)換器，其實驗表明該閥的階躍響應(yīng)時間為1 ms左右[16]。射流管閥利用射流管和接收器來代替噴嘴擋板，在抗污染能力上有所提高。但是兩者在結(jié)構(gòu)上均為導控級和功率級平行放置，與插裝閥元件軸向排列的特點沖突，無法實現(xiàn)插裝，功重比也無法進一步提高。直驅(qū)式電液伺服閥舍棄噴嘴擋板或射流管等易污染的元件，采用馬達直接驅(qū)動閥芯運動，并通過LVDT (Linear Variable Differential Transformer)反饋形成閉環(huán)控制。該閥結(jié)構(gòu)簡單，抗污染能力強，但是流量也會受到電磁線圈的功率和液動力的限制。

浙江工業(yè)大學Ruan等[17]提出的二維(2D)伺服閥利用伺服螺旋機構(gòu)[18]將閥套與閥芯有機組合，使得閥芯既有先導控制又能進行功率放大。所以2D伺服閥功重比高，體積小，重量僅為常規(guī)二級伺服閥的1/3，導控級泄漏小，還具有很好的抗污染能力，適用于航天航空等對功率密度要求高的工作場合[19]。由于2D閥芯一體化的結(jié)構(gòu)特點，即先導級和功率級集成在單個具有雙自由度的閥芯上，力矩馬達與閥芯同軸連接，并安裝在閥芯末端，可以進行插裝結(jié)構(gòu)設(shè)計。而且2D伺服閥力矩馬達的輸出力只用來克服閥芯轉(zhuǎn)動的摩擦力及其慣性力，而不是液動力。

液壓控制元件的發(fā)展趨勢為質(zhì)量輕、精度高、高壓大流量、抗污染能力強和泄漏低等。針對傳統(tǒng)伺服閥無法插裝化，以及傳統(tǒng)螺紋插裝閥流量受到電磁線圈功率和液動力的限制，魯鵬勇等[20]提出了插裝式二維(2D)伺服閥，并對其進行閥套的流道仿真分析。而本文在其基礎(chǔ)上，詳細介紹該閥的具體結(jié)構(gòu)，建立該閥的數(shù)學模型進行理論分析，最后對該閥的實物進行實驗研究。

1 插裝式2D伺服閥的介紹

插裝式2D伺服閥主要由電-機械轉(zhuǎn)換器模塊、閥體模塊和位置傳感器模塊組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中P為高壓口，T為低壓口，A、B為工作口。

圖1 插裝式2D伺服閥Fig.1 2D cartridge servo valves

1.1 電-機械轉(zhuǎn)換器模塊

從硬件構(gòu)成看，電-機械轉(zhuǎn)換器是伺服閥的核心元件，其特性將在很大程度上決定了伺服閥的動態(tài)性能[21]。性能優(yōu)異的電-機械轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有小慣量大推力、響應(yīng)快、磁滯小和線性度好等特點。

以往2D伺服閥的電-機械轉(zhuǎn)換器采用的是一個帶角位移反饋的步進電機，但是需要機械傳動機構(gòu)來傳遞和放大步進電機的輸出力矩，結(jié)構(gòu)上就不利于實現(xiàn)插裝。因此設(shè)計了一種干式的力矩馬達作為插裝式2D伺服閥的電-機械轉(zhuǎn)換器，省去了中間的機械傳動機構(gòu)，直接驅(qū)動閥芯運動，結(jié)構(gòu)上更加簡單。

動鐵式力矩馬達的銜鐵慣量小、支撐彈簧管剛度大，所以比動圈式力矩馬達的動態(tài)響應(yīng)快。但是在大角度情況下，動鐵式力矩馬達非線性較差，而插裝式2D伺服閥單邊角度需求小于1°，在此條件下動鐵式力矩馬達的線性度能夠滿足需求。所以采用動鐵式力矩馬達。

如圖2所示，力矩馬達包括磁路組件和彈簧組件。磁路組件用來提供動力，輸出轉(zhuǎn)矩，由2個線圈、2個導磁體、1個銜鐵和2個永磁體組成。銜鐵采用軟磁合金1J22，永磁體為高性能的釹鐵硼Ndfeb52。導磁體材料與銜鐵一致，兩個導磁體分別布置于永磁體上下兩側(cè)，并與銜鐵之間形成四個獨立的工作氣隙?？刂凭€圈附在導磁體上，采用雙余度設(shè)計，保證在其中一組控制線圈失效時，備份的一組能夠保證力矩馬達處于正常工作狀態(tài)。彈簧組件用來提供約束力矩，調(diào)節(jié)輸出，主要由1個彈簧座、2個彈簧和2個彈簧管構(gòu)成。彈簧一端與彈簧桿相連，另一端與彈簧座相連，而彈簧座通過螺紋固定在外殼上，保證力矩馬達在未上電時始終處于零位，在失電時能及時回復零位。而且彈簧座與外殼的螺紋連接是可調(diào)節(jié)的，即兩側(cè)的彈簧對稱性不好時，可以調(diào)節(jié)彈簧座的螺釘來實現(xiàn)對稱的目的。

圖2 力矩馬達的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of torque motor

力矩馬達的工作原理如圖3所示。當控制線圈未輸入電流時，力矩馬達在其兩端永磁體所形成的對稱磁場下，輸出力矩為零，銜鐵在彈簧組件的作用下處于零位；當控制線圈通入電流時，力矩馬達在永磁鐵產(chǎn)生的永磁磁場和控制線圈所產(chǎn)生的控制磁場的差動作用下輸出力矩，驅(qū)動銜鐵轉(zhuǎn)動，再加上彈簧組件產(chǎn)生的約束力矩，兩者平衡時，銜鐵終止扭轉(zhuǎn)；當失電時，彈簧組件又使銜鐵回到零點。

與傳統(tǒng)力矩馬達的彈簧管不同，彈簧組件的結(jié)構(gòu)簡單很多，因此加工更簡單，成本更低。更為重要的是彈簧和2D閥的閥芯一樣具有雙自由度的特性，一方面銜鐵帶動彈簧桿轉(zhuǎn)動，另一方面閥芯帶動彈簧桿直動，而彈簧桿的轉(zhuǎn)動和直動分別導致彈簧在閥芯徑向和軸向扭轉(zhuǎn)。其設(shè)計要求為當在彈簧桿端面施加20 N的水平直動力時，彈簧桿(即閥芯)的水平位移達到0.5 mm；當相同位置施加0.05 N·m的扭矩時，彈簧桿(即閥芯)的轉(zhuǎn)角達到1°。

圖3 力矩馬達的工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of torque motor

因此，對彈簧組件進行力學仿真，以尋求合適的尺寸來滿足彈簧的力學性能。其中彈簧的材料為50GrVA彈簧鋼。在仿真過程中，將兩個彈簧座固定約束，然后分別在彈簧桿上施加力和力矩，其結(jié)果如圖4所示。在圖4(a)中，當施加20 N的力時，彈簧座的最大位移為0.47 mm，基本滿足需求；在圖4(b)中，當施加0.05 N·m的力矩時，彈簧座最大位移為0.25 mm，角位移為1.1°，也基本滿足要求。彈簧的具體參數(shù)參見表1。

圖4 彈簧組件的力學仿真Fig.4 Mechanical simulation of spring component

表1 彈簧的部分參數(shù)Table 1 Partial parameters of the spring

參數(shù)數(shù)值彈簧線徑/mm0.8彈簧中徑/mm2.8彈簧自由高度/mm7彈簧有效圈數(shù)4

線性度好的力矩馬達的輸出力矩為

Td=KtΔi+Kmθ

(1)

(2)

(3)

式中：a為從轉(zhuǎn)角中心到氣隙中心的距離在垂直于作用力方向的投影；l為銜鐵在中位時工作氣隙的長度(在圖3標注)；Nc為線圈匝數(shù)；φg為永磁體產(chǎn)生的固定磁通；Rg為氣隙的磁阻；Δi為兩個控制線圈的差動電流；θ為銜鐵的轉(zhuǎn)動角度；Kt為力矩馬達的力矩常數(shù)；Km為力矩馬達的磁彈簧剛度。

由式(1)可知，當力矩馬達的力矩常數(shù)以及磁彈簧剛度恒定時，銜鐵上輸出力矩的大小僅與銜鐵的轉(zhuǎn)動角度和控制線圈的差動電流有關(guān)。

當銜鐵發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，彈簧組件提供的約束力矩為

Tc=Kaθ

(4)

式中：Ka為銜鐵轉(zhuǎn)軸的機械扭轉(zhuǎn)彈簧剛度。

利用式(1)和式(4)，可以對力矩馬達的靜態(tài)特性進行分析。在空載情況下，力矩馬達形成的輸出力矩Td和彈簧桿產(chǎn)生的約束力矩Tc平衡，即可得力矩馬達空載靜態(tài)的角位移表達式：

(5)

式中：K為力矩馬達的靜態(tài)剛度系數(shù)。

由式(5)可知，當Km

銜鐵力矩平衡方程

(6)

式中：Ja為銜鐵及任何加于其上的負載轉(zhuǎn)動慣量；Ba為銜鐵的機械支撐和負載的黏性系數(shù)；TL為作用在銜鐵上的負載力矩。

將式(1)和式(6)合并后拉普拉斯變換得

KtΔi=Jas2θ+Basθ+(Ka-Km)θ+TL

(7)

由式(7)可得，以差動電流和負載力矩為輸入，轉(zhuǎn)角為輸出的系統(tǒng)方塊圖如圖5所示。由圖5 可得力矩馬達傳遞函數(shù)為

(8)

(9)

式中：ωm為銜鐵的固有頻率。

圖5 力矩馬達的控制框圖Fig.5 Control block diagram of torque motor

1.2 閥體模塊

閥體模塊主要有閥芯、閥套、左端蓋、銷、O密和濾網(wǎng)等組成。如圖6所示，閥芯左端與左端蓋構(gòu)成敏感腔a；高壓槽b和低壓槽c通過閥套上的斜槽g與腔a溝通；a腔壓力由高壓槽b和低壓槽e與斜槽g相交的兩個微小弓形面積串聯(lián)的液壓阻力半橋控制；槽b和高壓孔d、e通過閥芯內(nèi)孔相通；e使其所在的腔室形成高壓腔f。閥芯旋轉(zhuǎn)改變弓形面積，影響腔a的壓力；a、f兩腔的壓力差導致閥芯的直線位移；閥芯的直線位移也會改變弓形面積，影響腔a的壓力，最終平衡。當銜鐵帶動閥芯逆時針轉(zhuǎn)動(從閥體看往力矩馬達的方向)過程中，低壓槽c與斜槽的重疊面積變大，高壓槽b與斜槽的重疊面積減小，導致左側(cè)敏感腔a壓力下降，而右側(cè)的高壓腔f壓力不變，從而使得閥芯向敏感腔體積減小的方向運動。在運動過程中高壓槽和低壓槽與斜槽的相交面積發(fā)生與前述相反的情況，敏感腔的壓力逐漸增大，最終使得閥芯回到平衡位置。此過程體現(xiàn)了伺服螺旋機構(gòu)的特性：較小的電磁輸出力矩通過伺服螺旋機構(gòu)進行功率放大，可以轉(zhuǎn)化為較大的液動力(兩腔的壓力差)，從而推動閥芯直動，同時還具有反饋功能。

圖6 2D閥的結(jié)構(gòu)原理Fig.6 Structure principle of 2D valve

銜鐵輸出轉(zhuǎn)角θ，閥芯與銜鐵固連，因此閥芯轉(zhuǎn)角也為θ。從左往右看順時針為正。如圖7所示，高壓槽與斜槽的重疊高度為

h=Rθsinβ+h0

(10)

式中：R為閥芯半徑；θ為閥芯旋轉(zhuǎn)角位移；h0為閥芯零位時高低壓槽與斜槽的初始重疊高度；β為斜槽傾斜角度，取87°。

圖7 2D閥先導控制示意圖Fig.7 Pilot control schematic diagram of 2D valve

高壓槽與低壓槽和斜槽之間的相交面積越大，導控流量越大，閥芯的動態(tài)響應(yīng)越快。為了加快響應(yīng)，不采用傳統(tǒng)的高低壓孔方式，而是采用高低壓槽的結(jié)構(gòu)。因為該2D閥芯轉(zhuǎn)角很小，高壓槽的圓角半徑也很小，因此可將交互面積近似成長度一定，高度隨閥芯轉(zhuǎn)角θ呈線性變化的平行四邊形的面積。高壓槽與斜槽的交互面積為

A1=Rθw+wh0/sinβ

(11)

式中：w為高壓槽的槽寬。

同理可得低壓槽與斜槽的計算面積A2為

A2=-Rθw+wh0/sinβ

(12)

所以高壓槽流入敏感腔的流量q1為

(13)

式中：Cd為流量系數(shù)，取0.62；ps為系統(tǒng)壓力，pc為敏感腔壓力;ρ為油液密度。

由敏感腔經(jīng)過低壓槽流出的流量q2為

(14)

如果不計閥芯和閥套之間的間隙泄漏，假設(shè)油液不可壓縮，流量的連續(xù)性方程為

(15)

式中：As為敏感腔對閥芯的作用面積；βe為體積彈性模量；x為閥芯位移；Vc為敏感腔容積。

閥芯動力學方程為

(16)

式中：Ar為高壓腔對閥芯的作用面積；m為折算到閥芯上的總質(zhì)量；Bp為作用在閥芯上的總黏性系數(shù)；FL為外部負載的總作用力；KL為負載的彈簧剛度。

伺服螺旋機構(gòu)存在反饋環(huán)節(jié)，其軸向位移x、角位移θ和重疊高度變化量Δh之間的關(guān)系為

Δh=Rθsinβ-xcosβ

(17)

式(10)～式(17)構(gòu)成了閥體模塊動態(tài)特性的支配方程。不考慮系統(tǒng)非線性因素，據(jù)此可得圖8 所示的方塊圖。然后得其傳遞函數(shù)為

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

式中：ωn為液壓固有頻率；ζn為液壓阻尼比。

通過位移可以進一步求得滑閥流量，根據(jù)流量公式可得閥芯位移與滑閥流量的關(guān)系為

(23)

式中：Q為閥口流量；ω為閥口通流面積梯度；Δp為閥口單邊壓降。

圖8 伺服螺旋機構(gòu)的控制框圖Fig.8 Control block diagram of servo screw mechanism

1.3 位置傳感器模塊

差動變壓器式位移傳感器是基于LVDT原理進行非接觸式位移測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高等優(yōu)點，被大量應(yīng)用于航天航空、機械等領(lǐng)域[22]。位移傳感器采用LVDT CD375-025型號。LVDT傳感器與外殼和卡件的圓弧配合，通過螺紋使卡件壓死LVDT傳感器。彈簧桿與LVDT連接桿通過螺紋連接，并通過外六角來保證兩者的垂直度。LVDT傳感器內(nèi)部設(shè)有鐵芯，連接桿與鐵芯螺紋連接，鐵芯可在傳感器內(nèi)直動。在力矩馬達工作過程中，銜鐵帶動彈簧桿及閥芯轉(zhuǎn)動，結(jié)合伺服螺旋原理，閥芯還作直線運動，同時帶動彈簧桿與鐵芯直動，鐵芯位移將以電信號的形式傳遞給控制器，從而實現(xiàn)閥芯位移的閉環(huán)控制。

此模塊的設(shè)置只是為了提高插裝式2D伺服閥的性能(動靜態(tài)等)，適用于性能要求很高的地方。然而在某些性能要求不是很高的場所(滯環(huán)小于5.5%，動態(tài)頻響不低于30 Hz)，該閥不采用此模塊也可以滿足需求。

1.4 插裝式二維(2D)伺服閥

根據(jù)上述分析，且不考慮LVDT反饋，可以得到插裝式2D伺服閥開環(huán)控制系統(tǒng)框圖，如圖9所示。系統(tǒng)以差動電流Δi和作用在力矩馬達上的負載力矩TL(即銜鐵帶動閥芯轉(zhuǎn)動時的負載力矩)為輸入，閥芯位移為輸出的開環(huán)傳遞函數(shù)如式(24) 所示。通過整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，可以進行仿真研究具體參數(shù)對系統(tǒng)輸入輸出的影響及穩(wěn)定性。

圖9 插裝式2D伺服閥控制方塊圖Fig.9 Control block diagram of 2D cartridge servo valves

(24)

2 插裝式2D伺服閥的仿真

插裝式二維(2D)伺服閥的仿真主要是根據(jù)上述的動態(tài)性能的支配方程，研究力矩馬達的差動電流Δi(輸入)階躍變化時，力矩馬達的磁極面積Ag、線圈匝數(shù)Nc和高低壓槽的槽寬w對閥芯的軸向位移xv(輸出)的影響。仿真的部分參數(shù)如表2所示，仿真結(jié)果見圖10。

表2 仿真的部分參數(shù)Table 2 Partial parameters of simulation

圖10 關(guān)鍵參數(shù)對階躍響應(yīng)的影響Fig.10 Effects of key parameters on valve’s dynamic characteristics

從圖10(a)可以看出，隨著磁極面積的增大，階躍響應(yīng)時間反而增大。這是因為雖然磁極面積變大會加快閥芯的響應(yīng)速度，但是也會增加其位移的穩(wěn)態(tài)值，從而導致階躍時間增加。

從圖10(b)可以看出，隨著線圈匝數(shù)的增加，階躍響應(yīng)的時間不會發(fā)生變化，而且隨著線圈匝數(shù)的增加，閥芯位移成比例增加。這是因為線圈匝數(shù)在整個系統(tǒng)充當?shù)慕巧喈斢谝粋€放大系數(shù)，對響應(yīng)時間無影響。

從圖10(c)可以看出，高低壓槽的槽寬的改變不會影響閥芯位移的穩(wěn)態(tài)值。但是隨著槽寬的增加，響應(yīng)時間會略微減少，這是因為增大槽寬會增加其流量增益，響應(yīng)速度變快，但同時也會導致泄漏變大。

同時還可以看出，插裝式2D伺服閥的階躍響應(yīng)沒有超調(diào)，表現(xiàn)出過阻尼的階躍響應(yīng)特性，這說明插裝式2D伺服閥是一個過阻尼系統(tǒng)，穩(wěn)定性很好。

3 實驗研究

3.1 實物介紹

結(jié)合設(shè)計要求，最終設(shè)計的插裝式2D伺服閥尺寸為38 mm×38 mm×89 mm，質(zhì)量為155 g，流量為12.6 L/min。實物如圖11所示，安裝如圖12所示。

圖11 插裝式2D伺服閥實物圖Fig.11 Photos of 2D cartridge servo valve

圖12 插裝式2D伺服閥實驗工裝Fig.12 Installation of 2D cartridge servo valve

3.2 實驗平臺及原理

實驗測試平臺的原理框圖如圖13所示。測試系統(tǒng)主要包含信號發(fā)生器、示波器、插裝式2D伺服閥、流量計、液壓泵站、激光位移傳感器等。實驗地點為浙江工業(yè)大學二維(2D)液壓氣動工程研究中心。

改變截止閥可以實現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能，即不同的測試工況。信號發(fā)生器產(chǎn)生不同的輸入曲線，激光位移傳感器直觀的顯示閥芯位移變化。結(jié)合設(shè)計要求，本次實驗主要測量該閥在開環(huán)情況下的動靜態(tài)特性、分辨率以及階躍相應(yīng)。在開環(huán)情況下，LVDT信號(型號為CD375，量程為±0.63 mm)作為樣機的輸出信號。圖14即為實驗測試圖。(實驗系統(tǒng)壓力10 MPa，室溫20°)

圖13 實驗系統(tǒng)原理圖Fig.13 Schematic diagram of experimental system

圖14 插裝式2D伺服閥實驗臺Fig.14 Experiment table of 2D cartridge servo valve

3.3 實驗結(jié)果

3.3.1 開環(huán)下的伺服閥靜態(tài)特性

圖15為插裝式2D伺服閥的開環(huán)靜態(tài)測試曲線，其實驗條件為：截止閥7、8、9打開，系統(tǒng)壓力10 MPa、b口通過流量計相連，此時流量計可以當靜態(tài)的液壓缸，伺服閥滿量程輸入，即±0.3 mm 的閥芯位移(由于流量配磨的限制，現(xiàn)在只能通過位移曲線替代流量曲線，±0.3 mm的位移對應(yīng)的流量大小為12.6 L/min)。信號發(fā)生器給出的輸入信號為電壓信號，頻率為0.02 Hz，曲線樣式為正弦波，輸出信號為閥芯的位移信號。

圖15 靜態(tài)曲線Fig.15 Static curve

由曲線得知：開環(huán)情況下滯環(huán)大小為5%，線性度均滿足指標。這是因為螺旋伺服機構(gòu)本身具有反饋功能，所以在開環(huán)的情況下也能保持良好的滯環(huán)和線性度。理論的開環(huán)曲線優(yōu)于實驗的結(jié)果，是因為沒有考慮到力矩馬達的滯環(huán)，同時在建立傳遞函數(shù)時將一些參數(shù)進行線性化分析。

3.3.2 開環(huán)下的分辨率實驗

分辨率是使伺服閥的流量發(fā)生變化(增大或減少)的輸入電流的最小增量。本次測量方法為：在10%的輸入信號處停止，緩慢減小電流，讀取位移變化。

伺服閥測試的輸入信號為電壓信號，大小為0.6～1.0 V，選0.794 V時，閥芯位移為1.645 7 mm，緩慢減小輸入信號值，得出位移與輸入信號的對應(yīng)關(guān)系，如表3所示,開環(huán)下的分辨率≤1%。

表3 分辨率實驗結(jié)果Table 3 Experimental results of resolution

3.3.3 開環(huán)下的階躍響應(yīng)

階躍響應(yīng)曲線指伺服閥零位到單邊最大開口時，流量(位移)曲線隨輸入信號(電壓信號)的響應(yīng)時間。圖16即為開環(huán)響應(yīng)曲線。滿量程輸入，系統(tǒng)壓力10 MPa，室溫20°。

圖16 階躍響應(yīng)曲線Fig.16 Step response curve

插裝式2D伺服閥階躍響應(yīng)的實驗結(jié)果表現(xiàn)為過阻尼，且無超調(diào)，這與仿真結(jié)果一致。實驗開環(huán)響應(yīng)時間為10 ms，而仿真結(jié)果約為8 ms，這可能是沒有考慮到力矩馬達滯環(huán)的影響。而一般伺服閥的響應(yīng)時間大概為20～40 ms之間，相比之下插裝式2D伺服閥的響應(yīng)速度非常快，這主要是因為采用了2D閥的結(jié)構(gòu)，同時有一些系統(tǒng)的優(yōu)化如馬達采用動鐵式，伺服螺旋機構(gòu)將高低壓孔改成高低壓槽等。

3.3.4 開環(huán)下的動態(tài)特性

動態(tài)特性表征輸出信號隨輸入信號的跟隨能力。本次實驗中，信號發(fā)生器給出不同頻率的滿量程正弦波輸入信號，得到多組輸出信號(位移信號)與輸入信號(電壓信號)的正弦波跟隨曲線。結(jié)合動態(tài)頻響的定義，以1 Hz作為幅頻與相頻的基準信號，將動態(tài)特性曲線整理如圖17所示。截止閥9打開，滿量程輸入，系統(tǒng)壓力10 MPa，室溫20°。

由圖17得插裝式2D伺服閥的幅頻(-3 dB)約為35 Hz，相頻(-90 °)約為45 Hz。即在滿量程輸入時，插裝式2D伺服閥的開環(huán)動態(tài)頻響為35 Hz。

圖17 動態(tài)特性Fig.17 Dynamic characteristics

3.4 性能參數(shù)整理

插裝式2D伺服閥的實驗數(shù)據(jù)如表4所示，開環(huán)下的性能已經(jīng)能滿足要求，而如果通過LVDT實現(xiàn)閉環(huán)控制，其性能還可以有很大的提高。因此，在正常情況下該閥開環(huán)即可，而在要求更高的場合可以采用閉環(huán)。

表4 實驗數(shù)據(jù)整理Table 4 Data reduction of experiment

4 結(jié) 論

1) 本文研究的插裝式2D伺服閥，通過力矩馬達的偏轉(zhuǎn)角度來直接驅(qū)動閥芯運動，進而控制伺服閥的輸出流量，同時還可以通過LVDT檢測閥芯位移實現(xiàn)位置閉環(huán)控制。

2) 插裝式2D伺服閥相對于普通的插裝閥結(jié)構(gòu)更加簡單，尺寸更小，重量更輕，響應(yīng)快，控制精度高，同時抗污染能力強，在航空航天及軍工領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

3) 力矩馬達中的磁極面積增大反而會增加系統(tǒng)階躍響應(yīng)時間；力矩馬達的線圈匝數(shù)充當比例放大系數(shù)的角色；2D閥的斜槽寬度增加會加速響應(yīng)，同時不會放大輸出，但是會增加泄漏。同時，該閥具有過阻尼特性，無超調(diào)，系統(tǒng)很穩(wěn)定。

4) 實驗表明，該閥具有良好的動靜態(tài)特性：開環(huán)情況下滯環(huán)大小為5%，分辨率≤1%，線性度較好,響應(yīng)時間為10 ms，動態(tài)頻響為35 Hz。在閉環(huán)情況下性能還可以有很大提高。其動靜態(tài)特性均滿足設(shè)計要求。