CN108533816A - 一种具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀，包括：电液伺服阀本体；加速度计，设置于电液伺服阀本体内部，用于检测电液伺服阀本体内主阀芯的轴向加速度，并将其转化为测量电流；电流放大器，设置于电液伺服阀本体内部并与加速度计连接，用于放大测量电流得到反馈电流，并将反馈电流叠加到电液伺服阀的控制线圈的控制电流上，实现对电液伺服阀本体的加速度零偏漂移的抑制。与现有技术相比，本发明具有可以有效实现加速度零偏漂移的抑制、简单易行、适用范围广以及实施成本较低等优点。

Description

一种具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀
技术领域
本发明涉及电液伺服阀技术领域，尤其是涉及一种具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀。
背景技术
电液伺服阀最早出现于第二次世界大战期间，由于其具有精度高、响应快、体积小、重量轻等特点，广泛用于航空航天领域。作为飞行器姿控系统的核心部件，电液伺服阀的可靠性直接决定飞行任务的成败，飞行器工作时电液伺服阀时常处于加速度环境中，如嫦娥系列登月探测器，在绕地、绕月及地-月转移轨道中，通过俯仰、偏转及滚动改变姿态飞行时，电液伺服阀的空间姿态随之改变，因此处在加速度环境下工作。当加速度方向与主阀芯轴向相同时，主阀芯会与阀体之间产生相对位移，导致电液伺服阀产生零偏漂移，伺服阀的性能会受到明显影响。为了提高在加速度环境下电液伺服阀的可靠性，保证其性能不受影响，从而保证飞行器任务的成功，抑制加速度环境下伺服阀的零偏漂移是具有重要意义的。
文献《三维离心环境下的电液伺服阀特性分析》(訚耀保等.机械工程学报,2015,51(02):169-177)研究了三维离心环境下喷嘴挡板伺服阀衔铁、挡板和主阀芯的特征位移，提出通过优化电液伺服阀的安装布局以减小或消除伺服阀的零偏漂移，该方法可以降低或消除伺服阀的加速度零偏漂移，但是容易受限于飞行器内部安装空间和飞行姿态的改变；
文献《导引头电液伺服阀离心零漂问题的理论分析与措施》(张学忠.制导与引信,1999(04):45-49)采用刚体动力学分析离心环境对电液伺服阀惯性零部件的作用，提出调整结构参数来降低伺服阀零漂值。这种方法可以降低伺服阀的零偏漂移，但只能适用于新型电液伺服阀，对于目前大部分存量的传统电液伺服阀，无法实现有效的零偏漂移的抑制；
专利CN101144493A提供了一种通过安装在液压缸上位移传感器、压力传感器计算伺服阀的零漂补偿量，然后控制伺服阀的开口度进行液压缸的位置闭环控制的方法。这种方法同样可以实现零偏漂移的抑制，但是在电液伺服阀上安装位移传感器和压力传感器，具有安装结构复杂、安装成本较高以及使用环境有限等缺陷；
专利CN104132015A，提供一种轧机液压伺服阀零漂补偿方法及装置所述方法，其方法主要通过由系统状态、控制信号等确定的积分使能信号与积分重置信号之间的关系控制积分伺服阀的信号输出，然后将限幅输出值叠加到伺服阀控制信号上来补偿伺服阀实际零点同伺服阀控制信号零点之间的误差。这种方法也可以有效的实现零偏漂移的抑制，但是计算复杂度高，对于硬件成本的要求也高，不适合实际生产应用。
综上所述，目前急需一种具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀，不仅可以用于指导新型具有加速度零偏漂移抑制功能的伺服阀的开发，还可以用于对现有的伺服阀进行改装；同时简单易行，节省成本而且能具有较高的实用性。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀，包括：
电液伺服阀本体；
加速度计，设置于电液伺服阀本体内部，用于检测电液伺服阀本体内主阀芯的轴向加速度，并将其转化为测量电流；
电流放大器，设置于电液伺服阀本体内部并与加速度计连接，用于放大测量电流得到反馈电流，并将反馈电流叠加到电液伺服阀的控制线圈的控制电流上，实现对电液伺服阀本体的加速度零偏漂移的抑制。
优选地，所述加速度计的检测位置位于电液伺服阀本体内主阀芯的质心和电液伺服阀本体内衔铁组件的质心的连线上。
优选地，所述反馈电流的正极与控制电流的负极连接，所述反馈电流的负极与控制电流的正极连接。
优选地，所述加速度的正负特性、测量电流的正负特性和反馈电流的正负特性均保持一致。
优选地，所述电流放大器的放大倍数可以调节。
优选地，所述加速度计和电流放大器均设置于电液伺服阀本体内上导磁体上表面和电液伺服阀本体内力矩马达盖的下表面之间。
优选地，所述电液伺服阀本体上还设有电流输入端口，所述电流输入端口分别与电液伺服阀本体内的控制线圈、加速度计和电流放大器连接。
优选地，所述电流输入端口包括8根引脚，4根引脚与电液伺服阀本体内线圈连接，2根引脚与加速度计连接，2根引脚与电流放大器连接。
优选地，所述电液伺服阀本体的结构参数、加速度计的放大倍数和电流放大器的放大倍数相互之间成比例关系，具体为：
其中，K5为电流放大器的放大倍数，K2为加速度计的放大倍数，K1和K4均为电液伺服阀本体的结构参数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出的具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀，只需在原有的电液伺服阀本体上加装加速度计和电流放大器即可实现，结构简单，无须对原有电液伺服阀结构进行重大改变，且对各类电液伺服阀均适用，包括喷嘴挡板式电液伺服阀、射流管式电液伺服阀、偏导板式电液伺服阀以及其它先导式电液伺服阀，因此适用范围广且制造成本低，同时也不会受限于飞行器飞行状态的改变；而且本发明提出的电液伺服阀，利用了零偏漂移的位移量与伺服阀主阀芯的轴向加速度和控制电流均相关的原理，将主阀芯的轴向加速度转化为相应的测量电流，来对电液伺服阀原有的控制电流进行修正，从而抵消产生的零偏漂移，整个计算方式简单，易于实现，且无需较高的硬件计算成本，因此实用性能强，适合普遍推广。
(2)加速度计的检测端设置于电液伺服阀本体内主阀芯的质心和电液伺服阀本体内衔铁组件的质心的连线上，这样可以保证加速度计所测的加速度和主阀芯所受的轴向加速度一致，从而提高零偏漂移的抑制精度，提升电液伺服阀的整体性能。
(3)反馈电流的正极与控制电流的负极连接，所述反馈电流的负极与控制电流的正极连接，这样的连接方式可以保证加速度的正负特性、测量电流的正负特性和反馈电流的正负特性均保持一致，从而保证零偏漂移得到抑制。
(4)电流放大器的放大倍数可以调节，这样在零偏漂移的抑制不够精确的情况下，可以通过调节电流放大器的放大倍数，来调整零偏漂移的抑制精度，从而提高整个电液伺服阀维护的方便性。
(5)加速度计和电流放大器均设置于电液伺服阀本体内上导磁体上表面和电液伺服阀本体内力矩马达盖的下表面之间，这种结构设置使得整个电液伺服阀的整体结构较为简单，降低安装成本。
(6)电液伺服阀本体上还设有电流输入端口，电流输入端口分别与电液伺服阀本体内控制线圈、加速度计和电流放大器连接，从而可以实现统一供电，供电方式简便的同时提升整个装置的集成化程度。
附图说明
图1为本发明中电液伺服阀的内部结构示意图；
图2为本发明中电液伺服阀本体与加速度计和电流放大器的立体结构示意图；
图3为电液伺服阀在离心环境下的空间布局图，其中(3a)为角速度与阀芯同面垂直时的布局图，(3b)为角速度与阀芯异面垂直时的布局图，(3c)为角速度与阀芯平行时的布局图；
图4为电液伺服阀采用单线圈接法时反馈电流和控制电流的接线方式；
图5为电液伺服阀采用双线圈串联接法时反馈电流和控制电流的接线方式；
图6为电液伺服阀采用双线圈并联接法时反馈电流和控制电流的接线方式；
图7为电液伺服阀采用双线圈差动接法时反馈电流和控制电流的接线方式；
图8为未实施抑制措施时，匀速圆周运动、主阀芯轴向与角速度矢同面垂直(主阀芯受到的轴向加速度恒定)下的主阀芯偏移量；
图9为实施抑制措施后，匀速圆周运动、主阀芯轴向与角速度矢同面垂直(主阀芯受到的轴向加速度恒定)下的主阀芯偏移量；
图10为未实施抑制措施时，匀加速圆周运动、主阀芯轴向与角速度矢同面垂直(主阀芯受到的轴向加速度不恒定)下的主阀芯偏移量；
图11为实施抑制措施后，匀加速圆周运动、主阀芯轴向与角速度矢同面垂直(主阀芯受到的轴向加速度不恒定)下的主阀芯偏移量；
图12为实施抑制措施后，匀加速圆周运动、阀芯轴向与角速度矢异面垂直(主阀芯受到的轴向加速度恒定)下的主阀芯偏移量；
其中，1为电液伺服阀本体，2为加速度计，3为电流放大器，4为上导磁体，5为永久磁铁，6为衔铁挡板组件，7为下导磁体，8为喷嘴，9为反馈杆，10为阀体，11为主阀芯，12为电流输入端口，13为力矩马达盖，14为控制线圈，15为力矩马达。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例中提供了一种具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀，包括电液伺服阀本体1、加速度计2、电流放大器3，本实施例中的电液伺服阀本体1采用的是喷嘴挡板式电液伺服阀，主要包括：上导磁体4、永久磁铁5、衔铁挡板组件6、下导磁体7、喷嘴8、反馈杆9、阀体10、主阀芯11、电流输入端口12、力矩马达盖13和控制线圈14。其中上导磁体4、永久磁铁5、衔铁挡板6、下导磁体7、电流输入端口12、矩马达盖13和控制线圈14构成了电液伺服阀本体1的力矩马达15。加速度计2和电流放大器3构成零偏漂移抑制设备。
加速度计2可以测量三维方向上的加速度，只将主阀芯11所受的轴向加速度以电流值通过电流放大器3适当放大后反馈到电液伺服阀本体1的电流输入端从而抑制电液伺服阀的零偏漂移，为保证加速度计2所测检测点加速度和主阀芯11所受的轴向加速度一致，加速度计2检测点的位置应处于主阀芯11质心与衔铁组件9质心的连线上。其中，加速度计2、电流放大器3和电液伺服阀本体1的工作电流是通过电液伺服阀本体1的电流输入端口12统一供电的。
如图2所示，本实施例中加速度计2和电流放大器3是安装在电液伺服阀本体1的力矩马达15上部，具体安装位置在上导磁体4的上方和力矩马达盖13下方的空隙处，并紧贴上导磁体4的表面。在面对不同的电液伺服阀时，电流放大器3可以根据实际情况选择最合适的安装位置，加速度计2的安装位置须符合上一段所述的要求。加速度计2和力矩马达15的XOZ面重合，电流输入端口12有8根引脚，其中四根引脚为电液伺服阀本体1中的两个控制线圈14供电，两根引脚为加速度计2提供工作电源，两根引脚为电流放大器3提供工作电源。
本实施例中电液伺服阀的零偏漂移抑制的原理如下：根据电液伺服阀的特性可知，只有当加速度方向与主阀芯轴向相同时，伺服阀的性能才会受到明显影响。并可以得到稳态时伺服阀主阀芯11和阀体10的相对位移xr与控制电流Δi、阀芯轴向的离心加速度av的统一关系如下：
其中，K1，K2，K3都是与伺服阀本身结构参数相关的物理量。
如图(3a)所示，在离心环境为匀速圆周运动，主阀芯轴向与角速度矢同面垂直时，阀芯轴向的离心加速度av为牵连加速度ae。在离心环境为匀加速圆周运动，主阀芯轴向与角速度矢同面垂直时，阀芯轴向的离心加速度av为法向牵连加速度ae n。
如图(3b)所示，在离心环境为匀加速圆周运动，主阀芯11轴向与角速度矢异面垂直时，阀芯轴向的离心加速度av为切向牵连加速度ae τ。
当加速度计2测量主阀芯11轴向的离心加速度av，其输出电流Δi'与av大小成正比，正负与av的符号相同，放大倍数为K4，而Δi’经过电流放大器3放大K5倍得到Δi”后反馈到伺服阀的控制电流Δi上，且不改变Δi’的正负性，Δi”＝K5Δi'＝K5K4Δi。此时主阀芯11和阀体10的相对位移xr的大小：
令伺服阀控制电流Δi为零时，主阀芯相对位移xr也为零，则
K2av-K1Δi”＝0
由以上关系可以得到电流放大器3的放大倍数K5和伺服阀结构参数以及加速度计2的放大倍数K4的关系为
在实际进行伺服阀零偏漂移的抑制操作时，当伺服阀的结构参数和加速度计的放大倍率不明确的情况下可以采用试凑法确定放大器的放大倍率，具体方法如下：
在离心环境为匀速圆周运动，主阀芯轴向与角速度矢同面垂直进行实验，先给定一个放大倍率，若发现主阀芯11和阀体10的相对位移xr大于0，说明放大器的放大倍率比标准值小，此时应当适当增大放大器的放大倍率，当发现主阀芯11和阀体10的相对位移xr小于0，说明放大器的放大倍率比标准值大，此时应当适当减小放大器的放大倍率，直到调整主阀芯11和阀体10的相对位移xr等于0，此时放大器的放大倍率则为标准值。
根据上述原理可知，在实际操作中，只需将反馈电流Δi”和控制电流Δi进行叠加，即可实现零偏漂移的抑制。然而由于对于不同的电液伺服阀本体来说，内部控制线圈的连接方式不同，因此控制线圈的引脚和电流放大器中反馈电流的输出端的连接方式也具有着相应的不同，规定当加速度计3输出的反馈电流Δi”为正时，电势高的一端为反馈电流正极，控制电流Δi为正时，电势高的一端为控制电流的正极，本实施例中，电液伺服阀本体1采用单线圈接法，此时控制电流和反馈电流的叠加关系如图4所示。电流接线端子的引脚A为控制电流Δi的正极，引脚B为控制电流Δi的负极。此时放大器反馈电流Δi”的正极与引脚B接在一起，放大器反馈电流Δi”的负极与引脚A接在一起。
如图8和图9所示，实施零偏漂移的抑制措施后，通过仿真发现，在离心环境为匀速圆周运动，主阀芯轴向与角速度矢同面垂直，离心加速度为阶跃信号时，此时主阀芯受到的轴向加速度恒定，在经过过渡状态后，主阀芯偏移量为零，即抑制措施消除了离心加速度导致的伺服阀开口量；如图10和图11所示，在离心环境为匀加速圆周运动，主阀芯轴向与角速度矢同面垂直，在角加速度同为30rad/s2时，此时主阀芯受到的轴向加速度不恒定，实施抑制措施后主阀芯开口量在1秒时约0.005μm，而未实施抑制措施的伺服阀主阀芯开口量在0.05秒时即达到约0.08μm。有效地降低了伺服阀的零偏漂移；如图9和图12所示，在离心环境为匀加速圆周运动，主阀芯轴向与角速度矢异面垂直时，此时主阀芯受到的轴向加速度恒定，主阀芯的偏移量与离心环境为匀速圆周运动，主阀芯轴向与角速度矢同面垂直时相同，即抑制措施消除了该种布置方案下离心加速度所引起的伺服阀开口量。
实施例2
本实施例中电液伺服阀的结构与实施例1中的结构基本相同，区别在于电液伺服阀本体1采用双线圈串联接法，此时控制电流和反馈电流的叠加关系如图5所示。电流接线端子的引脚A为控制电流Δi的正极，引脚D为控制电流Δi的负极，引脚B和引脚C短接。此时放大器反馈电流Δi”的正极与引脚D接在一起，放大器反馈电流Δi”的负极与引脚A接在一起。
实施例3
本实施例中电液伺服阀的结构与实施例1中的结构基本相同，区别在于电液伺服阀本体1采用双线圈并联接法，此时控制电流和反馈电流的叠加关系如图6所示。电流接线端子的引脚A为控制电流Δi的正极，引脚D为控制电流Δi的负极，引脚B和引脚D短接，引脚A和引脚C短接。此时放大器反馈电流Δi”的正极与引脚D接在一起，放大器反馈电流Δi”的负极与引脚A接在一起。
实施例4
本实施例中电液伺服阀的结构与实施例1中的结构基本相同，区别在于电液伺服阀本体1采用双线圈差动接法，此时控制电流和反馈电流的叠加关系如图7所示。电流接线端子的引脚A为控制电流Δi的正极，引脚D为控制电流Δi的负极，引脚B和引脚C短接后作为公共极，此时放大器反馈电流Δi”的正极与引脚D接在一起，放大器反馈电流Δi”的负极与引脚A接在一起。
本实施例阐明了以喷嘴挡板式电液伺服阀作为伺服阀本体为例的具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀，并分析了其对加速度零偏漂移的抑制效果。但本领域技术人员应很容易理解的是，本发明对于射流管式、偏导板式电液伺服阀以及其它种类先导式伺服阀同样也是适用的，因此，属于本发明所引申出的变动或者变化均应纳入本发明的权利要求范围。

Claims (9)

1.一种具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀，其特征在于，包括：
电液伺服阀本体；
加速度计，设置于电液伺服阀本体内部，用于检测电液伺服阀本体内主阀芯的轴向加速度，并将其转化为测量电流；
电流放大器，设置于电液伺服阀本体内部并与加速度计连接，用于放大测量电流得到反馈电流，并将反馈电流叠加到电液伺服阀的控制线圈的控制电流上，实现对电液伺服阀本体的加速度零偏漂移的抑制。
2.根据权利要求1所述的具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀，其特征在于，所述加速度计的检测位置位于电液伺服阀本体内主阀芯的质心和电液伺服阀本体内衔铁组件的质心的连线上。
3.根据权利要求1所述的具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀，其特征在于，所述反馈电流的正极与控制电流的负极连接，所述反馈电流的负极与控制电流的正极连接。
4.根据权利要求1所述的具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀，其特征在于，所述加速度的正负特性、测量电流的正负特性和反馈电流的正负特性均保持一致。
5.根据权利要求1所述的具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀，其特征在于，所述电流放大器的放大倍数可以调节。
6.根据权利要求1所述的具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀，其特征在于，所述加速度计和电流放大器均设置于电液伺服阀本体内上导磁体上表面和电液伺服阀本体内力矩马达盖的下表面之间。
7.根据权利要求1所述的具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀，其特征在于，所述电液伺服阀本体上还设有电流输入端口，所述电流输入端口分别与电液伺服阀本体内的控制线圈、加速度计和电流放大器连接。
8.根据权利要求7所述的具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀，其特征在于，所述电流输入端口包括8根引脚，4根引脚与电液伺服阀本体内线圈连接，2根引脚与加速度计连接，2根引脚与电流放大器连接。
9.根据权利要求1所述的具有加速度零偏漂移抑制功能的电液伺服阀，其特征在于，所述电液伺服阀本体的结构参数、加速度计的放大倍数和电流放大器的放大倍数相互之间成比例关系，具体为：
其中，K5为电流放大器的放大倍数，K2为加速度计的放大倍数，K1和K4均为电液伺服阀本体的结构参数。
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