一种新型直动式电液伺服阀的研制.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUUCS J u 1 ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 3 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 2 7 一 种新型直动式电液伺服阀的研制 李其朋 ，丁凡 1 ．浙江科技学院机械与汽车工程 学院，浙江杭州 3 1 0 0 1 3 ；2 ．浙江大学机械 系，浙江杭州 3 1 0 0 2 3 摘要基于一种永磁极化式双向比例电磁铁和耐高压电涡流位移传感器，提出一种新型直动式电液伺服阀，进行性能 仿真分析，设计出相应的驱动电路并进行实验研究。实验结果与仿真结果吻合，表明提出的电液伺服阀具有良好的静态特 性 。 关键词直动式；电液伺服阀；仿真与实验 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 3- 0 8 8 3 Re s e a r c h o n a Ne w Di r e c t Dr i v e n El e c t r o． hy d r a ul i c S e r v o Va l v e L I Q i p e n g ，D I N G F a n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ，Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 1 3 ，C h i n a ； 2 ． D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l E n gin e e ri n g ，Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 2 3 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n a p e r ma n e n t ma g n e t p o l a r i z e d b i d i r e c t i o n a l p r o p o r t i o n al s o l e n o i d a n d a h i g h - p r e s s u r e e d d y c u r r e n t d i s p l a c e me n t s e n s o r ，a n e w d i r e c t d nv e n e l e c t r o - h y d r a u l i c s e r v o v alv e Was p r e s e n t e d ． S i mu l a t i o n an a l y s i s wa s g i v e n ． T h e d r i v i n g c i r c u i t s f o r t h e v a l v e we r e d e s i g n e d a n d e x p e ri me n t al r e s e a r c h wa s c a r r i e d o u t ． Th e e x p e ri me n t al r e s u l t a g r e e s we l l w i t h t h e s i mu l a t e d r e s u l t ． I t S HO WS t h a t t h e s e ／ v o v alv e h as g o o d s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c ． Ke y wo r d s D i r e c t d ri v e n t y p e；E l e c t r o h y dra u l i c s e r v o v alv e；S i mu l a t i o n an d e x p e rime n t 电液伺服阀是电液伺服控制系统的核心部件，其 作用是将输入的小功率电信号精确快速地转换为大功 率的液压能输出，其性能优劣直接决定着电液伺服控 制系统的性能。 传统的喷嘴 一挡板伺服阀对油液的污染较为敏 感 ，且动态特性受供油压力的影 响 ，因此直动式 电液 伺服阀的研究开发成为近年来的研究焦点。如 日本穆 格公司研制出 D 6 3 3 ／ D 6 3 4直动式 电液伺服 阀，采用 永磁磁场与控制磁场差动控制，压力增益高，频率响 应达到6 0 H z ；国内北京机床所研制出 Q D Y D直动式 电液伺服阀，采用永磁式 力马达驱动 ，用集成电路 实 现阀芯位置 的闭环控 制 ，获得 了 良好 的动 静态特性 ； 浙江工业大学研制的 2 D电液数字伺服阀，采用步进 电机驱动，利用阀芯上的高低压孔与阀孔上的螺旋槽 构成的液压伺服螺旋机构，即利用阀芯的双运动自由 度 ，实现双级 阀的导控功能。 作者提出一种基于新型永磁力马达和位移传感器 的直动式电液伺服阀，并给出了相应的驱动电路设 计、理论分析和实验验证。 1 结构设计 新型直动式电液伺服阀如图 1 所示，阀芯采用滑 阀式结构，阀体两端采用对顶弹簧实现阀芯的对中， 由电一机械转换器的输出推杆直接驱动，电涡流传感 器的位移敏感器件与电一机械转换器的位移输出装置 连接，实现对阀芯位移的测量及反馈 ；为便于零位调 节，在阀体一端加入了调零装置。 调零 螺钉 阀芯 弹 簧 座 短 路环 传感 器 图 1 直动式电液伺服阀结构示意图 1 ． 1 驱动部 分 电 一 机械转换器采用单磁钢、双线圈结构，由永 磁体、控制线圈、导套、壳体以及衔铁等组成。导套 采用导磁金属材料 ，隔磁环采用非导磁金属材料 ，隔 磁环将导套分隔成 3 个部分 ，这样在磁轭端部可构成 锥 形端部 的盆形极靴 ，有利于磁场 的调节 。衔铁在导 套内移动，并与推杆连接为一体，其位移 由推杆引 出；导套与隔磁环固结为一体 ，作为耐高压套管，起 收稿 日期 2 0 1 0 0 51 1 基金项目国家自然科学基金资助项 目 5 0 9 0 5 0 6 6 ；浙江省 自然科学基金资助项目 Y1 0 9 0 2 1 0 作者简介李其朋 1 9 7 7 ～ ，男，副教授，主要研究方向为电液伺服控制元件及系统。Em a i l l q p z j u ． e d u ． e n 。 第 l 3期 李其朋 等一种新型直动式电液伺服阀的研制 8 9 到密封油液的作用 ，保护线圈等外围器件。 利用永磁体 建 立极 化 磁场 。当 控制 线 圈未 通 电 时 ，在永磁体产生的极化磁场作用下 ，衔铁可保持在 中位静止不动；当控制线圈通人一定极性的电流时， 控制线圈产生的控制磁场与极化磁场相叠加，引起磁 场变化，衔铁一端磁场增强，另一端减弱，致使衔铁 向磁场增大的方 向移动 ，直至达到新的力平衡 ；同样 的 ，当相反极 性的电流流过控制线圈时 ，衔铁将反 向 移动 。 1 ． 2 传感部分 传感器基于电涡流效应原理，由感应线圈、短路 环、壳体等组成。短路环采用电导率较高的铝芯制成 并与阀芯连接。 感应线圈通入高频交变电流产生激励磁场，短路 环在磁场的激励下产生电涡流效应抵抗感应磁场的变 化 ，引起感应 线圈阻抗的变化 ；短路环位置不同 ，电 涡流效应的强弱不同，感应线圈的阻抗也随之发生变 化；由于短路环与阀芯连接，因此通过检测感应线圈 的阻抗可得到阀芯的位移信息。 2 电路设计 电液伺服阀为双向驱动，因此线圈的驱动电路框 图如图 2 所示。绝对值电路将输入信号加以整流，变 换为单极性信号 ，为后续电路的极性处理提供鉴别信 号。P WM信号发生电路如图 3所示，采用运放 比较 电路，结合电流反馈 ；电流信号取 自检测端口 S E N S ． I N G，并由采样电阻 采样。当负载电流上升 ，R 两端电压升高，当与同相端的电平相等时，比较器翻 转 ，控制电流换 向；于是 风 两端 电压减 小 ，当减 小 到与 比较器的低 电平门限持平时 ，比较器又翻转 ，电 流换 向；这样 即可完成一个 P WM 周期循 环 。循 环周 期由 、c 决定 ；比较器的迟滞由 、尺 。 确定；R 为上拉电阻。 图2 双向驱动电路原理框图 0 图3 P WM信号发生电路 ⋯ 皂 壁l 激 励 信 号 H 恒 流 放 大 H 藿 曩 雷 】 器 的 信 号 调 理 框 图 如 一一 亍 图 4 所 示 。 激 励 信 号 箍 鲞 蓑 婆 、大 H 鍪 值 H差 鍪 选 用 正 弦 激 励 ，且 全 ～ 谐 波 失 真 的 要 求 不 需 图4 位移传感器信 要太高，该信号 经恒 号调理电路 流放大后激励传感器的测试线圈及补偿线圈，线圈在 交流电流激励下 ，感应得到交流电压信号 ；该电压信 号需要变换为直流信号以利于信号的采集和处理 ，传 统 的变换方法是采用精 密整流加低通 滤波的方式获得 其平均值 ，但需要采用分立元件实现 ，体积大、元件 选型匹配要求较高，作者采用有效值转换的集成 I c 实现 ，体积小，并 能提高输出性能，电路如图 5所 示 图 5 绝对值变换 电路 3 仿真与实验分析 在 A ME S i m环境中，建立直动式电液伺服阀的压 力 和流量模 型如 图 6所示 。 i 占 一2 一 一 一 一 一- 卜 - 二一 一一 一- 一- 一- 一 ⋯-- a 压 力模 型 ．-一 ⋯一⋯ ⋯⋯ l _ _． 一． V b 流量模型 图6 直动式电液伺服阀的仿真模型 9 O 机床与液压 第 3 8 卷 按照国家标准 G B T 1 5 6 2 3 ． 1 - 2 0 0 3 搭 建实验 系统 ， 对 电液伺服阀进行 了测试 。 静态特性 的实验结果与仿真结果 的对 比如 图7所 示。结果表明该伺服阀的最大输出流量可达6 0 L ／ m i n 2 A驱动 电路 ，流量增 益为 3 ． 31 0 “m ／ s A ， 非线性度小于 3 ％。仿真流量 曲线 与名义 流量 曲线基 本吻合，说明建立的直动式伺服阀的静态模型是准确 的，其仿真结论具有可操作性和借鉴意义；仿真流量 曲线的斜率略大于名义流量曲线，这主要因为阀体的 加工精度与仿真采用的理想情况无法完全一致，二者 存在较小的误差。 Q I L ‘ rai n 。 ‘ ， V 40 3O 2 0 l0 ● I I l I I I 6 - 1 ． 2 一 “8- v ． o “ O 0 ． 4 0 ． 8 1 ． 2 1 ． ， ／ ． 。 ． f ， 铷 一 40 图7 静态特性仿真与实验曲线对比 4结论 提 出了一种新 型的集成位移反馈的直动式 电液伺 服阀，采用仿真软件 A M E S i m，建立了静态特性的仿 真模型，对直动式电液伺服阀的静态特性进行了仿真 分析 ，实验得到了直动式电液伺服阀控制流量的静态 试验曲线，试验结果与仿真结果吻合，说明仿真模型 是有效的。实验结果表明，直动式电液伺服阀具有良 好 的控制特性 。 参考文献 【 1 】 苏东海， 任大林， 杨京兰． 电液比例阀与电液伺服阀性能 比较及前景展望 [ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 8 ， 2 8 4 1 4． 【 2 】 周玉虎， 白志红， 熊光煜． 直动式电液伺服阀控制系统的 建模与仿真研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 ， 3 4 1 1 8 4 8 9． 【 3 】 姜继海， 黄英玲 ， 邹小舟， 等． 直接驱动式电液压力伺服 阀的特性研究[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 8 ， 2 8 6 5 1 5 4． 【 4 】M e r c o r e l l i P ． R o b u s t f e e d b a c k l i n e a r i z a t i o n u s i n g a n a d a p - t l’ v e P D r e g u l a t o r f o r a s e n s o r l e s s c o n t r o l o f a t h r o t t l e v a l v e [ J ] ． Me c h a t r o n i c s ， 2 0 0 9， 1 9 8 1 3 3 41 3 4 5 ． 【 5 】K a r u n a n i d h i a S ，S i n g a p e r u m a l b M． D e s i g n ， a n a l y s i s a n d s i mul a t i o n o f ma gn e t o s t r i c t i v e a c t ua t o r a nd i t s a p p l i c a t i o n t o h i g h d y n a m i c S e l V o v a l v e [ J ] ． S e n s o rs a n d A c t u a t o r s A P h y s i c a l ， 2 0 1 0 ， 1 5 7 2 1 8 51 9 7 ． 上接 第7 3页 数，能够达到减少压力超调、提高系统鲁棒性 的作 用。 对两种不 同泵源工作过程中的无效功耗进行对 比 分析 ，结果表明 采用变转 速泵源 以后 ，液压泵 的无 效功耗有明显的下降。 参考文献 【 1 】M a J u n g o n g ， Wa n g S h i f u ， Wa n g Z h a n l i n ． T h e I n t e l l i g e n t P u m p T e s t S y s t e m B a s e d o n V i r t u a l I n s t r u me n t [ C] ／ ／ Pr o c ． o f Fi f t h I nt e r n a t i o n a l Sy mp o s i u m o n I n s t r ume n t a t i o n a n d C o n t r o l T e c h n o l o g y ， 2 0 0 5 ． 6 5 8 95 9 2 ． 【 2 】 王世富， 马俊功， 王占林． 机载智能泵源研究中的关键技 术[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 4 5 5 6 0 ． 【 3 】 陈朗． 影响恒压式液压舵机速度的因素分析[ J ] ． 战术 导弹控制技术 ， 2 0 0 3 4 3 53 8 ． 【 4 】 T e s s m a n R T ． H y d r a u l i c P u m p P e r f o r m a n c e a s a F u n c t i o n o f S p e e d a n d P r e s s u r e [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f A S M E 9 6 1 7 4 4 ， 2 0 0 3 6 2 63 0 ． 【 5 】 何苏秦， 王忠勇． T M S 3 2 0 C 2 0 0 0系列 D S P原理及实用技 术[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 3 ． 9 4 5～ 4 8 ． 【 6 】 郝晓宏， 靳方义． 永磁无刷直流方波电机控制特性及其 伺服系统控制策略[ J ] ． 电气传动 自动化， 1 9 9 9 8 5 6 65． 上接第 8 7页 数、微分系数、积分系数进行在线 自适应调整，从而 使系统的控制精度有所提高 ，特别是在平 台下降阶 段，模糊 P I D控制较传统的 P I D控制有着较高的控制 精度 。 参考文献 【 1 】 苏生荣， 应申舜． 面向机器人驱动的人工肌肉技术研究 进展 [ J ] ． 机械科学与技术 ， 2 0 0 9 ， 2 8 6 8 3 48 3 9 ． 【 2 】S i t u m z ， H e r c e g s ． D e s i g n a n d C o n t r o l o f a M ani p u l a t o r A r m D r i v e n b y P n e u ma t i c Mu s c l e s A c t u a t o r s [ C] ． 2 0 0 8 Me d i t e r r a n e a n C o n f e r e n c e o n C o n t r o l a n d Au t o ma t i o n C o n f e r e n c e P r o c e e d i n g s ， ME D， 0 8 ，NO． 4 6 0 2 1 3 6 9 2 6 92 7． 【 3 】 Wa n g Y T ， Wo n g R H， Y u C W， e t a1 ． F u z z y c o n t r o l 2 D p n e u ma t i c mu s c l e a c t u a t o r S a l i a ． Me asu r e me n t a n d C o n t r o l [ J ] ． 2 0 0 9 ， 4 2 1 2 4 2 7 ． 【 4 】 李英， 彭光正， 范伟． 模糊 P I D控制在气动人工肌肉位置 控制中的应用[ J ]． 液压与气动， 2 0 0 5 4 3 1 3 3 ． 【 5 】 陈新增， 施光林． F u z z y P I D在柔索并联驱动转台控制 系统中的应用[ J ] ． 微计算机信息 ， 2 0 0 7 ， 2 7 1 1 3 1 4