簡析 電液伺服閥技術(shù)發(fā)展趨勢|資料

當(dāng)前， 電液伺服閥技術(shù)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在 結(jié)構(gòu)的設(shè)計、 材料的采用及電子化、數(shù)字化技術(shù)與液壓技術(shù)的結(jié)合等幾方面。

1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在20世紀(jì)90年代，國外研制直動型電液伺服閥獲得了較大的成就。現(xiàn)形成系列產(chǎn)品的有Moog公司的D633、D634系列的直動閥、伊頓威格士（EatonVickers）公司的LFDC5V型、德國Bosch公司的NC10型、日本三菱及KYB株式會社合作開發(fā)的MK型閥及Moog公司與俄羅期沃斯霍得工廠合作研制的直動閥等。該類型的伺服閥去掉了一般伺服閥的前置級，利用一個較大功率的力矩馬達(dá)直接拖動閥芯，并由一個高精度的閥芯位移傳感器作為反饋。該閥的最大特點是無前置級，提高了伺服閥的抗污染能力。同時由于去掉了許多難加工零件，降低了加工成本，可 使用于工業(yè)伺服控制的場合。國內(nèi)有些單位如中國運載火箭技術(shù)研究院第十八研究所、北京機(jī)床研究所、浙江工業(yè)大學(xué)等單位也研制出了相關(guān)產(chǎn)品的樣機(jī)。特別是北京航空航天大學(xué)研制出轉(zhuǎn)閥式直動型電液伺服閥。該伺服閥通過將普通伺服閥的滑閥滑動結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榛y的轉(zhuǎn)動，并在閥芯與閥套上相應(yīng)開了幾個與軸向有一定傾角的斜槽。閥芯閥套相互轉(zhuǎn)動時，斜槽相互開通或相互封閉，從而控制輸出壓力或流量。由于在工作時閥芯閥套是相互轉(zhuǎn)動的，降低了閥工作時的摩擦阻力，同時污染物不容易在轉(zhuǎn)動的滑閥內(nèi)堆積，提高了抗污染性能。此外，Park公司開發(fā)了“音圈驅(qū)動（VoiceCoilDrive）”技術(shù)（VCD），以及以此技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的DFplus控制閥。所謂音圈驅(qū)動技術(shù)，顧名思義，即是類似于揚聲器的一種驅(qū)動裝置，其基本結(jié)構(gòu)就是套在固定的圓柱形永久磁鐵上的移動線圈，當(dāng)信號電流輸入線圈時，在電磁效應(yīng)的作用下，線圈中產(chǎn)生與信號電流相對應(yīng)的軸向作用力，并驅(qū)動與線圈直接相連的閥芯運動，驅(qū)動力很大。線圈上內(nèi)置了位移反饋傳感器，因此，采用VCD驅(qū)動的DFplus閥本質(zhì)上是以閉環(huán)方式進(jìn)行控制的，線性度相當(dāng)好。此外，由于VCD驅(qū)動器的運動零件只是移動線圈，慣量極小，相對運動的零件之間也沒有任何支承，DFplus閥的全部支承就是閥芯和閥體間的配合面，大大減小了摩擦這一非線性因素對控制品質(zhì)的影響。綜合上述的技術(shù)特點，配合內(nèi)置的數(shù)字控制模塊，使DFplus閥的控制性能佳，尤其在頻率響應(yīng)方面更是優(yōu)越，可達(dá)400Hz.從發(fā)展趨勢來看， 直動型電液伺服閥在某些行業(yè)有替代傳統(tǒng)伺服閥特別是噴嘴擋板式伺服閥的趨向，但它的最大問題在于體積大、重量重，只適用于對場地要求較低的工業(yè)伺服控制場合。如能減輕其重量、減小其體積，在航空、航天等軍工行業(yè)亦具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?

另外，近年來伺服閥 的驅(qū)動方式除了力矩馬達(dá)直接驅(qū)動外，還出現(xiàn)了采用步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、 電磁鐵等驅(qū)動結(jié)構(gòu)以及光-液直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的伺服閥。這些新技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了伺服閥的性能，而且為伺服閥發(fā)展開拓了思路，為電液伺服閥技術(shù)注入了新的活力。

2 材料的采用

當(dāng)前在電液伺服閥研制領(lǐng)域的 材料運用，主要是以壓電元件、超磁致伸縮材料及形狀記憶合金等為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)換器研制開發(fā)。它們各具有其自己的優(yōu)良特性。

2.1壓電元件

壓電元件的特點是“壓電效應(yīng)”：在一定的電場作用下會產(chǎn)生外形尺寸的變化，在一定范圍內(nèi)，形變與電場強(qiáng)度成正比。壓電元件的主要材料為壓電陶瓷（PZT）、電致伸縮材料（PMN）等。比較典型的壓電陶瓷材料有日本TOKIN公司的疊堆型壓電伸縮陶瓷等。PZT直動式伺服閥的原理是：在閥芯兩端通過鋼球分別與兩塊多層壓電元件相連。通過壓電效應(yīng)，使壓電材料產(chǎn)生伸縮驅(qū)動閥芯移動。實現(xiàn)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換。PMN噴嘴擋板式伺服閥則在噴嘴處設(shè)置一與壓電疊堆固定連接的擋板，由壓電疊堆的伸、縮實現(xiàn)擋板與噴嘴間的間隙增減，使閥芯兩端產(chǎn)生壓差推動閥芯移動。目前壓電式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的研制比較成熟并已得到較 的應(yīng)用。它具有頻率響應(yīng)快的特點，伺服閥頻寬甚至能達(dá)到上千赫茲，但亦有滯環(huán)大、易漂移等缺點，制約了壓電元件在電液伺服閥上的進(jìn)一步應(yīng)用。

2.2超磁致伸縮材料超磁致伸縮材料（GMM）與傳統(tǒng)的磁致伸縮材料相比，在磁場的作用下能產(chǎn)生大得多的長度或體積變化。利用GMM轉(zhuǎn)換器研制的直動型伺服閥是把GMM轉(zhuǎn)換器與閥芯相連，通過控制驅(qū)動線圈的電流，驅(qū)動GMM的伸縮，帶動閥芯產(chǎn)生位移從而控制伺服閥輸出流量。該閥與傳統(tǒng)伺服閥相比不僅有頻率響應(yīng)高的特點，而且具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。目前，在GMM的研制及應(yīng)用方面，美國、瑞典和日本等國處于領(lǐng)先水平。國內(nèi)浙江大學(xué)利用GMM技術(shù)對氣動噴嘴擋板閥和內(nèi)燃機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的高速強(qiáng)力電磁閥，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和特性研究。從目前情況來看GMM材料與壓電材料和傳統(tǒng)磁致伸縮材料相比，具有應(yīng)變大、能量密度高、響應(yīng)速度快、輸出力大等特點。世界各國對GMM電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器及相關(guān)的技術(shù)研究相當(dāng)重視，GMM技術(shù)水平快速發(fā)展，已由實驗室研制階段逐步進(jìn)入市場開發(fā)階段。今后還需解決GMM的熱變形、磁晶各向異性、材料腐蝕性及制造工藝、參數(shù)匹配等方面的問題，以利于在高科技領(lǐng)域得到 運用。

2.3形狀記憶合金形狀記憶合金（SMA）的特點是具有形狀記憶效應(yīng)。將其在高溫下定型后，冷卻到低溫狀態(tài)，對其施加外力。一般金屬在超過其彈性變形后會發(fā)生永久變形，而SMA卻在將其加熱到某一溫度之上后，會恢復(fù)其原來高溫下的形狀。利用其特性研制的伺服閥是在閥芯兩端加一組由形狀記憶合金繞制的SMA執(zhí)行器，通過加熱和冷卻的方法來驅(qū)動SMA執(zhí)行器，使閥芯兩端的形狀記憶合金伸長或收縮，驅(qū)動閥芯作用移動，同時加入位置反饋來提高伺服閥的控制性能。從該閥的情況來看，SMA雖變形量大，但其響應(yīng)速度較慢，且變形不連續(xù)，也限制了其應(yīng)用范圍。

與傳統(tǒng)伺服閥相比，采用 材料的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器研制的伺服閥，普遍具有高頻響、高精度、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。雖然目前還各自呈在某些關(guān)鍵技術(shù)需要解決，但 功能材料的應(yīng)用和發(fā)展，給電液伺服閥的技術(shù)發(fā)展發(fā)展提供了新的途徑。

目前電子化、數(shù)字化技術(shù)在電液伺服閥技術(shù)上的運用主要有兩種方式：其一，在電液伺服閥模擬控制元器件上加入D/A轉(zhuǎn)換裝置來實現(xiàn)其數(shù)字控制。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，可把控制元器件安裝在閥體內(nèi)部，通過計算機(jī)程序來控制閥的性能，實現(xiàn)數(shù)字化補(bǔ)償?shù)裙δ堋５嬖谀M電路容易產(chǎn)生零漂、溫漂，需加D/A轉(zhuǎn)換接口等問題。其二，為直動式數(shù)字控制閥。通過用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動閥芯，將輸入信號轉(zhuǎn)化成電機(jī)的步進(jìn)信號來控制伺服閥的流量輸出。該閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、速度及位置開環(huán)可控及可直接數(shù)字控制等優(yōu)點，被 使用。但在實時性控制要求較高的場合，如按常規(guī)的步進(jìn)方法，無法兼顧量化精度及響應(yīng)速度的要求。浙江工業(yè)大學(xué)采用了連續(xù)跟蹤控制的辦法，消除了兩者之間的矛盾，獲得了良好的動態(tài)特性。此外還有通過直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動閥芯來實現(xiàn)數(shù)字控制等多種控制方式或伺服閥結(jié)構(gòu)改變等方法來形成眾多的數(shù)字化伺服閥產(chǎn)品。

隨著各項技術(shù)水平的發(fā)展，通過采用 的傳感器和計算機(jī)技術(shù)研制出機(jī)械、電子、傳感器及計算機(jī)自我管理（故障診斷、故障排除）為一體的智能化 伺服閥。該類伺服閥可按照系統(tǒng)的需要來確定控制目標(biāo)：速度、位置、加速度、力或壓力。同一臺伺服閥可以根據(jù)控制要求設(shè)置成流量控制伺服閥、壓力控制伺服閥或流量/壓力復(fù)合控制伺服閥。并且伺服閥的控制參數(shù)，如流量增益、流量增益特性、零點等都可以根據(jù)控制性能最優(yōu)化原則進(jìn)行設(shè)置。伺服閥自身的診斷信息、關(guān)鍵控制參數(shù)（包括工作環(huán)境參數(shù)和伺服閥內(nèi)部參數(shù)）可以及時反饋給主控制器；可以遠(yuǎn)距離對伺服閥進(jìn)行監(jiān)控、診斷和遙控。在主機(jī)調(diào)試期間，可以通過總線端口下載或直接由上位機(jī)設(shè)置伺服閥的控制參數(shù)，使伺服閥與控制系統(tǒng)達(dá)到 匹配，優(yōu)化控制性能。而伺服閥控制參數(shù)的下載和更新，甚至在主機(jī)運轉(zhuǎn)時也能進(jìn)行。而在伺服閥與控制系統(tǒng)相匹配的技術(shù)應(yīng)用發(fā)展中，嵌入式技術(shù)對于伺服閥已經(jīng)成為現(xiàn)實。按照嵌入式系統(tǒng)應(yīng)定義為：“嵌入到對像體系中的專用計算機(jī)系統(tǒng)”。“嵌入性”、“專用性”與“計算機(jī)系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個基本要素。它是在傳統(tǒng)的伺服閥中嵌入專用的微處理芯片和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，針對客戶的具體應(yīng)用要求而構(gòu)建成具有最優(yōu)控制參數(shù)的伺服閥并由閥自身的控制系統(tǒng)完成相應(yīng)的控制任務(wù)（如各控制軸同步控制），再嵌入到整個的大控制系統(tǒng)中去。從目前的技術(shù)發(fā)展和控制系統(tǒng)對伺服閥的要求看，伺服閥的自診斷和自檢測功能應(yīng)該有更大的發(fā)展。