直接驅(qū)動式電液伺服閥研究進展

涂福泉，石 理，李圣偉，陳 超，魏斯佳，蘇子豪，韋俊偉

（武漢科技大學(xué) 機械自動化學(xué)院，冶金裝備及其控制省部共建教育部重點實驗室，武漢 430081）

0 引言

電液伺服閥作為電液控制系統(tǒng)的核心元件，可通過小功率的電信號控制大功率的液壓能輸出，基本組成為力矩馬達和液壓放大器。1931 年日本Tokushichi Mishima 開發(fā)出AlNiCo，其溫度穩(wěn)定性良好，適于制造力矩電機，力矩電機直接驅(qū)動功率閥芯的直接驅(qū)動式電液伺服閥（DDV）由此發(fā)展出來。但AlNiCo 的功率密度低，因此制成的力矩電機驅(qū)動能力有限，DDV 閥應(yīng)用受限。1950 年，MOOG 公司設(shè)計出噴嘴擋板式兩級電液伺服閥，以功率密度高的噴嘴擋板結(jié)構(gòu)作為液壓放大級，響應(yīng)速度快、控制精度高，應(yīng)用廣泛，而此時DDV 閥的發(fā)展相對遲滯。但噴嘴擋板閥中有微小流道，對油液污染較敏感。不適應(yīng)油液污染嚴重的場合。1957 年R Atchley 開發(fā)出射流管原理的兩級射流管電液伺服閥。但其前置液壓放大級結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、內(nèi)泄漏量大，一直限制著電液伺服控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。1967 年美國Strnat制出稀土材料SmCo5永磁體，SmCo5在力矩馬達上的應(yīng)用使其功率密度及抗退磁能力大幅提高，人們開始研制高性能的直驅(qū)閥。MOOG 公司的D633、D634；Parker 公司的DFplus；ATOS 公司的DLHZO 等系列閥既具有靜耗流量低、制造難度低等優(yōu)點，而且控制精度和響應(yīng)頻率逐漸達到甚至超過噴嘴擋板閥［1］。直驅(qū)閥開始廣泛用于冶金、船舶和航空航天的伺服控制系統(tǒng)。

直驅(qū)閥主要由力矩馬達、驅(qū)動接口和滑閥等3 部分構(gòu)成。按力矩馬達的驅(qū)動形式分為直線直驅(qū)式和旋轉(zhuǎn)直驅(qū)式。直線直驅(qū)式閥結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示，核心是直線力馬達，由一對永磁鋼，左、右導(dǎo)磁體，中間導(dǎo)磁體，銜鐵，控制線圈和彈簧片組成。閥芯與力馬達通過推桿連接，當(dāng)有電信號輸入時，直線力馬達直接推動功率閥芯運動。

圖1 直線直驅(qū)閥結(jié)構(gòu)原理［1］Fig.1 Schematic structural diagram of linear direct drive valve

旋轉(zhuǎn)直驅(qū)閥結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示，該閥包含電子控制器、有限轉(zhuǎn)角力矩馬達、偏心驅(qū)動機構(gòu)、功率滑閥副及傳感器等部分。采用力矩馬達驅(qū)動，由偏心機構(gòu)將馬達的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為水平運動。

圖2 旋轉(zhuǎn)直驅(qū)閥結(jié)構(gòu)原理［1］Fig.2 Schematic structural diagram of rotary direct drive valve

直線直驅(qū)式閥結(jié)構(gòu)簡單，且傳遞力的過程較平穩(wěn)。但是該閥電-機械轉(zhuǎn)換裝置的功率密度小，力矩馬達尺寸大，不利于集成化設(shè)計。為減小尺寸，使直驅(qū)閥可集成于小空間系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)直驅(qū)式閥改進了馬達形式，采用高功率密度的力矩馬達；結(jié)構(gòu)布置改為馬達轉(zhuǎn)動和滑閥平動方向垂直，更為緊湊且對外界振動不敏感?？梢?，高性能直驅(qū)閥優(yōu)于噴嘴閥和射流閥，其中旋轉(zhuǎn)直驅(qū)閥性能以其抗污染能力強、適應(yīng)能力強、結(jié)構(gòu)簡單、內(nèi)泄漏少等優(yōu)勢，是電液伺服閥的重要發(fā)展方向，有廣闊的應(yīng)用前景。但目前國內(nèi)關(guān)于旋轉(zhuǎn)直驅(qū)式電液伺服閥的資料有限，此閥的研制開發(fā)工作有待深入，故針對此類閥的理論分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇及設(shè)計制造等方面均存在技術(shù)難題，制約了其在各領(lǐng)域的推廣。因此，對直驅(qū)閥的深入研究，創(chuàng)新改進有著重要意義。筆者查閱大量資料，以期較詳盡地解析與總結(jié)直驅(qū)閥的研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，為該類閥的后續(xù)發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)和參考。

1 直接驅(qū)動式電液伺服閥研究現(xiàn)狀分析

1.1 國內(nèi)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動式電液伺服閥的機理及特性研究

流量特性、壓力增益特性和頻率響應(yīng)特性是伺服閥性能的重要指標(biāo)。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)直驅(qū)閥性能的研究中，常以壓力增益特性和流量特性為起點，再創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，得出影響閥性能的關(guān)鍵因素。

姚建庚等［2］較早注意到直驅(qū)閥的發(fā)展前景并進行研究，于1996 年成功試制出直驅(qū)閥樣機，該閥沒有比例閥固有的死區(qū)，適于閉環(huán)系統(tǒng)；動態(tài)響應(yīng)好，在多數(shù)工況下可代替噴嘴閥；靜態(tài)準確度高，抗污染能力強。

姜繼海等［3］關(guān)注力矩馬達的磁滯非線性對DDV 閥的影響如圖3 所示。通過對DDV 閥進行理論分析和實驗研究得出磁滯非線性造成的影響，并找到消除影響的方法。

圖3 直驅(qū)閥的磁滯特性Fig.3 Hysteresis characteristics of direct drive electro-hydraulic servo valve

錢占松等［4］以旋轉(zhuǎn)直驅(qū)壓力閥（RDDPV）為對象，建立了較完整的動態(tài)理論模型。并基于此模型搭建閥的仿真模塊，研究控制器中各參數(shù)對閥性能的影響，經(jīng)多次調(diào)試以設(shè)置最優(yōu)值。該研究在信號輸入單元處加入了校正反饋單元，既滿足信號轉(zhuǎn)換，又滿足動靜態(tài)特性。值得推廣借鑒，為其他閥的控制電路模塊設(shè)計及后續(xù)旋轉(zhuǎn)直驅(qū)閥的深入研究提供了很好的理論借鑒。

原佳陽等［5］以RDDPV 為對象，從閥的壓力振蕩問題出發(fā)，通過建立閥的數(shù)學(xué)模型，得到閥的結(jié)構(gòu)及控制參數(shù)對閥穩(wěn)定性的影響和穩(wěn)定性判據(jù)。并通過分析數(shù)值模擬和實驗測試的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了提高馬達轉(zhuǎn)角電反饋系數(shù)可增加伺服閥電反饋剛度，使穩(wěn)定性提高；而這也表明內(nèi)位置對閥的穩(wěn)定工作有重要作用。

陸亮等［6］從閥芯運功的卡滯著手研究。通過測試得出閥芯不規(guī)則運動的原因，再基于縫隙流理論和Coulomb 摩擦理論分別建立閥芯傾斜徑向力模型和閥肩觸壁靜摩擦-滑動摩擦模型，完整復(fù)現(xiàn)了卡滯機理，并分析得出防卡滯的參數(shù)優(yōu)化配置。為此后閥的防卡滯結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計及優(yōu)化提供了理論依據(jù)，具有重要推廣意義。

MOOG 公司推出了最新型號D936 系列的直驅(qū)閥如圖4 所示，該閥有硬化的滑閥和襯套以提高精度和耐磨性，且滑閥與襯套的間隙做了優(yōu)化設(shè)計，使內(nèi)泄漏和污染減少。其性能參數(shù)見表1。

圖4 D936 系列直驅(qū)閥Fig.4 The D936 series direct-drive valve

表1 D936 系列規(guī)格參數(shù)Tab.1 Specification parameters of D936 series

Bosch Rexroth 公司的KKDS 系列直動式伺服閥，該閥為插裝閥，線圈可拆卸，還有手動控制模塊，且設(shè)置有壓力補償和放大功能，性能優(yōu)越，其參數(shù)見表2。

表2 KKDS 系列規(guī)格參數(shù)Tab.2 Specification parameters of KKDS series

以上各項成果都為直驅(qū)閥性能提升及結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)，但是直驅(qū)閥的理論分析及其試驗研究領(lǐng)域仍有較大的空缺需要填補。

1.2 直接驅(qū)動式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)改進

在對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)直驅(qū)閥的機理及特性開展研究的基礎(chǔ)上，對直驅(qū)閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化及結(jié)構(gòu)的改進創(chuàng)新工作也相繼展開。美國航空開發(fā)中心的國防科技報告中收錄有關(guān)于20 世紀50 年代直驅(qū)閥的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，主要有：（1）Bendix Aviation 公司的B-I 閥，該閥為雙向電磁驅(qū)動單級直驅(qū)閥，由左、右相對的兩電磁鐵驅(qū)動閥芯實現(xiàn)正反雙向運動；（2）GE 公司的GE-I 閥，該閥為力矩馬達直接驅(qū)動兩雙邊閥的推桿式單級直驅(qū)閥，該閥將原四邊閥分解為兩雙邊閥且用緊湊推桿式結(jié)構(gòu)，小型化、輕量；（3）Cadillac Gage 公司的CG-II 閥（圖5），該閥為嵌套式兩級直驅(qū)閥，先導(dǎo)閥芯嵌套于主閥芯中，位置反饋由兩閥芯的相對運動實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)緊湊；（4）Drayer-Hanson 公司的功率閥芯位置機械反饋的直驅(qū)閥，該閥將閥芯位置用彈簧轉(zhuǎn)化為力信號并以機械反饋的形式反饋至力馬達；（5）北美航空公司的雙邊先導(dǎo)閥芯的兩級直驅(qū)閥，該閥先導(dǎo)級采用雙邊節(jié)流的形式，且滑閥閥芯兩端經(jīng)節(jié)流孔與回油口相通，兩者共同控制功率閥芯驅(qū)動。

圖5 嵌套式兩級直接驅(qū)閥Fig.5 Nested two-stage direct drive valve

以上為直驅(qū)閥早期結(jié)構(gòu)演變，隨著電磁技術(shù)的發(fā)展，20 世紀70 年代后，出現(xiàn)大量關(guān)于反饋形式和控制方式的創(chuàng)新應(yīng)用。德國的KASPER 等［7］研究了3 種直驅(qū)閥的位移放大機構(gòu)：波紋管式、彈性式、機械式。結(jié)果表明波紋管式位移放大機構(gòu)無滯后，動態(tài)特性較好，而機械式和彈性式均有滯后，動態(tài)特性差，且彈性式滯后明顯。但是機械式機構(gòu)具有較好的熱特性。KREΒ 等［8］基于智能執(zhí)行機構(gòu)的概念，提出一種精確、全面的故障檢測分析方法，即非線性奇偶空間方法。該方法的突出優(yōu)點在于和以往提高安全性和可靠性的冗余系統(tǒng)相比，能夠有效降低負載和成本。

國內(nèi)關(guān)于直驅(qū)閥的結(jié)構(gòu)改進工作也相繼進行著。李其朋等［9］在一種新型電渦流傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計出采用該傳感器進行位移反饋的直動式電液伺服閥。并且對其靜態(tài)特性進行了仿真和實驗，結(jié)果表明該閥具有較好的控制特性。訚耀保等以閥的機理及特性為切入點，研制了一旋轉(zhuǎn)直驅(qū)閥，并建立了該法的非線性數(shù)學(xué)模型?；诖嗽O(shè)計驅(qū)動接口的參數(shù)，再對樣機進行試驗得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳取值原則［10］。劉曉鵬等［11］針對水下特殊作業(yè)環(huán)境，設(shè)計了一種音圈電機直驅(qū)高速開關(guān)閥，并分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對閥性能的影響規(guī)律，以優(yōu)化閥結(jié)構(gòu)。張增猛等以水液壓直驅(qū)球閥為研究對象，利用仿真手段研究閥座有無倒角對閥芯穩(wěn)態(tài)力的影響。此外，還建立了優(yōu)于傳統(tǒng)線性分析法的音圈電機直驅(qū)水液壓球閥模型，便于該閥的進一步優(yōu)化設(shè)計［12-13］。上述研究結(jié)論為直驅(qū)閥的結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化提供了有力的理論依據(jù)。

綜上所述，關(guān)于直驅(qū)閥結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計使得直驅(qū)閥的發(fā)展突飛猛進，其中閥的反饋方式應(yīng)當(dāng)繼續(xù)推進創(chuàng)新。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高性能的傳感器能使反饋更加準確迅捷，閥的自反饋自補償也是未來的重要方向。

1.3 直驅(qū)閥電-機械轉(zhuǎn)換裝置的改進

電機轉(zhuǎn)換裝置直接影響閥的驅(qū)動能力及工作穩(wěn)定性。因此對該裝置的改進也尤為重要。美國專利US4672992 及US5263680 分別公布了一種小球驅(qū)動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)直驅(qū)閥以及一種圓柱形驅(qū)動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)直驅(qū)閥如圖6 所示，這兩種都屬于由偏心機構(gòu)將電機旋轉(zhuǎn)變?yōu)殚y芯平動的旋轉(zhuǎn)式直驅(qū)閥。此類閥的結(jié)構(gòu)更緊湊，對外部振動不敏感。另外美國專利US4794845 中公布了一種轉(zhuǎn)閥式直驅(qū)閥，此類閥通過功率閥芯相對于閥套轉(zhuǎn)動，使閥芯閥套上周向分布的節(jié)流窗口相互連通，從而實現(xiàn)對閥輸出流量及壓力的控制，且閥芯轉(zhuǎn)動時阻力小，可實現(xiàn)更大的功率控制。

圖6 圓柱形驅(qū)動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)直驅(qū)閥Fig.6 Rotary direct drive valve for cylindrical drive

阮健等研制出一種2D 數(shù)字換向閥，該閥由閥芯的雙運動自由度而設(shè)計出高低壓孔、螺旋槽構(gòu)成伺服螺旋機構(gòu)，泄漏小，自清潔，采用步進電機輸出角位移的連續(xù)跟蹤控制，可實現(xiàn)高頻響，高精度，無零漂、溫漂；并進一步研究了影響2D 伺服閥穩(wěn)定性的因素［14-15］。但步進電機通過傳動機構(gòu)驅(qū)動閥芯旋轉(zhuǎn)，其中傳動機構(gòu)可能會降低響應(yīng)速度，影響精度。LI 等［16］提出了一種新的驅(qū)動方法和結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)直驅(qū)閥的高頻響和大流量。該結(jié)構(gòu)由兩電機驅(qū)動，主電機實現(xiàn)油路切換，輔助電機實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。且由其獨特的閥套和閥板對換向頻率改善流體力平衡，閥套上布置有徑向?qū)ΨQ分布的4 對八通孔結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)換向功能。仿真結(jié)果表明新結(jié)構(gòu)閥的頻響遠高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)閥。

1.4 新型材料的應(yīng)用

隨著各高性能新材料不斷被開發(fā)應(yīng)用，如PZT 壓電晶片、GMM 超磁致伸縮材料、MSM 磁控形狀記憶合金等?；谛虏牧蠎?yīng)用的高性能直驅(qū)閥的研究也不斷展開，以期更好的改善閥的性能以及提高其使用壽命。

（1）壓電材料在直驅(qū)閥中的應(yīng)用

PZT 材料位移控制精度高達0.01 μm，響應(yīng)速度快，約為10 μs，能量轉(zhuǎn)換效率高，機電耦合系數(shù)可達到0.7，但形變量較小。國外，美國的JASON等［17］注意到壓電材料的高能密度及傳統(tǒng)二級閥前置放大級采用電磁驅(qū)動的頻響受限，基于此探討了一種壓電直驅(qū)閥的可行性。并采用改善內(nèi)應(yīng)力和提高杠桿臂剛度等方法來提高閥的固有頻率。為進一步提升壓閥的性能，還以壓力傳感器代替原本的閥芯位移傳感器。日本的YOKOTA 等［18］開發(fā)了一種超高速伺服閥，該閥采用多層PZT 直接驅(qū)動，還引入了前饋控制，以獲得高速響應(yīng)和好的阻尼特性。此外還利用逆滯回線模型算法來消除多層PZT 的遲滯特性。NOBUHIKO 等［19］研究了壓電驅(qū)動在遲滯和蠕變方面的非線性，并找到減少非線性的方法，即一種獨特的開環(huán)驅(qū)動方法。該方法為壓電驅(qū)動器的點對點定位，并驗證了該方法可獲得較好的定位精度。YAMADA等［20］研制了一種高速數(shù)字開關(guān)閥，該閥由壓電堆疊驅(qū)動，利用液壓放大器將壓電疊堆的微位移放大。還建立了一種補償機制，以降低油溫升高引起的閥芯位移波動。通過實驗和仿真分析了閥的動靜態(tài)特性，驗證了補償機制的有效性和該裝置的可行性。

國內(nèi)，曹鋒等［21］基于壓電驅(qū)動單純PID 控制方法進行改進，提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)自整定PID 控制。改進后的控制方法可實現(xiàn)解耦同步控制。ZHOU 等［22］針對壓電閥系統(tǒng)中存在的滯后和蠕變非線性，設(shè)計了一種前饋回路動態(tài)模型的高精度模糊控制。并通過實驗驗證了這種控制可有效抑制滯后和蠕變，并且相較傳統(tǒng)模糊控制具有更高的精度和更廣的帶寬。俞軍濤等［23］設(shè)計了新型壓電陶瓷直驅(qū)閥，該閥的位移放大結(jié)構(gòu)中應(yīng)用了帕斯卡原理設(shè)計成大小活塞結(jié)構(gòu)，由壓電陶瓷疊堆驅(qū)動，其位放增大九倍，控制誤差低于0.01，頻寬大于550 Hz。郭一波等［24］就壓電驅(qū)動位移小的問題展開，利用有限元仿真對其膜片式液壓微位移放大機構(gòu)做雙向流固耦合分析，通過仿真和試驗得出影響放大效果的參數(shù)。

（2）超磁致伸縮材料在直驅(qū)閥中的應(yīng)用

GMM 材料比PZT 材料具有更大的能量密度和更大的輸出力，機電耦合系數(shù)可達到0.8，但能量轉(zhuǎn)換效率高，機電耦合系數(shù)可達到0.7，但響應(yīng)速度為ms 級，形變量也小。另外，其最大回程誤差高達20%左右。國外，愛爾蘭的OLABI等［25］就GMM 的特性和應(yīng)用做了較詳盡的闡述。包括其應(yīng)變長度和外加正負磁場的關(guān)系分布對比、飽和區(qū)域、Terfenol-D 材料的3 種典型優(yōu)化方法等，為GMM 的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。加拿大的ALJANAIDEH 等［26］對GMM 的磁滯非線性做了研究。并提出一種補償磁滯非線性的方法。即基于Prandtl-Ishlinskii 模型實現(xiàn)補償，并通過仿真和實驗證明該方法可在不同輸入速率下提供滯后補償。

國內(nèi)，王傳禮等［27］設(shè)計了一種基于GMM 的高頻伺服閥，在建立該閥數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上對閥進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)了影響閥超調(diào)量、動態(tài)特性等的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。YANG等［28］開發(fā)了一種GMM 直驅(qū)閥，并為該閥設(shè)計新型的液壓放大器以擴大超磁致伸縮致動器（GMA）的行程。還建立了閥的多耦合模型，并找到一種復(fù)合控制的方法來構(gòu)成滯后補償，可有效抑制擾動。鄭佳偉等［29-30］介紹了GMM 材料在伺服閥中的應(yīng)用，并為解決傳統(tǒng)GMA 的偏置磁場強度不均勻問題，研發(fā)了一種分布式永磁偏置GMA。利用控制變量法，對結(jié)構(gòu)進行了仿真設(shè)計。還運用J-A 模型、二次疇轉(zhuǎn)模型、磁阻理論等建立了輸出位移模型。并通過實驗驗證了可行性。GMM 直驅(qū)閥工作原理如圖7 所示。

圖7 GMM 直驅(qū)閥工作原理示意Fig.7 Schematic diagram of GMM direct drive valve

（3）磁控形狀記憶合金在直驅(qū)閥中的應(yīng)用

MSMA 材料兼具PZT 和GMM 的優(yōu)點，且其馬氏體重取向宏觀應(yīng)變可達到10%，但動態(tài)響應(yīng)較慢。國外，SUORSA 等［31］研究了不同MSM 執(zhí)行器的性能，如加速度、溫度范圍，上升時間，行程及應(yīng)力等，并探討了其結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。MINOROWICZ 等［32］設(shè)計了一種基于MSMA的微定位執(zhí)行器，并利用改進的和廣義的兩種Prandtl-Ishlinskii 模型來描述其滯后。另外還研究了3 種控制策略，通過實驗驗證了方案的有效性。GABDULLIN 等［33］就MSM 晶體的孿晶應(yīng)力導(dǎo)致滯后問題著手，并以具有更低孿晶應(yīng)力的II型晶界（TBS）的新晶體為對象，研究其在執(zhí)行器中的磁場分布，發(fā)現(xiàn)了MSM 應(yīng)力不均勻是磁場分布不均導(dǎo)致的。

國內(nèi)，ZHOU 等［34］針對MSM 執(zhí)行器的磁滯非線性，嘗試建立一種混合控制手段來補償磁滯，即以自調(diào)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID 反饋控制與前饋控制相結(jié)合，最后的仿真結(jié)果表明，該方法可有效提高控制精度。筆者所在團隊一直從事復(fù)雜液壓技術(shù)的研究，早在2013 年就曾設(shè)計一種MSM 驅(qū)動器及其溫控裝置，以使MSM 元件的溫度控制在由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的范圍內(nèi)，從而保證驅(qū)動器的性能。隨后又設(shè)計出一種基于MSMA 的伺服閥驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上，分析材料靜態(tài)特性，進行簡化仿真建模［35-36］（MSM 驅(qū)動原理見圖8）。

圖8 MSM 驅(qū)動原理示意Fig.8 Schematic diagram of MSM drive

綜上可知，新材料在直驅(qū)閥中的應(yīng)用為閥性能的進一步提高開辟了新道路，其中，PZT 材料的響應(yīng)速度較快，可達10 μs，GMM 材料的能量轉(zhuǎn)換效率較高，可達80%，MSMA 材料宏觀應(yīng)變較高，可達10%。位移放大結(jié)構(gòu)的性能改善仍將是未來工作的重點，我們可以預(yù)測伺服閥未來的發(fā)展趨勢里必然包含新材料和新結(jié)構(gòu)的結(jié)合。

2 直接驅(qū)動式電液伺服閥未來的研究方向

2.1 直驅(qū)閥在極端溫度環(huán)境下的性能

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對閥的性能要求越來越高。就地域而言，一些地區(qū)氣候惡劣，如我國西藏高原某些地區(qū)最低溫度可達-16.5 ℃，普通液壓系統(tǒng)難以正常工作；就軍用領(lǐng)域而言，軍事裝備須保證任何環(huán)境下都能正常工作，性能穩(wěn)定；就航天領(lǐng)域而言，火箭在飛行中其周圍空氣溫度達到1 000 ℃以上。嚴重影響系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。研究閥在極度高低溫環(huán)境下的各種特性是十分有價值的，張俊等［37］研究了高低溫對液壓元件的影響，包括對零件尺寸、間隙泄漏、液壓介質(zhì)、密封材料的影響。訚耀保等［38］就溫度對配合間隙及液壓油黏度的影響展開研究，且對比分析了不同初始溫度下的閥腔內(nèi)流場分布。但上述研究多為定性分析，未建立精確的數(shù)學(xué)模型。可見，在極端溫度環(huán)境下對直驅(qū)閥熱特性的研究，目前國內(nèi)外均未有成熟理論體系，還有待深入研究。要使閥在極端溫度環(huán)境下正常工作，需要將直驅(qū)閥的特殊結(jié)構(gòu)、材料學(xué)、流體力學(xué)及熱力學(xué)等多方面結(jié)合起來，建立極端溫度下閥的熱特性模型。深入研究直驅(qū)閥快速溫升溫降時的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)、驅(qū)動裝置形式及加工工藝對閥性能的影響，為研制更好性能的直驅(qū)閥奠定必要的理論基礎(chǔ)。圖9 中（a）～（c）分別示出用Comsol 分析不同初始溫度時的流場分布結(jié)果。由結(jié)果圖可知：閥腔內(nèi)速度場的高速流動多在節(jié)流口，且腔內(nèi)的渦流會造成大量能耗，引發(fā)溫升。對比圖9（a）（b）得出，低溫時節(jié)流口處高速區(qū)域分布更廣，但出口速度低于常溫，這可能是低溫時液壓介質(zhì)黏度增加，壓力損失增加導(dǎo)致的。對比圖9（b）（c）可知，高溫時速度變化不大，但渦流現(xiàn)象更明顯。

圖9 不同初始溫度下的閥腔流場分布Fig.9 Flow field distribution of valve cavity at different initial temperatures

2.2 直驅(qū)閥的沖蝕磨損特性

油液污染是閥壽命降低的主要原因，而閥工作時，難免會產(chǎn)生固體顆粒污染物，易造成堵塞或沖蝕磨損，都會導(dǎo)致閥性能下降，嚴重時使閥失效，引發(fā)事故。因此分析油液污染造成的沖蝕磨損對閥工作穩(wěn)定性及預(yù)測閥壽命都是研究的關(guān)鍵方向。目前，國內(nèi)外的研究重心都在故障診斷，對沖蝕磨損特性的研究未深入。張宏等［39］將湍流模型和沖蝕理論結(jié)合起來，分析了材料、沖蝕時間、沖蝕速度、質(zhì)量流率及攻角等對沖蝕磨損的影響，并且確定了沖蝕的位置。張坤等［40］結(jié)合沖蝕理論和CFD 數(shù)值模擬，創(chuàng)建了沖蝕的數(shù)學(xué)模型，得出沖蝕在閥內(nèi)的分布及磨損速率與滑閥開度間的非線性關(guān)系。

綜上所述，直驅(qū)閥沖蝕磨損的定量分析研究仍較罕見。為提升閥的性能及可靠性，應(yīng)基于沖蝕磨損理論，結(jié)合直驅(qū)閥的專有結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建此類閥的沖蝕磨損模型，總結(jié)出沖蝕磨損影響閥性能的規(guī)律，并由此摸索出出一種計算直驅(qū)閥使用壽命的方法。

2.3 直驅(qū)閥的數(shù)字化、智能化

各項電子控制技術(shù)在近些年的飛速發(fā)展讓我們看到了研制新型智能化直驅(qū)閥的可能?？紤]到目前直驅(qū)閥需要攻克的主要難題有：液壓油泄漏、油液污染等［41-42］。因此，該閥應(yīng)集高精度、高頻響、自我診斷、自我除障、自我補償、信號反饋、遠程通信等性能于一體。

對于直驅(qū)閥，要提高其精度和頻率響應(yīng)，可以嘗試對其主閥芯的位移進行閉環(huán)控制，即通過在閥內(nèi)直接集成驅(qū)動控制器、傳感器。并以傳感器自監(jiān)控，控制器自監(jiān)控，定時器監(jiān)控等多種手段相結(jié)合，來確保準確及時地發(fā)現(xiàn)故障，隔離故障。且采用數(shù)字技術(shù)的驅(qū)動控制器還可通過新型的傳感器監(jiān)控閥腔壓力，閥芯位移、流量特性等控制參數(shù)，對此可引入算法控制，如PID 算法等實現(xiàn)對閥控制參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置。

要實現(xiàn)直驅(qū)閥的自診斷、自排障、信號反饋和通訊則應(yīng)利用數(shù)字技術(shù)監(jiān)測直驅(qū)閥的工作環(huán)境、閥內(nèi)實時工況等關(guān)鍵控制信息并將其反饋至主控室。此外為提高控制系統(tǒng)的可靠性，還應(yīng)進行多余度配置。這樣以較完善的故障檢測手段與較合理的余度配置相結(jié)合，既可實現(xiàn)實時診斷、自排障和遠程操控，又提高了控制精度和容錯能力。

3 結(jié)論

（1）整閥性能的研究主要集中于構(gòu)建閥動靜態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型；電-機械轉(zhuǎn)換裝置的研究則一般采用Simulink 仿真與樣機試驗結(jié)合起來的方法，為電-機械轉(zhuǎn)換裝置更深入的研究提供了便利。但是，由于一般的直線直驅(qū)閥電機轉(zhuǎn)換裝置功率密度小，而旋轉(zhuǎn)直驅(qū)閥功率密度大卻穩(wěn)定性不足，因此如何合理的設(shè)置PID 控制參數(shù)改善其穩(wěn)定性可作為未來對直驅(qū)閥特性深入研究的方向之一。

（2）通過機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計以及某些結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，可改善閥的性能；旋轉(zhuǎn)直驅(qū)閥與自反饋自補償相結(jié)合的方法可為直驅(qū)閥后續(xù)的結(jié)構(gòu)改進及創(chuàng)新提供了較好的理論方向。

（3）不同的新型材料以其特有性能可以有效改善閥的性能，因此新材料的應(yīng)用是改善直驅(qū)閥動態(tài)響應(yīng)等關(guān)鍵性能的另一種有效方法，還有待更好的發(fā)掘。