插裝式二維dd伺服閥的設計與實驗研究

與其他連接方式的液壓閥相比，插式閥具有許多不可替代的優(yōu)點，如密封可靠性好、重量輕、易系統(tǒng)集成、加工和改進相對容易等。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浙江工業(yè)大學Ruan等液壓控制元件的發(fā)展趨勢為質量輕、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1結構組成原理插裝式2D伺服閥主要由電-機械轉換器模塊、閥體模塊和位置傳感器模塊組成。其結構如圖1所示。其中P為高壓口,T為低壓口,A、B為工作口。1.1彈簧組件及剛度從硬件構成看,電-機械轉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)性能以往2D伺服閥的電-機械轉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來傳遞和放大步進電機的輸出力矩,結構上就不利于實現(xiàn)插裝。因此設計了一種干式的力矩馬達作為插裝式2D伺服閥的電-機械轉換器,省去了中間的機械傳動機構,直接驅動閥芯運動,結構上更加簡單。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,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,調節(jié)輸出,主要由1個彈簧座、2個彈簧和2個彈簧管構成。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節(jié)的,即兩側的彈簧對稱性不好時,可以調節(jié)彈簧座的螺釘來實現(xiàn)對稱的目的。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生的永磁磁場和控制線圈所產生的控制磁場的差動作用下輸出力矩,驅動銜鐵轉動,再加上彈簧組件產生的約束力矩,兩者平衡時,銜鐵終止扭轉;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,彈簧組件的結構簡單很多,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動,另一方面閥芯帶動彈簧桿直動,而彈簧桿的轉動和直動分別導致彈簧在閥芯徑向和軸向扭轉。其設計要求為當在彈簧桿端面施加20N的水平直動力時,彈簧桿(即閥芯)的水平位移達到0.5mm;當相同位置施加0.05N·m的扭矩時,彈簧桿(即閥芯)的轉角達到1°。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,其結果如圖4所示。在圖4(a)中,當施加20N的力時,彈簧座的最大位移為0.47mm,基本滿足需求;在圖4(b)中,當施加0.05N·m的力矩時,彈簧座最大位移為0.25mm,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。線性度好的力矩馬達的輸出力矩為式中:a為從轉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);N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動角度和控制線圈的差動電流有關。當銜鐵發(fā)生偏轉時,彈簧組件提供的約束力矩為式中:K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T式中:K為力矩馬達的靜態(tài)剛度系數(shù)。由式(5)可知,當K銜鐵力矩平衡方程式中:J將式(1)和式(6)合并后拉普拉斯變換得由式(7)可得,以差動電流和負載力矩為輸入,轉角為輸出的系統(tǒng)方塊圖如圖5所示。由圖5可得力矩馬達傳遞函數(shù)為式中:ω1.2閥芯運動方程閥體模塊主要有閥芯、閥套、左端蓋、銷、O密和濾網等組成。如圖6所示,閥芯左端與左端蓋構成敏感腔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通過閥芯內孔相通;e使其所在的腔室形成高壓腔f。閥芯旋轉改變弓形面積,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,導致左側敏感腔a壓力下降,而右側的高壓腔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)了伺服螺旋機構的特性:較小的電磁輸出力矩通過伺服螺旋機構進行功率放大,可以轉化為較大的液動力(兩腔的壓力差),從而推動閥芯直動,同時還具有反饋功能。銜鐵輸出轉角θ,閥芯與銜鐵固連,因此閥芯轉角也為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式中:R為閥芯半徑;θ為閥芯旋轉角位移;h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)響應越快。為了加快響應,不采用傳統(tǒng)的高低壓孔方式,而是采用高低壓槽的結構。因為該2D閥芯轉角很小,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A所以高壓槽流入敏感腔的流量q式中:C由敏感腔經過低壓槽流出的流量q如果不計閥芯和閥套之間的間隙泄漏,假設油液不可壓縮,流量的連續(xù)性方程為式中:A閥芯動力學方程為式中:A伺服螺旋機構存在反饋環(huán)節(jié),其軸向位移x、角位移θ和重疊高度變化量Δh之間的關系為式(10)～式(17)構成了閥體模塊動態(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)為式中:ω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系為式中:Q為閥口流量;ω為閥口通流面積梯度;Δp為閥口單邊壓降。1.3d伺服閥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,具有結構簡單、精度高等優(yōu)點,被大量應用于航天航空、機械等領域此模塊的設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30Hz),該閥不采用此模塊也可以滿足需求。1.4開環(huán)控制系統(tǒng)框圖根據(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T2圈寬/槽寬比例插裝式二維(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A從圖10(a)可以看出,隨著磁極面積的增大,階躍響應時間反而增大。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伺服閥的階躍響應沒有超調,表現(xiàn)出過阻尼的階躍響應特性,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實驗與研究3.1尺寸結合設計要求,最終設計的插裝式2D伺服閥尺寸為38mm×38mm×89mm,質量為155g,流量為12.6L/min。實物如圖11所示,安裝如圖12所示。3.2開環(huán)下的實驗測試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。結合設計要求,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。在開環(huán)情況下,LVDT信號(型號為CD375,量程為±0.63mm)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10MPa,室溫20°)3.3結果3.3.1輸出壓力函數(shù)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10MPa、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±0.3mm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,±0.3mm的位移對應的流量大小為12.6L/min)。信號發(fā)生器給出的輸入信號為電壓信號,頻率為0.02Hz,曲線樣式為正弦波,輸出信號為閥芯的位移信號。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電流表達方式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0.6～1.0V,選0.794V時,閥芯位移為1.6457mm,緩慢減小輸入信號值,得出位移與輸入信號的對應關系,如表3所示,開環(huán)下的分辨率≤1%。3.3.3插裝式2d伺服閥階躍響應階躍響應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)的響應時間。圖16即為開環(huán)響應曲線。滿量程輸入,系統(tǒng)壓力10MPa,室溫20°。插裝式2D伺服閥階躍響應的實驗結果表現(xiàn)為過阻尼,且無超調,這與仿真結果一致。實驗開環(huán)響應時間為10ms,而仿真結果約為8ms,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時間大概為20～40ms之間,相比之下插裝式2D伺服閥的響應速度非常快,這主要是因為采用了2D閥的結構,同時有一些系統(tǒng)的優(yōu)化如馬達采用動鐵式,伺服螺旋機構將高低壓孔改成高低壓槽等。3.3.4閥的動態(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。結合動態(tài)頻響的定義,以1Hz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10MPa,室溫20°。由圖17得插裝式2D伺服閥的幅頻(-3dB)約為35Hz,相頻(-90°)約為45Hz。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35Hz。3.4lvtc閉環(huán)控制插裝式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)。4插裝閥的特性1)本文研究的插裝式2D伺服閥,通過力矩馬達的偏轉角度來直接驅動閥芯運動,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