電機(jī)械執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)壓差可控型多路閥特性研究

趙星宇，王波，趙斌，李運(yùn)帷，權(quán)龍

(1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024；2.阿爾伯塔大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系，阿爾伯塔 埃德蒙頓 T6G2V4，加拿大)

0 前言

工程機(jī)械中普遍采用多路閥分配流量，有含壓力補(bǔ)償器和無(wú)壓力補(bǔ)償器兩類多路閥。為了精確分配流量，在負(fù)載敏感系統(tǒng)中，采用的是帶補(bǔ)償器的多路閥。

當(dāng)前，為了提高多路閥的微動(dòng)特性和流量控制精度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。艾超等人通過(guò)減小主閥小開(kāi)口處過(guò)流面積梯度，實(shí)現(xiàn)多路閥微動(dòng)特性優(yōu)化。葉小華等通過(guò)仿真研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)流閥口形狀所轉(zhuǎn)換的過(guò)流面積曲線斜率大小直接影響多路閥的微調(diào)特性和緩沖能力。冀宏等人針對(duì)主閥復(fù)位時(shí)的卡滯問(wèn)題，在閥芯上設(shè)置擋流凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，使滑閥液動(dòng)力降低了61.6%。葛磊等人在SimulationX環(huán)境下研究了壓力補(bǔ)償器閥芯的節(jié)流槽型式及LS腔彈簧對(duì)響應(yīng)速度的影響。PETTERSSON等分析了壓力補(bǔ)償器的動(dòng)態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償器斷開(kāi)頻率低于負(fù)載共振頻率時(shí)，提高壓力流量增益可以減小負(fù)載間干擾。FENG等對(duì)壓力補(bǔ)償器進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)特性分析，根據(jù)彈簧剛度和液動(dòng)力之間的關(guān)系，提出了3種補(bǔ)償模式。鄧斌等人研究了液動(dòng)力對(duì)主閥芯操縱力的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大彈簧系數(shù)和彈簧預(yù)緊力可以減小其影響。由上述分析可知：一方面，由于主閥節(jié)流口壓差不可控，研究者們大多對(duì)閥口形狀和面積梯度進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)提高多路閥微動(dòng)特性，但閥口的各個(gè)參數(shù)都會(huì)對(duì)微動(dòng)特性產(chǎn)生影響，需要進(jìn)行繁瑣的工作來(lái)尋找最佳優(yōu)化方案；另一方面，研究者們從閥芯結(jié)構(gòu)和彈簧系數(shù)等方面入手，降低液動(dòng)力的影響，但未完全補(bǔ)償液動(dòng)力，流量控制精度沒(méi)有顯著提高。

為此，提出補(bǔ)償壓差調(diào)控原理，對(duì)補(bǔ)償器閥芯施加附加力，不僅可以對(duì)主閥節(jié)流口壓差進(jìn)行控制，減小壓差以提高多路閥微動(dòng)特性，增大壓差實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的快速響應(yīng)；而且可以直接對(duì)液動(dòng)力等因素進(jìn)行補(bǔ)償，提高流量控制精度。

但目前工程機(jī)械多路閥流量較大，補(bǔ)償器行程較大，以所研究25通徑多路閥為例，其額定流量300 L/min，補(bǔ)償器行程7 mm，1.7 MPa所對(duì)應(yīng)控制力約為1 000 N，現(xiàn)有比例電磁鐵難以滿足要求，所以需探究一種大行程、高輸出力、高響應(yīng)的電機(jī)械執(zhí)行器。其中，電機(jī)作為優(yōu)質(zhì)的電機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐漸應(yīng)用于電液領(lǐng)域。肖俊東等采用直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)閥芯，用轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯取代滑動(dòng)閥芯，減小了液動(dòng)力。RYBARCZYK將直流電機(jī)的高動(dòng)態(tài)性能和步進(jìn)電機(jī)的高定位精度優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)出一種由步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的組合控制的比例閥。ABUOWDA 等設(shè)計(jì)了應(yīng)用在進(jìn)出口獨(dú)立系統(tǒng)中的電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制閥，提高了閥的控制精度和動(dòng)態(tài)性能。WIEGANDT設(shè)計(jì)了直驅(qū)式比例閥，采用高扭矩伺服電機(jī)配合特殊的凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。劉向明等采用直流電機(jī)配合球頭偏心耦合裝置直接驅(qū)動(dòng)單級(jí)電液伺服閥，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)特性和控制精度都優(yōu)于傳統(tǒng)電液伺服閥。綜上所述，伺服電機(jī)擁有過(guò)載能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，研究者大多采用位置控制模式提高閥的控制精度。

為此，本文作者以負(fù)載敏感系統(tǒng)中閥后補(bǔ)償多路閥為研究對(duì)象，基于補(bǔ)償壓差調(diào)控原理，采用伺服電機(jī)與滾珠絲杠組合，設(shè)計(jì)出電-機(jī)械壓差控制單元，增設(shè)在補(bǔ)償器上，完成新型壓差可控型多路閥的設(shè)計(jì)。研究中，分析了新型壓差可控型多路閥的工作原理，運(yùn)用SimulationX軟件搭建了聯(lián)合仿真模型，進(jìn)行了壓差控制特性和流量控制特性的仿真研究，并且仿真分析了壓差控制單元參數(shù)的影響。

1 工作原理

1.1 新型壓差可控型多路閥工作原理

圖1給出了新型壓差可控型多路閥的系統(tǒng)原理，在壓力補(bǔ)償器上增設(shè)了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的電-機(jī)械壓差控制單元。當(dāng)該控制單元不工作時(shí)，電機(jī)與絲杠處于隨動(dòng)，與傳統(tǒng)多路閥工作原理相同；當(dāng)控制單元工作時(shí)，將電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)化為絲杠螺母對(duì)閥芯施加的附加力，或直接控制補(bǔ)償器閥芯位置，使其處于常開(kāi)狀態(tài)，減小節(jié)流損失。

圖1 新型壓差可控型多路閥系統(tǒng)原理

圖2給出了電-機(jī)械壓差控制單元的具體結(jié)構(gòu)示意，伺服電機(jī)與滾珠絲杠軸通過(guò)聯(lián)軸器相連，絲杠軸采用一端固定、一端自由的方式，固定端的角接觸球軸承采用緊定螺母固定，絲杠螺母通過(guò)法蘭連接與補(bǔ)償器閥芯相連。

圖2 電-機(jī)械壓差控制單元結(jié)構(gòu)示意

1.2 理論分析

由圖1可得壓力補(bǔ)償器閥芯受力平衡：

=+±

(1)

變化得主閥節(jié)流口壓差：

Δ=-=--1[±]

(2)

式中：為壓力補(bǔ)償器閥芯端壓力作用面積；為主閥節(jié)流口出口壓力；為壓力補(bǔ)償器出口壓力(圖1中)；為泵出口壓力；為最高負(fù)載壓力；為作用在補(bǔ)償器閥芯上的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力；為電-機(jī)械壓差控制單元輸出的附加力。

由式(2)可知，當(dāng)泵出口壓力和最高負(fù)載壓力的差值恒定時(shí)，主閥節(jié)流口壓差Δ只與液動(dòng)力和附加力有關(guān)。當(dāng)附加力方向?yàn)殚y口打開(kāi)方向時(shí)，可以增大壓差；當(dāng)方向?yàn)殚y口關(guān)閉方向時(shí)，可以使壓差減小。此外，附加力還可以補(bǔ)償液動(dòng)力。

其中，控制單元輸出的附加力為

(3)

式中：為滾珠絲杠的導(dǎo)程；為伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；為滾珠絲杠傳動(dòng)效率。

電機(jī)轉(zhuǎn)速與補(bǔ)償器閥芯速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

60=

(4)

式中：為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速；為補(bǔ)償器閥芯運(yùn)動(dòng)速度。

電機(jī)角位移與補(bǔ)償器閥芯直線位移的關(guān)系為

=2π

(5)

式中：為電機(jī)角位移；為補(bǔ)償器閥芯直線位移。

由上述分析可知，通過(guò)檢測(cè)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩信息，可間接感知補(bǔ)償器狀態(tài)。而伺服電機(jī)信息可由編碼器直接檢測(cè)，這也為補(bǔ)償器的控制提供了方便。進(jìn)一步，伺服電機(jī)不僅可以采用位置控制模式，控制補(bǔ)償器閥芯開(kāi)度，而且可以采用轉(zhuǎn)矩控制模式，控制輸出力的大小，來(lái)改變壓差。但受絲杠導(dǎo)程影響，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，絲杠導(dǎo)程與輸出力成反比，同時(shí)，根據(jù)式(4)，電機(jī)轉(zhuǎn)速需要與閥芯響應(yīng)速度相匹配，絲杠導(dǎo)程不宜太小。

為此，需綜合考慮，既要有足夠的輸出力來(lái)滿足工作需求，又需要電機(jī)轉(zhuǎn)速匹配補(bǔ)償器響應(yīng)速度，此外，壓差控制單元的尺寸不宜太大。根據(jù)上述分析，針對(duì)已知25通徑多路閥補(bǔ)償器行程7 mm，1.7 MPa所對(duì)應(yīng)控制力約為1 000 N，本文作者選擇1 mm導(dǎo)程的滾珠絲杠、50 W伺服電機(jī)。

2 仿真建模

以25通徑閥后補(bǔ)償多路閥為研究對(duì)象，在多學(xué)科仿真軟件SimulationX中，根據(jù)真實(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，搭建出新型壓差可控型多路閥聯(lián)合仿真模型，見(jiàn)圖3，該模型主要由機(jī)械模型與液壓模型兩部分組成。將多路閥各部件三維模型導(dǎo)入SimulationX中，按實(shí)際的約束關(guān)系裝配，搭建三維機(jī)械模型；液壓模型部分由電-機(jī)械壓差控制單元、主閥、壓力補(bǔ)償器、壓力油源及加載溢流閥等部分組成。其中，用加載溢流閥模擬負(fù)載，主閥由節(jié)流口和換向口組成，根據(jù)補(bǔ)償器閥芯受力分析，搭建出壓力補(bǔ)償器模型，并在建模過(guò)程中考慮黏性摩擦等因素；電-機(jī)械壓差控制單元主要由伺服電機(jī)和滾珠絲杠構(gòu)成，根據(jù)絲杠實(shí)際結(jié)構(gòu)，將模型中絲杠軸移動(dòng)副和絲杠螺母轉(zhuǎn)動(dòng)副固定。圖4為電-機(jī)械壓差控制單元的響應(yīng)特性曲線，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和絲杠輸出力的響應(yīng)時(shí)間均小于50 ms。

圖3 新型壓差可控型多路閥聯(lián)合仿真模型

圖4 電-機(jī)械壓差控制單元響應(yīng)特性

3 仿真分析

3.1 壓差控制特性

保持主閥開(kāi)度不變，給定電-機(jī)械壓差控制單元3組不同設(shè)定值的階躍信號(hào)，得到圖5所示的壓差階躍控制特性曲線。圖5(a)為伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，伺服電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制模式，可知其階躍響應(yīng)時(shí)間小于50 ms，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為輸出轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而控制主閥節(jié)流口壓差。由圖5(b)可知：節(jié)流口壓差Δ的階躍控制響應(yīng)時(shí)間小于50 ms，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)工況需求實(shí)現(xiàn)壓差的動(dòng)態(tài)調(diào)控。給定斜坡控制信號(hào)，得到圖6所示的壓差連續(xù)控制特性曲線，可知：以當(dāng)前電機(jī)與絲杠的選型參數(shù)，壓差Δ能夠在0～3.5 MPa內(nèi)穩(wěn)態(tài)連續(xù)控制，多路閥流量呈非線性變化。

圖5 壓差階躍控制特性

圖6 壓差連續(xù)控制特性

3.2 液動(dòng)力補(bǔ)償

保持主閥開(kāi)度不變，減小負(fù)載壓力，即增大多路閥前后壓差，此時(shí)補(bǔ)償器的液動(dòng)力增大，由式(2)可得，將導(dǎo)致多路閥主閥節(jié)流口壓差減小，多路閥流量減小。

穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力計(jì)算公式為

(6)

式中：為補(bǔ)償器開(kāi)度時(shí)對(duì)應(yīng)的閥口面積；為流量系數(shù)；為流速系數(shù)；為油液密度；為射流角。

電-機(jī)械壓差控制單元可以根據(jù)伺服電機(jī)的位置環(huán)檢測(cè)的反饋信息，實(shí)時(shí)檢測(cè)閥口開(kāi)度，由閥口面積曲線得到對(duì)應(yīng)的面積，根據(jù)實(shí)際測(cè)得閥芯射流角，代入公式(6)對(duì)液動(dòng)力進(jìn)行估算。

在仿真中，將泵出口壓力與最高負(fù)載壓力設(shè)定為恒定值，在4組不同主閥開(kāi)度下，改變負(fù)載壓力，得到圖7所示的穩(wěn)態(tài)負(fù)載特性曲線。可知：主閥開(kāi)度不變，隨著泵與負(fù)載間壓力差值的增大，由于液動(dòng)力的影響，多路閥流量非線性減小，無(wú)法保持恒定值，并且在大主閥開(kāi)度、大流量、大壓差狀態(tài)下，液動(dòng)力的影響較大。對(duì)液動(dòng)力補(bǔ)償后，流量基本保持恒定，具有良好的穩(wěn)態(tài)負(fù)載特性，提高了流量的控制精度。

圖7 穩(wěn)態(tài)負(fù)載特性曲線

3.3 電機(jī)與絲杠參數(shù)的影響

在電-機(jī)械壓差控制單元非控制與控制兩種狀態(tài)下，分別對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和絲杠導(dǎo)程的影響進(jìn)行仿真研究。

(1)非控制狀態(tài)

當(dāng)電-機(jī)械壓差控制單元不控制時(shí)，電機(jī)與絲杠處于隨動(dòng)，補(bǔ)償器閥芯需要拖動(dòng)電機(jī)與絲杠運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于在原有補(bǔ)償器上增加了一個(gè)額外負(fù)載。

圖8為非控制狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)補(bǔ)償器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，可知：增設(shè)電-機(jī)械壓差控制單元后，補(bǔ)償器響應(yīng)變慢，當(dāng)導(dǎo)程一定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，補(bǔ)償器響應(yīng)速度越慢，多路閥流量超調(diào)越大。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，給予補(bǔ)償器的額外負(fù)載的慣性越大，導(dǎo)致補(bǔ)償器響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，流量超調(diào)變大。

圖8 非控制狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)補(bǔ)償器響應(yīng)特性的影響

圖9為非控制狀態(tài)下絲杠導(dǎo)程對(duì)補(bǔ)償器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一定時(shí)，絲杠導(dǎo)程越小，補(bǔ)償器響應(yīng)速度越慢，多路閥流量超調(diào)越大。這是因?yàn)椋a(bǔ)償器閥芯位移階躍變化時(shí)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速需要匹配其響應(yīng)速度，由式(4)可知，閥芯直線速度一定時(shí)，絲杠導(dǎo)程越小，所需求的電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，受轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響，補(bǔ)償器響應(yīng)速度變慢，流量超調(diào)變大。

圖9 非控制狀態(tài)下絲杠導(dǎo)程對(duì)補(bǔ)償器響應(yīng)特性的影響

(2)控制狀態(tài)

電-機(jī)械壓差控制單元處于控制狀態(tài)下，階躍控制主閥節(jié)流口壓差時(shí)，仿真研究電機(jī)與絲杠參數(shù)對(duì)壓差控制動(dòng)態(tài)特性的影響。

圖10是電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)壓差控制動(dòng)態(tài)特性的影響，可知：絲杠導(dǎo)程一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大，電-機(jī)械壓差控制單元的慣性越大，導(dǎo)致圖10(b)所示的輸出附加力啟動(dòng)與停滯速度越慢，超調(diào)越大，使得壓差控制響應(yīng)速度越慢。

圖10 控制狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)壓差控制特性的影響

圖11是絲杠導(dǎo)程對(duì)壓差控制動(dòng)態(tài)特性的影響，可知：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一定時(shí)，絲杠導(dǎo)程越小，對(duì)壓差控制動(dòng)態(tài)特性的影響越大。這是因?yàn)檠a(bǔ)償器壓差變化，其閥芯位移階躍變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速需要與閥芯的響應(yīng)速度相匹配，導(dǎo)程越小，圖11(b)所示的電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，由于慣性影響，電-機(jī)械壓差控制單元控制特性越差，壓差控制響應(yīng)速度越慢，超調(diào)越大。

圖11 控制狀態(tài)下絲杠導(dǎo)程對(duì)壓差控制特性的影響

4 結(jié)論

(1)基于補(bǔ)償壓差調(diào)控原理，在壓力補(bǔ)償器上增設(shè)了由伺服電機(jī)與滾珠絲杠組成的電-機(jī)械壓差控制單元，設(shè)計(jì)出新型壓差可控型多路閥，不僅可以根據(jù)工況需求，對(duì)主閥節(jié)流口壓差進(jìn)行控制，而且可以對(duì)液動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償，提高流量控制精度；

(2)仿真結(jié)果表明：新型壓差可控型多路閥可以在0～3.5 MPa范圍內(nèi)對(duì)主閥節(jié)流口壓差進(jìn)行連續(xù)控制；

(3)增設(shè)電-機(jī)械壓差控制單元，可以對(duì)補(bǔ)償器液動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償，提高了流量的控制精度；

(4)在電-機(jī)械壓差控制單元非控制與控制兩種狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，補(bǔ)償器響應(yīng)速度越慢，壓差控制動(dòng)態(tài)特性越差；絲杠導(dǎo)程越大，對(duì)補(bǔ)償器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響越小，壓差控制動(dòng)態(tài)特性越好。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮來(lái)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。