旋轉(zhuǎn)直驅(qū)伺服閥用有限轉(zhuǎn)角電機的設計與研究

胡小飛，王 毅，蘇靜靜，宋滿存，關瑞明

(1.北京精密機電控制設備研究所，北京 100076； 2.航天伺服驅(qū)動與傳動技術實驗室，北京100076)

0 引 言

電液伺服閥是一種機電液一體化高精密部件，主要通過閥的動作來轉(zhuǎn)變電、液信號，并控制液壓機構。由于先導閥的性能及結構，傳統(tǒng)的電液伺服閥的動態(tài)性能以及抗污染能力受到了很大限制[1-2]。直接驅(qū)動伺服閥采用驅(qū)動元件直接驅(qū)動功率閥閥心，具有高可靠、強抗污、高精度和快響應等特點，相較于普通電液伺服閥性能更優(yōu)異，在液壓系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用[3]。

新材料和新結構的研究應用為直接驅(qū)動伺服閥提供了發(fā)展。壓電陶瓷、形狀記憶合金、超磁致伸縮等新材料直接驅(qū)動伺服閥[4-5]，以及力矩電動機、旋轉(zhuǎn)比例電磁鐵、步進電動機、伺服電動機等新結構直接驅(qū)動伺服閥[6-8]，得到了廣泛研究。其中，伺服電動機直接驅(qū)動伺服閥因其具備高可靠性和高精度、快響應、大功率密度等諸多高性能，發(fā)展迅速。文獻[9]對大流量2D伺服閥電-機械轉(zhuǎn)換器-三相感應式同步電動機進行分析，研究表明該2D伺服閥具有良好的動態(tài)特性。文獻[10]設計了一種采用步進電動機驅(qū)動的數(shù)字閥，實現(xiàn)了2D數(shù)字閥精確控制閥心的徑向運動，并使閥心在初始狀態(tài)下軸向和徑向保持在規(guī)定的零位位置。文獻[11]針對電液伺服閥中力矩電動機磁體的磁阻反應進行分析，提高了伺服閥的線性控制精度和靈敏度。文獻[12]提出了一種采用高頻音圈電動機的直驅(qū)伺服閥，系統(tǒng)的動態(tài)響應帶寬可達450 Hz，高于現(xiàn)有的音圈電動機直驅(qū)閥。文獻[13]對一種數(shù)字伺服閥驅(qū)動機構進行了分析，該數(shù)字伺服閥主要由絲杠和永磁同步伺服電動機組成，性能能夠滿足某數(shù)字伺服閥的使用要求。

本文研制了一種用于旋轉(zhuǎn)式直接驅(qū)動伺服閥前置級驅(qū)動的有限轉(zhuǎn)角電機，進行了磁路模型分析，并根據(jù)仿真和實驗結果對有限轉(zhuǎn)角電機的工作特性進行了討論。

1 有限轉(zhuǎn)角電機結構與工作原理

本文研制的有限轉(zhuǎn)角力矩電機是旋轉(zhuǎn)直驅(qū)伺服閥(以下簡稱RDDV)中直驅(qū)閥心的驅(qū)動裝置，其結構示意圖如圖1所示。工作時，根據(jù)閥開口開度指令，控制器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，電機的角位移通過偏心軸耦合裝置轉(zhuǎn)化為閥心的直線運動，集成于電機中的位置傳感器將電機的旋轉(zhuǎn)位置反饋給控制器，對閥口開度進行控制，實現(xiàn)對伺服閥流量和方向的控制。

圖1 RDDV結構示意圖

在RDDV工作時，從閉口到最大開口閥心只需旋轉(zhuǎn)一定角度而無需整周旋轉(zhuǎn)，若采用傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機，為了保證整周旋轉(zhuǎn)，勢必犧牲輸出力矩來達到所需行程[14-16]。因此，針對此特定需求，設計符合應用指標的有限轉(zhuǎn)角電機，其優(yōu)點為轉(zhuǎn)矩密度大、控制精確、可靠性高。

根據(jù)RDDV工作要求，設計特殊的有限轉(zhuǎn)角電機。根據(jù)閥工作行程和工作環(huán)境，制定參數(shù)指標：轉(zhuǎn)角范圍≥±10°，工作溫度-55 ℃～+125 ℃；根據(jù)電機和閥體安裝需求，制定結構指標：外徑不大于30 mm，軸向長度不大于50 mm；根據(jù)閥的工作狀態(tài)和控制要求，制定性能指標：額定電流不大于1 A，額定轉(zhuǎn)矩不小于0.05 N·m，轉(zhuǎn)矩波動不大于5%；有限轉(zhuǎn)角電機技術指標要求如表1所示。

表1 RDDV有限轉(zhuǎn)角電機設計指標要求

根據(jù)RDDV技術指標要求，研制了有槽集中繞組的4極8槽單相永磁無刷有限轉(zhuǎn)角電機，如圖2所示。電機主要由殼體、端蓋組件、鐵心、線圈、鋼套、轉(zhuǎn)軸、磁軛、永磁體、偏心軸和角位移傳感器等組成。線圈按照如圖2(b)所示方向纏繞在鐵心上。轉(zhuǎn)軸、磁軛和4塊永磁體構成轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)軸上的偏心軸將電機的角位移耦合為閥心的直線運動。鋼套和密封圈組成電機的密封結構，在液壓油進入電機內(nèi)部冷卻電機轉(zhuǎn)子、潤滑軸承的同時，線圈不受液壓油的影響。角位移傳感器選用線性霍爾傳感器，安裝在端蓋組件上，提供位置信號反饋給控制器。

圖2 有限轉(zhuǎn)角電機結構示意圖

該有限轉(zhuǎn)角電機和常規(guī)永磁直流電機的基本原理相同，利用轉(zhuǎn)子永磁體磁極勵磁，定子繞組通正、負直流電產(chǎn)生的磁場與永磁體磁極產(chǎn)生的磁場相互作用形成電磁轉(zhuǎn)矩。它不用電刷換向，也不用電子器件換向，僅在圖2(b)所示以電氣零位為中心的點劃線范圍內(nèi)擺動，快速運轉(zhuǎn)定位至準確位置。

2 有限轉(zhuǎn)角電機數(shù)學建模與仿真

2.1 等效磁路分析

使用等效磁路法進行有限轉(zhuǎn)角電機數(shù)學建模，得到有限轉(zhuǎn)角電機工作特性的解釋模型，用于分析各結構參數(shù)對電機性能的影響[17]。

假設等效磁路中的軟磁材料沒有飽和，此時，軟磁材料的磁阻與氣隙磁阻和永磁體磁阻相比可以忽略，并忽略漏磁和邊界效應。假設氣隙均勻，永磁體磁化方向長度相同。基于上述簡化假設，圖3為該有限轉(zhuǎn)角電機的等效磁路。其中，磁極磁動勢Fm，磁極等效磁阻Rm，氣隙等效磁阻Rg分別如下：

圖3 有限轉(zhuǎn)角電機等效磁路圖

(1)

(2)

(3)

式中：g為等效氣隙長度；hm為等效永磁體磁化方向長度；Hc為永磁體矯頑力；Ag為等效氣隙截面積；Am為等效永磁體截面積；μ0為真空磁導率；μr為永磁體相對磁導率。

氣隙磁通φg：

(4)

氣隙磁密Bg：

(5)

對于理想電機來說，基于上述假設，氣隙磁密在主磁極覆蓋區(qū)域下保持一定。而實際情況下，由于磁鋼加工和裝配條件的限制，氣隙磁密在有效范圍內(nèi)無法做到絕對常值，在計算中引入計算極弧系數(shù)β，表示所形成的磁密平均值與最大值之比。則氣隙磁密Bg：

(6)

對于單極磁極，若有效匝數(shù)為N1，則每極產(chǎn)生的輸出力：

Fe=BgILN1

(7)

由于該電機為對稱結構，4極永磁體產(chǎn)生的力矩大小完全相同，則電機的力矩大小：

Te=pBgILN1r

(8)

式中：p為電機極數(shù)；N1為每極覆蓋的有效導體匝數(shù)；r為產(chǎn)生力的導體所處位置的平均半徑。

由式(8)可知，電機轉(zhuǎn)子在圖2(b)的點劃線范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，繞組通過相同方向的正或負向電流，在這個范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁極切割最多的有效匝數(shù)N1，電磁轉(zhuǎn)矩最大。如果轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)超過了圖中的點劃線范圍，因有限轉(zhuǎn)角電機不會給繞組電流換向，故某些繞組的電流是反方向的，轉(zhuǎn)子磁極切割的有效匝數(shù)N1減少，電磁轉(zhuǎn)矩也下降。因此，該有限轉(zhuǎn)角電機僅能在有限的角度內(nèi)運行，保證電磁轉(zhuǎn)矩的恒定。

2.2 有限轉(zhuǎn)角電機有限元仿真

相較于等效磁路法，有限元法能對有限轉(zhuǎn)角電機的工作性能進行更好的計算分析。有限元法可以考慮不均勻氣隙、漏磁、磁化曲線等非線性因素的影響。

利用有限元軟件Maxwell建立有限轉(zhuǎn)角電機二維有限元模型。其中磁鋼為耐高溫釤鈷磁鋼。電機有限元模型如圖4所示。

圖4 電機有限元模型

給模型繞組施加額定直流電流1 A激勵，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子位置角之間的關系曲線如圖5所示。可知，在±10°轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，有限轉(zhuǎn)角電機額定轉(zhuǎn)矩大于57 mN·m，轉(zhuǎn)矩波動為4.3%。

圖5 電機轉(zhuǎn)矩曲線(額定電流1 A)

給模型繞組施加不同的直流電流激勵，電機轉(zhuǎn)子處于電氣零位時的轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖6所示。可知，電機轉(zhuǎn)矩與電流的線性度較好。

圖6 電機轉(zhuǎn)矩特性曲線(處于零位)

2.3 霍爾傳感器感應磁場有限元分析

本文研制的有限轉(zhuǎn)角電機采用線性霍爾傳感器檢測±10°工作轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子位置。該線性霍爾傳感器將磁感應強度作為輸入量，其輸出為電壓值與輸入的磁感應強度成正比。霍爾傳感器的輸出電壓與磁感應強度的關系如圖7所示。由圖1可知，霍爾傳感器檢測的感應磁場由處于霍爾傳感器正下方的兩塊永磁體提供。當電機轉(zhuǎn)子處于電氣零位時，霍爾傳感器輸入的磁感應強度為零(B=0)，其輸出的電壓值為0.5倍的電源電壓值；當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)永磁體S極在霍爾傳感器感應出負的磁感應強度時，傳感器輸出低于零點電壓值；當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)永磁體N極在霍爾傳感器感應出正的磁感應強度時，霍爾傳感器將輸出高于零點電壓值。

圖7 霍爾傳感器輸出電壓與磁感應強度的關系曲線

由圖7可知，在電機±10°工作轉(zhuǎn)角范圍，霍爾傳感器檢測的磁感應強度應在-0.08～0.08 T以內(nèi)才能保證霍爾傳感器工作在線性區(qū)域。且轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度應與霍爾檢測的磁感應強度成線性關系才能保證轉(zhuǎn)子位置與霍爾傳感器輸出電壓成線性關系。因此，為了保證永磁體產(chǎn)生的磁感應強度與轉(zhuǎn)子角度成線性關系，本文在不改變轉(zhuǎn)子外徑的情況下，將永磁體寬度bp和永磁體外徑R(即偏心度)進行改進，提高其線性度，如圖8所示。并通過調(diào)整如圖1所示的霍爾安裝位置來保證永磁體產(chǎn)生的感應磁場強度在霍爾傳感器需要的磁感應強度范圍內(nèi)。

圖8 永磁體橫截面示意圖

利用有限元軟件Maxwell建立感應磁場有限元模型如圖9所示。通過仿真分析可得電機轉(zhuǎn)子角度與磁感應強度的關系，如圖10所示。可知，在電機±10°工作轉(zhuǎn)角范圍，滿足霍爾傳感器工作在線性區(qū)域的使用要求，且電機轉(zhuǎn)子角度與磁感應強度的線性度較好。

圖9 磁場有限元分析模型

圖10 電機轉(zhuǎn)子角度與磁感應強度關系曲線

3 有限轉(zhuǎn)角電機性能實驗

3.1 霍爾傳感器位置校準

霍爾傳感器位置校準用于檢測有限轉(zhuǎn)角電機的轉(zhuǎn)子角度與霍爾傳感器輸出電壓的關系，其實驗裝置如圖11所示。給霍爾激勵端通入5 V(DC)直流電壓，霍爾公共端接地，霍爾反饋信號端接示波器或萬用表，旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子分別旋轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)子角度機械限位處(電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子機械限位角為±15°位置處)，觀測這兩個位置處霍爾反饋信號輸出的電壓值。實驗測試值如表2所示。

圖11 霍爾傳感器位置測試

表2 霍爾傳感器檢測實驗值

由實驗測試結果可知，1°位置角度對應的霍爾傳感器輸出電壓值為0.118 V。從而可以得到任意位置處對應的霍爾輸出電壓信號。電機工作轉(zhuǎn)角為±10°時，對應霍爾傳感器輸出電壓為1.32 V～3.68 V。

3.2 有限轉(zhuǎn)角電機力矩測試實驗

有限轉(zhuǎn)角電機實驗的測試裝置如圖12所示。實驗時，將有限轉(zhuǎn)角電機用固定卡具固定，在電機軸上安裝輸出軸工裝，將不同質(zhì)量的砝碼掛在輸出軸工裝上用于模擬電機實際負載，進行測量電機的扭矩測試，由位置傳感器測定電機的旋轉(zhuǎn)角度。

圖12 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩測量裝置

實驗時，將一定質(zhì)量的砝碼掛在輸出軸工裝上模擬實際負載力矩，電機控制驅(qū)動器驅(qū)動電機至驅(qū)動控制器給定的角度位置，并維持穩(wěn)定，測量此時的電機電流。可通過調(diào)整驅(qū)動器給定的角度位置、加載在電機上的砝碼質(zhì)量，對電機在不同電流和轉(zhuǎn)子角度位置下的輸出轉(zhuǎn)矩進行測試。測得的0°和±10°時，施加額定電流1 A的電機轉(zhuǎn)矩，如表3所示。實驗測得的轉(zhuǎn)矩波動為6.85%，比仿真值4.3%稍大。實驗測得轉(zhuǎn)矩波動較大的原因是：有限轉(zhuǎn)角電機的零位有偏差，實際生產(chǎn)的電機調(diào)零后的零位位置與仿真時的零位有偏差；霍爾傳感器位置校準時也會帶來一定的位置偏差；仿真值比較理想，與實際存在一定偏差。

表3 實驗與仿真轉(zhuǎn)矩波動

4 結 語

本文介紹了一種新型有限轉(zhuǎn)角電機，可用作旋轉(zhuǎn)式直接驅(qū)動伺服閥前置級驅(qū)動。電機的角位移傳感器通過偏心軸耦合裝置轉(zhuǎn)化為閥心的直線運動，霍爾傳感器將電機的旋轉(zhuǎn)位置反饋給控制器，對閥開口開度進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)伺服閥流量和方向的控制。

理論分析和實驗結果表明，電機滿足寬轉(zhuǎn)角(±10°)范圍內(nèi)恒定的高轉(zhuǎn)矩(大于57 mN·m)輸出要求，電機力矩特性具有良好的線性度，且霍爾傳感器檢測的感應磁場強度與電機轉(zhuǎn)子角度線性度好，位置精度高。

鋼套和密封圈組成電機的密封結構，在液壓油進入電機內(nèi)部冷卻電機轉(zhuǎn)子、潤滑軸承的同時，使線圈不受液壓油的影響，電機結構緊湊可靠性高。