CN1030099C - 多功能步进式电液随动伺服阀 - Google Patents

Abstract

一类多功能步进式电液随动伺服阀，由步进电机、位-电变换器、方向流量控制阀、断电制动器等组成。应用本发明的电液随动系统按(电-机随动)+(机-液随动)的模式工作，具有稳定性和随动性能好、断电后不发生失控、备用控制投入简便无扰动等优点。本发明适用于电液位置伺服系统，特别在水轮机电液调速器等长期连续工作的重量设备中应用，对于提高设备的工作可靠性和技术指标、简化其整体结构等具有显著作用。

Description

本发明涉及电液随动系统中一类数字控制元件-多功能步进式电液随动伺服阀。

电液随动系统中应用的现有数字控制元件，多采用由步进电机驱动方向流量控制阀（采用转阀或滑阀）而组成的数字式电液伺服阀。如中国发明专利“一种数字式伺服转阀”（专利号86107688.5）和中国实用新型专利“一种简易型数字式伺服阀”（专利号86208732.5），均采用了由一只受指令信号脉冲控制的主电机和一只受系统反馈信号脉冲控制的反馈电机协调驱动方向流量控制阀的形式，实现对液压系统的控制作用。这种数字式伺服阀在某些条件下使用尚有不足之处：a）主电机及反馈电机均按开环控制方式工作，如不附加另外的反馈环节或其它校正环节，难以保证电液随动系统的随动性能;b）液压执行机构的反馈，要借助反馈电机的作用来实现，当控制系统断电时这种反馈作用中断，将使液压系统失控;c）仅有一只由指令信号脉冲控制的主电机，不能直接实现备用控制作用。

本发明的目的是：提供一类在不附加另外环节的情况下，能保证电液随动系统的随动性能、断电后能确保液压系统不发生失控故障、可以直接实现备用控制作用的多功能步进式电液随动伺服阀（所说的电液随动系统，是指输入为电气指令信号X、输出为液压放大执行机构机械位移Y的电液位置伺服系统）。

本发明分两种形式：多功能步进式电液随动伺服转阀和多功能步进式电液随动伺服阀（其中的方向流量控制阀可用转阀也可用滑阀）。

多功能步进式电液随动伺服转阀由步进电机、位-电变换器和转阀组成，其中转阀由阀芯、转动阀套和阀体组成，阀芯由步进电机直接驱动或减速驱动，其特征在于：

位-电变换器与阀芯连接，把阀芯的角位移变为电信号，位-电变换器可采用角位移变换 器;

转动阀套上有接受由转阀控制的液压放大执行机构的机械反馈信号的构件或构造，它可以是与转动阀套同心的环形反馈钢丝绳槽和恢复钢丝绳槽，也可以是齿轮、齿条付;

步进电机与转阀之间设置有断电后把阀芯及步进电机锁定的断电制动器。

多功能步进式电液随动控制阀由步进电机、位-电变换器和方向流量控制阀组成，其特征在于：

在步进电机与方向流量控制阀之间设置有指令、反馈信号合成机构，它的输出端与方向流量控制阀的阀芯直接（或间接）连接，它的两个输入端一个作为指令信号输入端，由步进电机直接（或间接）驱动，另一个作为反馈信号输入端，其上有接受由方向流量控制阀控制的液压放大执行机构的机械反馈信号的构件，该构件可以是外圆柱面上有与其转轴同心的环形反馈钢丝绳槽和恢复钢丝绳槽的钢丝轮，也可以是齿轮、齿条付;指令、反馈信号合成机构可以采用消间隙行星周转轮系差动机构，也可以采用消间隙锥轮周转轮系差动机构;

位-电变换器与指令、反馈信号合成机构的指令信号输入端连接，把指令信号输入端的角位移变为电信号，位-电变换器可以采用角位移变换器;

在步进电机与指令、反馈信号合成机构之间设置指令信号合成机构，它的输出端与指令、反馈信号合成机构的指令信号输入端连接，它的两个输入端一个由步进电机驱动，另一个由备用电相直接驱动或减速驱动;指令信号合成机构可以采用消间隙行星周转轮系差动机构，也可以采用消间隙锥轮周转轮系差动机构;

设置断电后把步进电机锁定的断电制动器。

与已有技术相比，多功能步进式电液随动伺服转阀设置有位-电变换器和转动阀套有接受由转阀控制的液压放大执行机构的机械反馈信号的构件或构造，应用本发明可构成按（电-机随动闭环控制）+（机-液随动闭环控制）模式工作的电液随动系统，系统的稳定性好，电-机随动和机-液随动均匀闭环控制，在不附加其他任何环节的情况下能保证随动系统的随动性能;机-液随动系统完全由机械、液压机构实现闭环控制，当系统断电后，由断电制动器把阀芯锁定，从而保证液压系统不发生失控故障。该多功能步进式电液随动伺服转阀的结构特别简单。

与已有技术相比，多功能步进式电液随动伺服阀具有位-电变换器和接受由方向流量控制阀控制的液压放大执行机构的机械反馈信号的构件，应用本发明可构成按（电-机随动闭环控制）+（机-液随动闭环控制）模式工作的电液随动系统，系统的稳定性好，电-机随动和机-液随动均为闭环控制，在不附加其他任何环节的情况下能保证随动系统的随动性能;机-液随动系统完全由机械、液压机构实现闭环控制，当系统断电后，由断电制动器把步进电机锁定，从而保证液压系统不发生失控故障;由于设置了备用电机和指令信号合成机构，可以直接实现备用控制作用，主控步进电机工作时，备用电机不起作用，防止了错误操作备用电机时造成不良影响，主控步进电机退出工作时，备用作用随之投入，并且无任何扰动。

图1是多功能步进式电液随动伺服转阀及其应用系统框图;

图2是图1中转阀的结构示意图;

图3是多功能步进式电液随动伺服阀实施方案一及其应用系统框图;

图4是图3中指令、反馈信号合成机构的示意图;

图5是图3中方向流量控制阀的结构示意图;

图6是多功能步进式电液随动伺服阀实施方案二及其应用系统框图;

图7是图6中指令信号合成机构的示意图。

图1和图2描述了多功能步进式电液随动伺服转阀及其应用系统的一个实施例。它由步进电机（2）、位-电变换器（3）、转阀（4）和断电制动器（6）组成（即图1中虚线框内的部分）;其中转阀（4）由阀芯（7）、转动阀套（8）和阀体（9）组成。

本实施例的特征是：a）设置有与阀芯（7）连接的位-电变换器（3）。它把由步进电机（2）直接驱动或减速驱动的阀芯（7）的角位移变为电信号，以负反馈的方式反馈给控制步进电机（2）的步进电机驱动电路（1），借以构成电-机[输入步进电机驱动电路（1）的“电”气指令信号X-阀芯（7）的“机”械角位移]随动的控制闭 环。b）转动阀套（8）的外圆柱面上有用以接受机械驱动的与其同轴心的环形反馈钢丝绳槽（16）和恢复钢丝绳槽（18）。反馈钢丝绳（19）的一端固定在转动阀套（8）上并在反馈钢丝绳槽（16）内缠绕，另一端由受转阀（4）输出的液压信号控制的液压放大执行机构（5）的输出部件拉动;恢复钢丝绳（17）的一端固定在转动阀套（8）上并在恢复钢丝绳槽（18）内缠绕，另一端悬挂有重锤（26）;恢复钢丝绳（17）与反馈钢丝绳（19）的绕向相反。重锤（26）把恢复钢丝绳（17）及反馈钢丝绳（19）拉紧，使转动阀套（8）在阀体（9）内的角位移与液压放大执行机构（5）输出的机械位移相对应，以实现负反馈。通过阀芯（7）和转动阀套（8）对转阀（4）输出液压信号的联合控制作用，实现机-液[阀芯（7）的“机”械角位移-“液”压放大执行机构（5）输出的机械位移]随动的闭环控制。c）设置有断电后把阀芯（7）锁定于断电瞬间所处状态的断电制动器（6）。以保证即使在系统断电后，机-液随动控制闭环不发生失控故障。

本实施例中的方向流量控制阀采用三通转阀中的一种，其阀芯（7）作为指令构件，由步进电机（2）直接驱动或减速驱动;其转动阀套（8）作为反馈构件，由反馈钢丝绳（19）和恢复钢丝绳（17）驱动。与本实施例密切相关的结构还有：与回油相通的回油口（11）、回油槽（10）、转动阀套（8）上的弧形条孔（24）、阀芯（7）上带轴向延伸段的环形回油腔（23）;与压力油相通的压力油口（15）、压力油槽（14）、转动阀套（8）上的压力油孔（21）、阀芯（7）上带轴向延伸段的压力油腔（20）;与液压放大执行机构（5）相通的控制油口（13）、控制油槽（12）、转动阀套（8）上的控制阀口（22）;阀体（9）内的凸肩把回油槽（10）、控制油槽（12）和压力油槽（14）相互隔开;阀芯（7）上的凸肩把回油腔（23）与压力油腔（20）隔开，并与控制阀口（22）形成正遮盖;由阀芯（7）与转动阀套（8）的相对角位移控制转阀（4）输出的液压信号。

当系统处于静止平衡状态时，控制阀口（22）被阀芯（7）的中段凸肩完全遮盖，阀口开度为零。当步进电机（2）在步进电机驱动电路（1）的作用下工作时，使阀芯（7）转动，由于液压放大执行机构（5）的动作具有滞后，使转动阀套（8）的转动滞后，于是阀口由零逐渐开大，转阀（4）输出油压信号，使液压放大执行机构（5）动作，产生位移输出Y，该位移输出同时通过反馈钢丝绳（19）驱动转动阀套（8）依阀芯（7）同向转动，步进电机（2）在动作结束后处于通电停止的锁定状态，把阀芯（7）锁住不动，转动阀套（8）在液压放大执行机构（5）的机械负反馈的作用下使阀口逐渐关小，直至阀口开度为零时达到新的静止平衡状态。从而实现机-液随动闭环控制的作用，即液压放大执行机构（5）随阀芯（7）的动作而动作，随阀芯（7）的停止而停止。

装在阀芯（7）上、可在转动阀套（8）上的弧形条孔（24）内摆动的销钉（25），用以限制阀体和阀套间的相对角位移，且只允许阀套（8）在阀体（9）内转动，无轴向滑动。

当系统断电后，阀芯（7）被断电制动器（6）锁定于断电瞬间所处的位置不动，液压放大执行机构（5）因而处于相对应的状态而不发生失控故障。

由于电-机随动闭环控制的作用，使阀芯（7）的角位移始终与输入给系统中步进电机驱动电路（1）的电气指令信号X相对应，即使在系统刚通电、步进电机偶然失步等情况出现过后，也会迅速恢复这种对应关系。从根本上保证了电-液随动系统的随动性能和工作可靠性。

图3-图5描述了多功能步进式电液随动伺服阀及其应用系统的第一个实施例。它用指令、反馈信号合成机构（27）和方向流量控制阀（28）代替多功能步进式电液随动伺服转阀中的转阀（4）。指令、反馈信号合成机构（27）采用行星周转轮系差动机构，方向流量控制阀（28）采用阀套（36）固定于阀体（9）内的三通转阀。

采用行星周转轮系差动机构作指令、反馈信号合成机构（27），其中心齿轮（34）的轴（29）上套有可转动的圆柱形钢丝绳轮（30），钢丝绳轮（30）的外圆柱面上有与其转轴同轴心的环形反馈钢丝绳槽（16）和恢复钢丝绳槽（18），钢丝绳轮（30）的右端面上固定有套装着行星齿轮（33）的周转轴（31）。轴（29）作为指令信号输入端，由步进电机（2）直接驱动或减速驱动，并与位- 电变换器（3）连接。钢丝绳轮（30）作为反馈信号输入端，由分别在反馈钢丝绳槽（16）和恢复钢丝绳槽（18）内按相反方向缠绕并将一端固定在钢丝绳轮（30）上的反馈钢丝绳（19）和恢复钢丝绳（17）驱动;反馈钢丝绳（19）的另一端由受方向流量控制阀（28）输出的液压信号控制的液压放大执行机构（5）的输出部件拉动;恢复钢丝绳（17）的另一端悬挂有重锤（26），把恢复钢丝绳（17）及反馈钢丝绳（19）拉紧，使钢丝绳轮（30）的角位移与液压放大执行机构（5）输出的机械位移相对应。液压放大执行机构（5）输出的机械位移信号，以负反馈形式，送至钢丝绳轮。内齿轮（32）的轴（35）作为指令、反馈信号合成机构（27）的输出端，与方向流量控制阀（28）的阀芯（7）连接。通过轴（29）和钢丝绳轮（30）对轴（35）的联合控制作用，实现由步进电机（2）送来的指令信号与由反馈钢丝绳（19）送来的液压放大执行机构（5）的反馈信号的合成，再通过由轴（35）驱动的阀芯（7）对方向流量控制阀（28）输出液压信号的控制作用，去控制液压放大执行机构（5），以构成机-液随动的控制闭环。

与轴（29）连接的位-电变换器（3），把由步进电机（2）驱动的轴（29）的角位移变为电信号，以负反馈的形式送给控制步进电机（2）的步进电机驱动电路（1），以构成电-机随动的控制闭环。

设置有断电后把轴（29）锁定于断电瞬间所处状态的断电制动器（6）。以保证即使在系统断电后，机-液随动控制闭环不发生失控故障。

本实施例与多功能步进式电液随动伺服转阀的工作过程基本相同。下面仅简述本实施例中机-液随动闭环的控制过程。

当轴（29）由步进电机（2）驱动产生角位移时，通过轴（35）使阀芯（7）转动，方向流量控制阀（28）输出液压信号，使液压放大执行机构（5）动作，产生位移输出，同时经反馈钢丝绳（19）驱动钢丝绳轮（30）转动，通过轴（35）使阀芯（7）向中间平衡位置恢复，达到静态平衡时液压放大执行机构（5）输出的机械位移与轴（29）的角位移相对应，实现机-液随动的闭环控制。

图6和图7描述了多功能步进式电液随动伺服阀及其应用系统的第二个实施例。它是在多功能步进式电液随动伺服阀第一个实施例的基础上增设指令信号合成机构（37）及由控制电路（39）控制的备用电机（38）而构成的。指令信号合成机构（37）采用行星周转轮系差动机构，设置在步进电机（2）与指令、反馈信号合成机构（27）之间;其中心齿轮（47）的轴（39）上套有可转动的、与轴（40）上的齿轮（41）相啮合的齿轮（48），在齿轮（48）的右端面上同轴心地装有行星周转轮系的内齿轮（42），套有行星轮（44）的周转轴（43）装在转臂（45）上，转臂（45）安装在与轴（39）同轴心线的输出轴（46）上。轴（39）作为主控指令信号输入端，由步进电机（2）驱动;轴（40）作为备用控制指令信号输入端，由备用电机（38）直接驱动或减速驱动;轴（46）作为指令信号合成机构输出端，驱动指令、反馈信号合成机构（27）的轴（29）。

由于位-电变换器（3）反映着指令信号合成机构（37）的输出角位移，所以步进电机（2）工作时由步进电机驱动电路（1）、步进电机（2）、指令信号合成机构（37）和位-电变换器（3）构成的电-机随动控制闭环将自动抵消备用电机（38）的作用，使备用电机（38）的动作不反映到指令信号合成机构（37）的输出端;而当步进电机驱动电路（1）断电时，步进电机（2）被断电制动器（6）锁定，备用电机（38）的动作即可传递到指令信号合成机构（37）的输出端。即本发明的备用控制作用是在作为主控电机的步进电机（2）停止工作时随之投入的，并且备用作用投入时对系统无任何扰动。备用电机可以采用任何类型的电动机。

位-电变换器采用普通的角位移变换器或数字式角位移传感器。

为了保证电液随动系统的控制精度，本发明中的所有传动和减速机构，均采取消间隙措施，如指令、反馈信号合成机构（27）及指令信号合成机构（37）均采用消间隙行星周转轮系差动机构等;同时应适当增加与液压放大执行机构（5）全行程相对应的步进电机（2）的步数。

当方向流量控制阀（28）采用滑阀时，需要在指令、反馈信号合成机构（27）与方向流量控 制阀（28）之间设置转动-直线运动变换机构，将指令、反馈信号合成机构（27）输出的回转运动变为驱动滑阀阀芯的往复直线运动，或采用输出为直线运动的指令、反馈信号合成机构，如丝杠、螺母付形式的机构。

本发明中的方向流量控制阀可以设计成四通或五通阀的形式，并应按常规考虑密封和导引泄漏油的措施。阀体内的回油槽、压力油槽和控制油槽也可开在阀套的外圆柱面上。

产生恢复力的重锤，也可用弹簧或小油缸等代替。

Claims (6)

1、一种多功能步进式电液随动伺服转阀，由步进电机[2]、角位移变换器[3]和转阀[4]组成，转阀[4]由阀芯[7]、转动阀套[8]和阀体[9]组成，阀芯[7]由步进电机[2]直接驱动或间接驱动，其特征是：角位移变换器[3]与阀芯[7]连接，把阀芯[7]的角位移变为电信号；设置有断电后把阀芯[7]锁定的断电制动器[6]；转动阀套[8]上有接受由转阀[4]控制的液压放大执行机构机械反馈信号的环形反馈钢丝绳槽[16]和恢复钢丝绳槽[18]；反馈钢丝绳槽[16]及恢复钢丝绳槽[18]设置于转动阀套[8]的外圆柱面上并与其同轴心。

2、一种多功能步进式电液随动伺服阀，由步进电机[2]、角位移变换器[3]、方向流量控制阀[28]组成，其特征是：步进电机[2]与方向流量控制阀[28]之间设置有指令、反馈信号合成机构[27]，指令、反馈信号合成机构[27]的输出端与方向流量控制阀[28]的阀芯[7]直接连接或间接连接;指令、反馈信号合成机构[27]的两个输入端一个作为指令信号输入端，由步进电机[2]直接驱动或间接驱动，另一个作为反馈信号输入端，其上有接受由方向流量控制阀[28]控制的液压放大执行机构机械反馈信号的钢丝绳轮[30]，钢丝绳轮[30]的外圆柱面上有与其同轴心的环形反馈钢丝绳槽[16]及恢复钢丝绳槽[18];角位移变换器[3]与指令、反馈信号合成机构[27]的指令信号输入端连接，将其角位移变为电信号;设置有断电后把步进电机[2]锁定的断电制动器[6]。

3、按权利要求2所述的多功能步进式电液随动伺服阀，其特征是：在步进电机[2]与指令、反馈信号合成机构[27]之间设置指令信号合成机构[37]，指令信号合成机构[37]的输出端与指令、反馈信号合成机构[27]的指令信号输入端连接，指令信号合成机构[37]的两输入端一个由步进电机[2]驱动，另一个由备用电机[38]直接驱动或减速驱动。

4、按权利要求3所述的多功能步进式电液随动伺服阀，其特征是：指令信号合成机构[37]采用消间隙周转轮系差动机构。

5、按权利要求2或3之一所述的多功能步进式电液随动伺服阀，其特征是：指令、反馈信号合成机构[27]采用消间隙行星周转轮系差动机构，它的中心齿轮[34]的轴[29]上套有钢丝绳轮[30]，套装行星齿轮[33]的周转轴[31]固定在钢丝绳轮[30]的一个端面上。

6、按权利要求2或3之一所述的多功能步进式电液随动伺服阀，其特征是：指令、反馈信号合成机构[27]采用消间隙锥轮周转轮系差动机构。