直接驅動式電液伺服閥研究現狀綜述

焉臺郎

（中國直升機設計研究所，天津 300308）

電液伺服閥（EHV）在電液伺服控制系統中發揮著重要的作用，在工程機械中有廣泛應用。20世紀60年代我國多家單位研制噴嘴擋板式電液伺服閥，形成噴嘴擋板式電液伺服閥和噴流式電液伺服閥2款主流的伺服閥。20世紀90年代初，直接驅動式電液伺服閥（DDV）進入市場，相比噴嘴擋板式電液伺服閥的結構相對復雜、制造困難，比如噴嘴擋板式電液伺服閥的力反饋桿和彈簧管加工難度大，且抗污能力較差等，直接驅動式電液伺服閥具有抗污染能力強、動態指標高、結構簡單的優點，同時便于樣機仿真以及故障注入，實現各種復雜情況的模擬，使其在各行業得到廣泛應用。

1 直接驅動式電液伺服閥（DDV）的工作原理與分類

多數直接驅動式電液伺服閥的結構包括直線力電機、閥芯閥套、位移傳感器以及配合使用的集成控制電路，如圖1所示。主要工作原理是直線力電機收到集成電路信號控制，驅動閥芯正反方向運動。閥芯一端與電機相連，另一端裝有位移傳感器用來監測位移，傳感器將位移轉換為電信號并反饋控制電路，與輸入指令信號運算，構成閥芯的位置閉環控制。

圖1 直接驅動式電液伺服閥典型結構

圖2 伺服閥原理圖

電液伺服閥按照液壓放大等級分為單級、二級、三級伺服閥，按照輸入信號形式可分為連續控制式和脈寬調制式（PWM），按照其輸出量作為伺服控制對象的不同，可分為壓力伺服、流量伺服以及壓力流量伺服。目前，市面主要使用的電液伺服閥為噴嘴擋板式電液壓力伺服閥和噴流式電液壓力伺服閥，噴嘴擋板式和噴流式屬于液壓放大器的前置放大級，直接驅動式電液壓力伺服閥（DDV）的直線力電機和滑閥之間沒有噴嘴擋板等液壓放大器，是由電機直接驅動滑閥閥芯工作，所以屬于單級電液伺服閥。

2 直接驅動式電液伺服閥研究現狀

2.1 結構改進

除了直線力電機驅動滑閥外，許多學者對結構進行改進，將旋轉運動通過偏心機構轉換為直線運動驅動滑閥。原佳陽等人通過偏心驅動機構將力矩電機旋轉運動轉化為閥芯的直線運動，進而改變進回油窗口節流面積比，輸出相應負載壓力。錢占松電機轉軸末端的偏心機構將電機的旋轉運動轉化為閥芯的直線運動，伺服閥輸出的壓力通過壓力傳感器反饋至電子控制器對伺服閥形成壓力閉環控制，實現對伺服閥壓力輸出大小的控制，如圖2所示。

此外，利用閥芯轉動代替平動，通過旋轉閥芯調節開口大小的結構，此類形式又稱為旋轉式直接驅動電液伺服閥（Rotary Direct Drive Valve，RDDV）。肖俊東等人利用直流力矩電機通過彈性聯軸器在一定角度內轉動，轉閥閥芯與閥套上對應開通多個與軸向有一定傾角的斜槽，閥芯相對閥套轉動，使閥芯和閥套上的斜槽相互貫通或互相封閉，從而控制伺服閥前后的流量和壓力，新型電磁伺服閥性能對比國內外幾種電液伺服閥在滯環、線性度、重復精度、響應時間上表現優越，組成原理圖如圖3所示。盧菊仙等人閥套上開有4個沿圓周均布、開口形狀相同的異形閥口，在轉動閥芯中調整與閥套的開口大小以調整出油量開口大小，結構如圖4。

圖3 新型直接驅動電液伺服閥的組成原理

圖4 有限角度旋轉式電液伺服閥

2.2 反饋控制

直接驅動式電液伺服閥主要有負載壓力、流量反饋調節、位置反饋調節，以及電流反饋調節、速度反饋調節。張宇等人設計了位置環加電流環的雙閉環控制系統，其中，位置環采用比例積分控制加相位超前校正，電流環采用比例積分控制。在DSP和FPGA的聯合試驗平臺上驗證了此方法可以有效提升系統的動態特性和穩定性。姜繼海等人通過壓力傳感器反饋負載壓力值，采用小閉環和動態壓力負反饋比例積分控制，實現輸入的指令信號與輸出的負載壓力成線性比例關系，如圖5所示。

圖5 DDPV信號傳遞框圖

2.3 電機驅動

在DDV結構中，電機的控制與驅動是至關重要的一環，具體控制形式與電機和控制器的選擇有關。通常電機線圈的工作電流較大，為了減少功率損耗，常采用脈寬調制電路。在RDDV驅動結構中反饋調節控制的焦點在旋轉電機上，參考電機的控制方法大多采用位置環＋速度環或位置環＋電流環的雙閉環控制策略。鄧新陽采用位置環＋電流環的雙閉環控制系統，電流環采用PI控制，位置環采用模糊控制相結合的PID控制，最后通過系統仿真驗證了該控制方法的快速性、準確性及負載適應性。肖俊東等人采用模擬電路實現的雙PI-PWM控制器來控制直接驅動閥。精密電位計將電機角位移信號反饋到運放與給定的轉角電壓進行比較。盧菊仙等人電機選擇角位移傳感器的有限角度無刷直流伺服電動機。電動機控制系統由帶限幅環節的轉速和電流PI調節器組成，控制電機轉速按照設定轉速運行。針對直接驅動飛行控制系統，Lin等人針對采用DDV的飛行控制系統，提出了一種具有非線性脈寬調制控制的高帶寬伺服放大器。在原H橋放大器控制回路中，由于非線性飽和效應，適當的反饋補償不能提高系統帶寬。該電路的設計功能通過延長放大器的線性工作范圍來提高放大器的轉換速率。實驗結果表明，該系統的帶寬可從150hz增加到500hz。

3 直接驅動式電液伺服閥在航空中的應用

飛控系統從傳統液壓機械操縱逐漸向電傳、光傳發展，在電傳飛控操縱（FBW）系統采用的余度作動器，使用直接驅動式電液伺服閥方案有明顯的優越性。目前，國外應用DDV作動器的機種有：F-22、JAS-39、IDF（Indigenous Defensive Fighter）、EFA-2000、BK-117等。其中多數采用DDV方案的作動器用于驅動固定翼的機翼舵面。例如，在F-22平尾作動器采用電氣三余度液壓二余度的直接驅動閥式伺服作動器。還有美國“幽靈”轟炸機采用伺服作動器、法國的“陣風”戰機也采用了SAMM公司的直接驅動閥等。劉勁松等人對飛機剎車系統進行了研究，筆者采用某型飛機數字電傳防滑剎車系統對2種伺服閥做了對比聯試，選取了滯環、分辨率、靜耗流量和抗污染能力作為對比指標，試驗顯示采用直接驅動閥的系統表現優越，超過原噴嘴擋板式電液伺服閥系統試驗結果。

4 結語

直接驅動式電磁伺服閥是電液伺服閥中的熱點和前沿方向，在工程中有著突出的表現，本文明確了直接驅動式電磁伺服閥屬于單級電液伺服閥，本文總結了結構改進、反饋控制和電機驅動的3個研究方向并介紹了部分研究成果，直接驅動式電磁伺服閥在多種機型上有廣泛應用，闡述了目前國內外在用機型的應用和成果，為今后的直接驅動式電磁伺服閥的研究提供了參考和借鑒。