CN110185664A - 一种面积梯度可变的先导级数字式电液伺服阀 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面积梯度可变的先导级数字式电液伺服阀，在电液伺服阀两侧的控制腔内分别安装一个高速开关阀形成先导级；数字式伺服控制器利用负反馈对两个高速开关阀进行控制；通过高速开关阀的控制使得阀芯两控制腔形成压力差，控制阀芯移动；电液伺服阀的阀套采用全周式节流开槽，阀套上每个节流口边沿设计成面积梯度连续可变的形状，使节流口面积梯度随着阀芯位移的增大而增大。可见，本发明先导级采用两个型号相同的高速开关阀，结合数字控制器实现阀芯位移控制，既具有良好的动态特性，又提高了伺服阀抗污染能力，进而降低了故障率；通过阀套的节流口边沿的设计能够提高零位分辨率和流量控制精度，同时又能实现较大额定流量。

Description

一种面积梯度可变的先导级数字式电液伺服阀
技术领域
本发明涉及流体传动与控制技术领域，具体是一种变节流口面积梯度的先导级数字式两级电液伺服阀。
背景技术
传统电液伺服阀阀套上采用全周式节流开槽，节流槽圆环半径一定，其节流口面积和阀芯位移呈线性关系，即节流口面积梯度是一定的，这也意味着伺服阀流量和阀芯位移呈线性关系，即流量增益是一定的。作伺服控制时，阀芯主要工作在零位附近，因此，零位分辨率将影响跟踪控制精度。当阀芯最大位移一定时，如果阀的额定流量大，则节流口面积梯度和流量增益大，零位分辨率低，在零位附近控制量微小的变化将引起较大的流量变化，严重影响控制精度；而较小的节流口面积梯度，阀的流量增益小，零位分辨率高，虽然可提高控制精度，但带来的问题是阀的额定流量小。因此，这种流量和阀芯位移呈线性关系的电液伺服阀存在着大流量和高零位分辨率之间的矛盾。
目前电液伺服阀实现变节流口面积梯度(流量和阀芯位移非线性关系)的方式为凸肩上采用非全周开口，即在阀芯凸肩上开异形节流槽，比如V形槽、U形槽等。目前还没有在阀套上通过开节流槽实现变流量增益的电液伺服阀，且理论上在同样尺寸规格(阀芯凸肩直径和最大阀芯位移相同)下，阀套上全周节流开槽的方式可以实现更大的额定流量。
此外，传统的两级电液伺服阀主要有喷嘴挡板式和射流管式两种。喷嘴挡板式伺服阀对油液清洁度要求高，抗污染能力差，喷嘴容易堵塞；而射流管式伺服阀虽然抗污染能力较好，但模型比较复杂，阀特性难以预测，主要靠实验确定，调试难度大，且射流管惯量较大，动态特性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种面积梯度可变的先导级数字式电液伺服阀，通过阀套节流口开槽形状的设计，使电液伺服阀的节流口面积梯度可变，提高了零位分辨率和流量控制精度，同时又能实现较大额定流量；而且先导级采用两个高速开关阀，结合数字控制器实现阀芯位移控制，既具有良好的动态特性，又提高了伺服阀抗污染能力，进而降低了故障率。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种面积梯度可变的先导级数字式电液伺服阀，在电液伺服阀两侧的控制腔内分别安装一个高速开关阀形成先导级，且两个高速开关阀的型号相同；数字式伺服控制器利用负反馈对两个高速开关阀进行控制；通过高速开关阀的控制使得阀芯两控制腔形成压力差，控制阀芯移动；
电液伺服阀的阀套采用全周式节流开槽，阀套上每个节流口边沿设计成面积梯度连续可变的形状，使节流口面积梯度随着阀芯位移的增大而增大。
优选地，在过阀芯轴线截面中，阀套上节流口边沿的形状为斜直线形、幂函数形、或指数形。
优选地，采用PWM脉宽调制方式控制两个高速开关阀，从而控制阀芯移动；设左右两腔高速开关阀的PWM信号占空比分别为λ1和λ2；当控制λ1>λ2时，阀芯向左运动；当控制λ1<λ2时，阀芯向右运动；当控制λ1＝λ2时，阀芯停止运动。
优选地，阀芯带有位移传感器，用于检测阀芯位移；位移传感器连接数字伺服控制器形成位置闭环控制。
优选地，数字式伺服控制器包括嵌入式CPU，以及与嵌入式CPU相连的A/D采集模块、和PWM模块；A/D采集模块连接位移传感器，PWM模块连接两个高速开关阀。
优选地，设电液伺服阀中左控制口和右控制口的直径为L1，两个供油口的直径为L2，两个负载节流口的直径为L3，回油口的直径为L4；
阀芯具有三个凸肩，从左到右为第一凸肩、第二凸肩和第三凸肩；第一凸肩和第三凸肩的宽度为L5，第二凸肩的宽度为L6，第一凸肩与第二凸肩之间的间距为L7，同样第二凸肩与第三凸肩之间的间距也为L7；
阀套左内壁距离第一凸肩的距离为L8，同样阀套右内壁距离第三凸肩的距离也为L8，回油口与第一供油口之间的间距为L9，同样回油口与第二供油口之间的间距也为L9，阀芯位移最大值为h；则上述设计参数相互关系设计为：
L6＝L4
L9＝L7
L8-L1≥h
L5-L2≥h
有益效果：
(1)本发明提出的电液伺服阀，通过对电液伺服阀结构优化，即对阀套上每个节流口开槽形状的设计，使电液伺服阀的节流口面积梯度可变，进而使其流量增益可变，使该电液伺服阀在零位附近具有较小的节流口面积梯度和流量增益，提高了零位分辨率，进而提高了电液伺服阀的跟踪控制的精度；同时，相较于传统的在阀芯凸肩上开异形槽的方法，在同样尺寸规格(凸肩直径和最大阀芯位移相同)下，可实现更大的额定流量。
(2)本发明采用两个高速开关阀，抗污染度高，模型不复杂，降低了调试难度。
(3)本发明提出的电液伺服阀，先导级为数字式，阀芯上带有位移传感器，通过嵌入式数字控制器采集主阀芯位移，采用PWM脉宽调制方式控制高速开关阀，实现阀芯位移的精确控制。既具有良好的动态特性，又提高了伺服阀抗污染能力，进而降低了故障率，这是传统喷嘴挡板式和射流管式伺服阀所不及的。
该方案适用于快速响应、精确跟踪的场合，可用于导弹发射车快速调平起竖、飞机机翼和尾翼控制、冶金钢板HAGC等多个系统中，本发明的电液伺服阀可实现阀控缸位置精准控制，且具有很高的抗油液污染能力。
附图说明
图1是本发明一种面积梯度可变的先导级数字式电液伺服阀结构原理图；
图2是本发明一种面积梯度可变的先导级数字式电液伺服阀滑阀部分结构图；
图3是本发明一种面积梯度可变的先导级数字式电液伺服阀滑阀部分尺寸图；
图4是本发明电液伺服阀先导级原理示意图；
图5是本发明电液伺服阀的控制腔压力和高速开关阀PWM信号占空比关系图；
图6是本发明电液伺服阀节流口斜直线形开槽过轴线截面示意图；
图7是本发明电液伺服阀节流口幂函数形或指数形开槽过轴线截面示意图；
图8是本发明电液伺服阀节流口开槽尺寸示意图；
图9是本发明电液伺服阀节流口面积与阀芯位移关系示意图；
图10是本发明电液伺服阀流量与阀芯位移关系示意图；
图11是本发明电液伺服阀阀芯工作状态1示意图；
图12是本发明电液伺服阀阀芯工作状态2示意图；
图13是本发明电液伺服阀阀芯工作状态3示意图；
1阀套，2固定节流口，3阀芯，4高速开关阀A，5高速开关阀B，6位移传感器，7伺服控制器，8A/D采集模块，9嵌入式CPU，10PWM模块，11左控制腔，12右控制腔，13第一供油口，14第二供油口，15第一负载节流口，16第二负载节流口，17回油口，18左控制口，19右控制口，20第一凸肩，21第二凸肩，22第三凸肩，23回油腔，24阀套截面节流开槽边沿。
具体实施方式
本发明提供了一种面积梯度可变的先导级数字式电液伺服阀，其改进点有几方面：
一是：先导级采用两个型号相同的高速开关阀，结合数字控制器实现阀芯位移控制，既具有良好的动态特性，又提高了伺服阀抗污染能力，进而降低了故障率；
二是：通过阀套节流口开槽形状的设计，使电液伺服阀的节流口面积梯度可变，提高了零位分辨率和流量控制精度，同时又能实现较大额定流量；
三是：先导级采用PWM脉宽调制方式控制高速开关阀，与连接在阀芯上的位移传感器组成反馈控制，实现阀芯位移的精确控制。
下面结合附图并举实施例，对本发明优选实施方式进行详细描述。该优选实施方式包含上述三点改进。在实际中，组成闭环控制的反馈物理量的选择，传感器的选择，控制方式的选择均可以采取其他方式。
本发明面积梯度可变的先导级数字式的两级电液伺服阀，如图1所示，包括阀套1、阀芯3、高速度开关阀A 4、高速开关阀B 5、位移传感器6和伺服控制器7。其中，伺服控制器7主要由A/D采集模块8、嵌入式CPU9和PWM模块10等组成。A/D采集模块连接位移传感器，PWM模块连接两个高速开关阀。
本发明的电液伺服阀为两级伺服阀，先导级为数字式，采用两个高速开关阀实现。如图所示，在电液伺服阀两侧的控制腔内分别安装高速开关阀A 4和高速开关阀B 5；数字式伺服控制器7利用负反馈对两个高速开关阀进行控制；通过高速开关阀的控制使得阀芯两控制腔形成压力差，控制阀芯2移动。
本优选实施例中，采用PWM脉宽调制方式控制两个高速开关阀(前述第三点)。其中，控制腔压力与高速开关阀PWM控制信号的占空比成负相关，通过控制两个高速开关阀的PWM信号占空比大小，即可调节左右控制腔压力大小。
具体控制方案为：假设先导级的两个高速开关阀均为常闭式。设两个高速开关阀最大开口面积为A1，控制高速开关阀A 4和控制高速开关阀B 5的PWM信号的占空比分别为λ1、λ2，左右控制腔的压力分别为P1、P2，回油腔压力为PT，供油压力为PS，油液密度为ρ，节流系数为Cd。
如图4，对于先导级左侧部分，压力为PS和流量为Q1的高压油首先通过面积为A0的固定节流口流入左控制腔，控制腔的油液一部分输出到阀芯左端，该流量为QL；一部分经过高速开关阀A 4流回回油腔，该回油流量为Q2。同理，对于先导级右侧部分，压力为PS和流量为Q3的高压油首先通过面积为A0的固定节流口流入右控制腔，控制腔的油液一部分输出到阀芯右端，该流量同样为QL；一部分经过高速开关阀B 5流回回油腔,该回油流量为Q4。则有如下关系，
QL＝Q1-Q2＝Q3-Q4
可得
则可以得到PWM信号占空比λ(λ1,λ2)和控制腔压力PC(P1,P2)之间的函数关系
通过求导，又PT<PC<PS
所以PT<PC<PS时，λ对于PC单调递减，通过绘制函数曲线如图5，上述结论得到验证。故而我们可以到，当PWM信号占空比λ增大时，控制腔压力PC减小；当PWM信号占空比λ减小时，控制腔压力PC增大。
通过控制高速开关阀A 4和高速开关阀B 5的PWM信号占空比λ1和λ2的大小，使阀芯左右两侧控制腔的压力大小发生变化，进而使阀芯两端形成压力差，控制阀芯移动。当λ1>λ2时，左控制腔压力P1小于右控制腔压力P2，阀芯向左运动；当λ1<λ2时，左控制腔压力P1大于右控制腔压力P2，阀芯向右运动；当λ1＝λ2时，左控制腔压力P1等于右控制腔压力P2，阀芯停止运动。
本发明另一重要特征(前述第二点)是阀套上节流口开槽形状的设计。具体来说，电液伺服阀采用全周开口，由于节流口两侧压差一定时，通过节流口的流量与节流口面积成正比，所以为保证阀的流量增益随着阀芯位移的增大而增大，节流口的面积梯度也应随着阀芯位移的增大而增大，阀套节流开槽圆环半径随阀芯位移增大而增大的节流口满足上述要求。为此，可以设计阀套节流开槽圆环半径随着阀芯位移的变化按线性、幂函数或指数关系变化。则在过阀芯轴线截面中，阀套上节流开槽边沿的形状可以是斜直线形、幂函数形、指数形，如图6表示阀套节流开槽圆环半径随阀芯位移按线性规律变化的滑阀过轴线截面图，图7表示阀套节流开槽圆环半径随阀芯位移的幂函数或指数函数规律变化的滑阀过轴线截面图。
如图8所示，设所述阀芯的凸肩的底面圆半径为r，阀芯最大位移为h，当阀芯位移为x(0<x≤h)时，所述电液伺服阀过轴线截面中，阀芯与阀套节流槽间最短距离为l(x)(表示l是阀芯位移x的函数)，设该最短距离线段与轴线夹角为θ(x)(表示θ是阀芯位移x的函数)，节流口通流面积为S，电液伺服阀流量为Q，节流口前后压差为△P，油液密度为ρ，节流系数为Cd；则有
(1)S＝πrl(x)+π[r+l(x)sinθ]l(x)＝2πrl(x)+l2(x)sinθ；
(2)
对于第(1)条关系，表示当阀芯位移为x时的电液伺服阀节流口通流面积S。所述电液伺服阀节流口开口形状为一圆台的侧面，则阀芯与阀套节流槽间最短距离为l(x)即为该圆台的母线长。该侧面积为两个底面圆周长之和的一半乘以母线长l(x)。如图9所示，该电液伺服阀节流口面积随着阀芯位移的变化呈非线性变化，其面积梯度随阀芯位移的增大而增大，零位分辨率较小。
对于第(2)条关系，表示当阀芯位移为x时的电液伺服阀的流量Q计算公式。如图10所示，该电液伺服阀流量随着阀芯位移的变化呈非线性变化，且流量增益随阀芯位移的增大而增大且在零位附近较小。
通过上述2条关系可见，本发明电液伺服阀可以实现零位附近较低节流口面积梯度和流量增益，即所述伺服阀在零位附近具有较高的分辨率，同时由于节流口面积梯度的不断增大，可实现较大的额定流量。
对于前述第三点重要特征，本发明电液伺服阀采用位移传感器检测阀芯位移，即通过电反馈的方式来实现阀芯位置闭环控制。阀芯一端安装有位移传感器，图1给出了一种位移传感器的安装方式。阀芯的一端安装有位移传感器6，阀芯和位移传感器的滑动杆相连，当阀芯在阀套内左右滑动时，滑动杆会随之一起运动，从而就能检测出阀芯在阀套内的位移。指令信号与反馈信号差值通过伺服控制器放大后，通过控制两个高速开关阀的PWM信号占空比大小，进而控制左右控制腔的压力大小。如果左右控制腔压力差值不为零，在压差作用下，阀芯将发生移动。位移传感器检测阀芯位移，当位移传感器的反馈电压与指令电压相等时，阀芯到达指定位置，通过控制左右控制口压力相等，使阀芯停止移动。
下面本文给出了一种基于本发明思想的伺服阀结构具体设计方案。滑阀部分结构图如图2所示。在阀套上设计有第一供油口13、第二供油口14、第一负载节流口15、第二负载节流口16、回油口17。外部液压油通过供油口向电液伺服阀提供能源，液压油通过回油口流回油箱，两个负载节流口用于和执行机构(如液压缸或液压马达等)相连，以控制执行机构的运动。阀芯上顺序设计有三个凸肩，分别为第一凸肩20、第二凸肩21、第三凸肩22，当阀芯在阀套内移动时，三个凸肩分别和两个负载节流口15、16、供油口13、14和回油口17形成一定的遮挡关系。不同的阀芯位置会形成不同的遮挡关系，从而使两个负载节流口、两个供油口和回油口形成不同的连通关系。
本发明电液伺服阀的滑阀部分的结构尺寸标记如图3所示。设左控制口18和右控制口19的直径为L1，第一供油口13和第二供油口14的直径为L2，第一负载节流口15和第二负载节流口16的直径为L3，回油口17的直径为L4，第一凸肩20和第三凸肩22的宽度为L5，第二凸肩21的宽度为L6，第一凸肩20与第二凸肩21之间的间距为L7，同样第二凸肩21与第三凸肩22之间的间距也为L7，阀套左内壁距离第一凸肩20的距离为L8，同样阀套右内壁距离第三凸肩22的距离也为L8，回油口17与第一供油口13之间的间距为L9，同样回油口17与第二供油口14之间的间距也为L9，阀芯位移最大值为h；L1～L10的关系如下
(1)L6＝L4；
(2)L9＝L7；
(3)L8-L1≥h；
(4)L5-L2≥h；
(5)
对于第(1)条关系，其原理是：
第二凸肩21的宽度L6等于回油口17的直径L4。这样能够保证零位时，回油口17和两负载节流口15、16刚好闭合。
对于第(2)条关系，其原理是：
回油口17与第一回供油口13之间的间距L9等于第一凸肩20与第二凸肩21之间的间距L7，同样回油口17与第二供油口14之间的间距L9等于第二凸肩21与第三凸肩22之间的间距L7。这样能够保证零位时，第一供油口13和第一负载节流口15刚好闭合，第二供油口14和第二负载节流口16刚好闭合。
对于第(3)条关系，其原理是：
阀芯处于零位时，第一凸肩20和阀套左侧内壁的间距L8与左控制口18的直径L1之差不小于阀芯最大位移h。同样的，第三凸肩22和阀套右侧内壁的间距L8与右控制口19的直径L1之差不小于阀芯最大位移h。这样能够保证阀芯左、右移动到最大位移h时，第一凸肩20、第三凸肩22不会遮挡左、右控制油口18、19。
对于第(4)条关系，其原理是：
第一凸肩20的宽度L5与第一供油口13的直径L2之差不小于阀芯最大位移h。同样的，第三凸肩22的宽度L5与第二供油口14的直径L2之差不小于阀芯最大位移h。这样，能够保证当阀芯右移到最大位移值h时，第一供油口13不会和左控制口18连通；当阀芯左移到最大位移值h时，第二供油口14不会和右控制口19连通。
对于第(5)条关系，其原理是：
第一负载节流口15与第一凸肩20的间距不小于阀芯的最大位移h，同样的，第一负载节流口16与第二凸肩21的间距不小于阀芯的最大位移h，第二负载节流口16与第二凸肩21的间距不小于阀芯的最大位移h，第二负载节流口16与第三凸肩22的间距不小于阀芯的最大位移h。这样能够保证，阀芯左移或者右移到最大位移时，三个凸肩20、21、22不会和两个负载节流口15、16发生遮挡。
下面对所述电液伺服阀三种工作状态进行分析：
以两个高速开关阀为常闭型为例，即低电平时阀口关闭。
(1)状态1
位移传感器指令信号与反馈信号差值为正时，控制两个高速开关阀PWM信号占空比的关系为λ1>λ2，左控制腔11压力小于右控制腔12压力，在压差作用下，阀芯向左运动。当阀芯到达指定位置时，位移传感器的反馈电压与指令电压相等，压差信号为零，控制两个高速开关阀PWM信号占空比的关系为λ1＝λ2，左控制腔11压力等于右控制腔12压力，阀芯停止移动。
如图11所示，此时，第一负载节流口A 14与第一供油口Ps1 13连通，第二负载节流口B 16与回油口T 17连通。
(2)状态2
位移传感器指令信号与反馈信号差值为负时，控制两个高速开关阀PWM信号占空比的关系为λ1<λ2，左控制腔11压力大于右控制腔12压力，在压差作用下，阀芯向右运动。当阀芯到达指定位置时，位移传感器的反馈电压与指令电压相等，压差信号为零，控制两个高速开关阀PWM信号占空比的关系为λ1＝λ2，左控制腔11压力等于右控制腔12压力，阀芯停止移动。
如图12所示，此时，第一负载节流口A 15与回油口T 17连通，第二负载节流口B 16与第二供油口Ps2 14连通。
(3)状态3
位移传感器指令信号为零，同时指令信号与反馈信号差值为零时，两个高速开关阀控制信号置低电平，则两个高速开关阀关闭，左控制腔(10)压力等于右控制腔(11)压力，阀芯不动保持零位。
如图13所示，此时，两个负载节流口15、16与两个供油口13、14不连通、两个负载节流口15、16与回油口17不连通。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面积梯度可变的先导级数字式电液伺服阀，其特征在于，在电液伺服阀两侧的控制腔内分别安装一个高速开关阀(4,5)形成先导级，且两个高速开关阀的型号相同；数字式伺服控制器(7)利用负反馈对两个高速开关阀进行控制；通过高速开关阀的控制使得阀芯两控制腔形成压力差，控制阀芯(2)移动；
电液伺服阀的阀套(1)采用全周式节流开槽，阀套(1)上每个节流口边沿设计成面积梯度连续可变的形状，使节流口面积梯度随着阀芯位移的增大而增大。
2.如权利要求1所述的先导级数字式电液伺服阀，其特征在于，在过阀芯轴线截面中，阀套上节流口边沿的形状为斜直线形、幂函数形、或指数形。
3.如权利要求1所述的先导级数字式电液伺服阀，其特征在于，采用PWM脉宽调制方式控制两个高速开关阀，从而控制阀芯移动；设左右两腔高速开关阀的PWM信号占空比分别为λ1和λ2；当控制λ1>λ2时，阀芯向左运动；当控制λ1<λ2时，阀芯向右运动；当控制λ1＝λ2时，阀芯停止运动。
4.如权利要求1所述的先导级数字式电液伺服阀，其特征在于，阀芯带有位移传感器(6)，用于检测阀芯位移；位移传感器连接数字伺服控制器形成位置闭环控制。
5.如权利要求4所述的先导级数字式电液伺服阀，其特征在于，数字式伺服控制器(7)包括嵌入式CPU(9)，以及与嵌入式CPU(9)相连的A/D采集模块(8)、和PWM模块(10)；A/D采集模块(8)连接位移传感器(6)，PWM模块(10)连接两个高速开关阀(4,5)。
6.如权利要求1所述的先导级数字式电液伺服阀，其特征在于，设电液伺服阀中左控制口(18)和右控制口(19)的直径为L1，两个供油口(13,14)的直径为L2，两个负载节流口(15,16)的直径为L3，回油口(17)的直径为L4；
阀芯具有三个凸肩，从左到右为第一凸肩(20)、第二凸肩(21)和第三凸肩(22)；第一凸肩(20)和第三凸肩(22)的宽度为L5，第二凸肩(21)的宽度为L6，第一凸肩(20)与第二凸肩(21)之间的间距为L7，同样第二凸肩(21)与第三凸肩(22)之间的间距也为L7；
阀套左内壁距离第一凸肩(20)的距离为L8，同样阀套右内壁距离第三凸肩(22)的距离也为L8，回油口(17)与第一供油口(13)之间的间距为L9，同样回油口(17)与第二供油口(14)之间的间距也为L9，阀芯位移最大值为h；则上述设计参数相互关系设计为：
L6＝L4
L9＝L7
L8-L1≥h
L5-L2≥h
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