（机械电子工程专业论文）回转直动式电液伺服阀关键技术研究.pdf

摘要 摘要 电液伺服控制系统以其功率一重量比大，系统响应快，负载刚性大，控制精度高的 特点，广泛应用于冶金，矿山，船舶，工程机械，航空航天等工业控制领域。电液伺服 阀作为电液伺服控制系统的核心元件，可将小功率的电信号输入精确快速的转换为大功 率的液压能输出，其性能好坏直接影响伺服系统的特性及功能实现。回转直动式电液伺 服阀因其具有结构简单紧凑、响应快、流量分辨率高、无加速度零飘、抗污染能力强及 维护方便的性能特点，已成为流体传动及控制领域的一个重要发展方向和研究热点。提 高电液伺服转阀的工作性能，能够提升电液伺服控制系统的控制特性，有助于满足日益 增加的市场需求，进而推动流体传动及控制技术的进步。 论文以回转直动式电液伺服阀的关键技术为研究对象，采用理论分析、解析计算、 数值仿真和实验研究相结合的方法，对电液伺服转阀关键技术进行了系统、深入的分析 和研究。提出了耐高压双向旋转比例电磁铁的新结构，电磁铁采用永磁励磁方式，具有 环形工作气隙以及动磁式转子，偏置磁通与控制磁通相互作用，以差动方式工作；通过 磁路分析和有限元仿真，阐述了电磁铁结构参数的作用机理及具体匹配关系，实验结果 表明该电磁铁具有正磁弹簧刚度，最大输出转矩为_ - 4 - 0 6 5n m ，5 。时的转矩非线性和 转角非线性分别小于1 和0 5 ，转矩滞环和转角滞环分别小于4 5 和4 ，工作带宽 约为1 9 0h z 。为提高电液伺服转阀的控制精度，论文提出了耐高压电涡流角度传感器 的新结构和具体实现方案，传感器具有整体设计的导套和环形工作气隙，通过斜环状感 应线圈配合半圆柱转子工作，使感应线圈阻抗和输出电压与转子角位移成比例；分析了 传感器温漂的成因，提出了电涡流角度传感器无感线圈全桥回路温度补偿方法和新型差 动电涡流式角度传感器结构，实现了传感器温漂的有效抑制；仿真和实验结果表明该传 感器工作行程约为5 0 。，线性段电感灵敏度为7 7 1 0 4m h d e g m e ，电压灵敏度为9 8 m v 。，4 0 。一7 0 。时的非线性误差小于o 8 ，3 0o c 一9 0o c 温度范围内的传感器输出 温漂由2 0 降至1 。结合耐高压双向旋转比例电磁铁和耐高压电涡流角度传感器，提 出了不带角度反馈和带角度反馈两种形式的回转直动式电液伺服阀的结构方案，对其 静、动态特性进行了仿真研究，阐述了结构参数和角度反馈对转阀工作特性的影响。 有关各章内容分述如下： 第一章从电一机械转换器，角度传感器和功率级液压组件的角度出发，探讨了回转 直动式电液伺服阀关键技术的研究进展，分析总结了回转式电液伺服阀关键元件及转阀 整体的结构特点和发展趋势。 第二章对双向回转式电一机械转换器进行了结构分类，基于磁路原理建立了不同种 类力矩马达的磁路模型，得出了电磁铁静态特性的解析方程式，对比分析了力矩马达的 工作特点，归纳总结了励磁类型，气隙形状，转子种类和极面类型等结构要素对马达工 作特性的影响；在此基础上提出了新型耐高压双向旋转比例电磁铁的结构，分析了其工 浙江大学博士学位论文 作原理；并就其关键技术如耐高压结构设计，永磁材料分析和选型，软磁材料的对比选 择，以及励磁线圈设计和负载弹簧选择进行了详细探讨。 第三章建立了耐高压双向旋转比例电磁铁的磁路分析模型，得出了电磁铁的静、动 态解析方程，分析了结构参数对电磁铁静、动态特性的影响；建立了电磁铁的有限元数 值分析模型，通过仿真详细阐述了电磁铁结构参数的作用机理，结合磁路分析结果明确 了电磁铁的具体结构参数，指出了电磁铁的工作特点；搭建了测试平台，实测了电磁铁 的静、动态工作特性，并与仿真结果作了对比；介绍了电磁铁的功率驱动电路，对设计 的p w m 式双路反接卸荷式功率放大器的工作原理和特点进行了重点阐述。 第四章对不同种类耐高压角度传感器的结构及性能特点进行了比较分析，归纳了感 应线圈励磁方式，耐压导套结构，工作气隙类型，转子形状等结构要素对传感器工作特 性的影响；在此基础上提出了新型耐高压电涡流角度传感器的结构，分析了其结构特点 和工作原理；并就其关键技术如耐压导套材料选择以及驱动电路设计进行了详细论述。 第五章建立了耐高压电涡流角度传感器的等效电路模型和有限元分析模型，通过仿 真详细阐述了传感器结构参数的作用机理，分析了参数变化对传感器工作特性的影响， 在此基础上确定了电涡流角度传感器的具体结构参数；讨论了传感器产生温漂的原因， 介绍了无感线圈全桥回路温度补偿方法和新型差动电涡流式角度传感器结构；搭建了测 试平台，实测了传感器的电感特性，全桥输出特性和温漂。 第六章结合耐高压双向旋转比例电磁铁和耐高压电涡流角度传感器，提出了不带角 度反馈和带角度反馈两种结构形式的回转直动式电液伺服阀，对其工作原理和性能特点 进行了分析；建立了转阀的传递函数式，采用m a t l a b 构建了数值仿真模型，对转阀 的静、动态特性进行了仿真研究，阐述了结构参数和角度反馈对转阀工作特性的影响。 第七章概括了全文的主要研究工作和成果，并展望了今后需进一步研究的工作和方 向。 关键词：电液伺服控制系统；电液伺服转阀；直动式伺服阀；旋转比例电磁铁；角度 传感器；耐高压；电涡流；磁路；磁场；有限元；仿真与实验。 a b s t r a ( y r a b s t r a c t w i t hl a r g ep o w e r w e i g hr a t i o ，f a s tr e s p o n s e ，h i g l li m m u n i t yt ol o a dv a r i a t i o n sa n dh i 曲l e v e lo f c o n t r o lp r e c i s i o n ，t h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n ss u c h a s m e t a l l u r g y , m i n i n g , m a r i n e ，c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ya n da e r o s p a c e a sk e y c o m p o n e n t so fa ne l e c t r o h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o ls y s t e m ，t h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e n ov a l v e sc a nt r a n s f e r l o w - p o w e re l e c t r i c a ls i g n a lt ol a r g e p o w e rh y d r a u l i co u t p u tq u i c k l ya n dp r e c i s e l y , a n dh a v ead i r e c t i n f l u e n c eo np e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h o l es e l n os y s t e m r o t a r yd i r e c t - d r i v es e r v ov a l v e ， d u et oi t s c o m p a c ts t r u c t u r e ，f a s tr e s p o n s e ，h i g hf l o wr e s o l u t i o n , z e r oa c c e l e r a t i o nd r i f ta n de a s y m a i n t e n a n c e ，h a sc o m et ob ea ni m p o r t a n tt r e n di nf l u i dp o w e rt r a n s m i s s i o na n dc o n t r 0 1 i m p r o v i n gt h e w o r k i n gp e r f o r m a n c e o ft h e r o t a r y s e r v ov a l v e ，w i l le n h a n c et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h e e l e c t r o h y d r a u l i cs e l n os y s t e m is a t i s f y i n gt h em a r k e tr e q u i r e m e n t sa n dp u s h i n ga d v a n c e m e n ti nt e c h n i q u e s o ff l u i dp o w e rt r a n s m i s s i o na n dc o n t r 0 1 b a s e do nt h e o r ya n a l y s i s ，a n a l y t i c a lc o m p u t a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d y , n l e r o t a r yd i r e c t - d r i v e s e r v ov a l v ei s s y s t e m a t i c a l l y , d e e pa n a l y z e da n d r e s e a r c h e di nt h et h e s i s a h i g h - p r e s s u r eb i - d i r e c t i o n a lr o t a r yp r o p o r t i o n a ls o l e n o i dw i t hp e r m a n e n t m a g n e tp o l a r i z i n g , r i n gt y p e w o r k i n ga i r - g a pa n dm o v i n g - m a g n e tr o t o r , i sp u tf o r w a r d i tw o r k si nd i f f e r e n t i a lm o d ew i t ht h ep o l a r i z i n g a n dc o n t r o lf l u xi n t e r a c t i o n s w i t hm a g n e t i cc i r c u i ta n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，t h ea c t i o n m e c h a n i s ma n dm a t c h i n gr e l a t i o n so ft h es o l e n o i ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h es o l e n o i dh a sp o s i t i v em a g n e t i cs t i f f n e s sa n do u t p u tt o r q u e so fi - o 6 5n m w i t ht h et o r q u en o n - l i n e a r i t ya n da n g l en o n l i n e a r i t yl e s st h a nl a n do 5 r e s p e c t i v e l ya t4 - 5 0w o r k i n g r a n g e i t st o r q u eh y s t e r e s i sa n da n g l eh y s t e r e s i si sl e s st h a n4 5 a n d4 r e s p e c t i v e l ya n dt h e 行e q u e n c y b a n d w i d t hi s19 0h z f o ri m p r o v i n gt h ec o n t r o lp r e c i s i o no ft h er o t a r ys e r v ov a l v e ，ah i g h - p r e s s u r ee d d y c u r r e n ta n g l es e n s o ri sa l s o p r e s e n t e d a no b l i q u er i n g - s h a p e ds e n s i n g c o i la n das y m m e t r i c s e m i - c y l i n d r i c a lr o t o ra r eu t i l i z e d ，m a k i n gt h ec o i li m p e d a n c ea n dt h eo u t p u tv o l t a g ep r o p o r t i o n a lt ot h e a n g u l a rd i s p l a c e m e n t s b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s e so ft h es e n s o rt e m p e r a t u r ed r i f t , t h ed i f f e r e n t i a le d d y c u r r e n ta n g l es e n s o rs t r u c t u r ea n dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nm e t h o de m p l o y i n gn o n - i n d u c t i v ec o i la n d b r i d g ec i r c u i ta r ea l s op r e s e n t e d ，a c h i e v i n gb e t t e rt e m p e r a t u r es t a b i l i t y t h em e a s u r e da n ds i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h es e n s o rh a sal i n e a rw o r k i n gr a n g eo f5 0 。w i t hi n d u c t a n c es e n s i t i v i t y7 7x10 - 4 m h d e g r e ea n dv o l t a g es e n s i t i v i t y9 8m v o i t sn o n - l i n e a r i t yi sl e s st h a n0 8 a tw o r k i n gr a n g e4 0 0 - 7 0 。， a n dt h et e m p e r a t u r el e s st h a n1 o v e r3 0 0 c - 9 0 0 c t o g e t h e rw i t ht h eh i g h - p r e s s u r eb i d i r e c t i o n a lr o t a r y p r o p o r t i o n a ls o l e n o i da n dt h eh i g h p r e s s u r ee d d yc u r r e n ta n g l es e n s o r , t w ot y p e so fr o t a r yd i r e c t - d r i v e s e r v ov a l v e ，o n ew i t ha n do n ew i t h o u ta n g u l a rd i s p l a c e m e n tf e e d b a c k , a r er a i s e d b a s e do ns i m u l a t i o n ，t h e s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o t a r yv a l v ea r ea n a l y z e d , a n dt h ei n f l u e n c eo ft h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r sa n da n g l ef e e d b a c ki sa l s op r e s e n t e d t h em a i nc o n t e n to f e a c hc h a p t e ri ss u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： i nc h a p t e r1 ，t h er e s e a r c hp r o g r e s so fe l e c t r i c a l m e c h a n i c a lc o r l v e r t e r a n g l es e n s o ra n dr o t a r yv a l v e ， w h i c hc o n s t i t u t i n gt h ew h o l er o t a r yd i r e c t d r i v ev a l v e ，i si n t r o d u c e d t h ed e s i g nf e a t u r ea n dd e v e l o p m e n t n e n do f t h ew h o l er o t a r yd i r e c t - d r i v ev a l v ea n di t sk e yc o m p o n e n t sa r es u m m a r i z e d i nc h a p t e r2 ，t h eb i - d i r e c t i o n a lr o t a r ye l e c t r i c a l - m e c h a n i c a lc o n v e n e r sa r ec l a s s i f i e db yd i f f e r e n t s t r u c t u r e s b a s e do nm a g n e t i cc i r c u i tp r i n c i p a l ，t h em a g n e t i cc i r c u i tm o d e l so fd i f f e r e n tk i n d so ft o r q u e m o t o r sa r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h ea n a l y t i c a lf u n c t i o n sd e s c r i b i n gt h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es o l e n o i da r e a l s od e d u c e d t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft o r q u em o t o r sa r ec o m p a r e da n dt h ee f f e c t so fm a g n e t i z a t i o n i h 浙江大学博士学位论文 t y p e ，a i r - g a ps h a p e ，r o t o rs t y l ea n dp o l a r - f a c e f o r ma l es u m m a r i z e d t h e nan o v e l h i g h - p r e s s u r e b i - d i r e c t i o n a lp r o p o r t i o n a ls o l e n o i di sp r e s e n t e d ，a n di t sw o r k i n gp r i n c i p a l sa r ea n a l y z e d t h ek e y t e c h n o l o g l e so ft h es o l e n o i d , i n c l u d i n gh i g h - p r e s s u r es t r u c t u r ed e s i g n , p e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l ，s o f t m a g n e tm a t e r i a l ，e x c i t a t i o nc o i la n dl o a d i n gs p r i n g , a l ea l s od i s c u s s e d i nc h a p t e r3 ，t h em a g n e t i cc i r c u i tm o d e lo ft h eh i g h - p r e s s u r eb i - d i r e c t i o n a lp r o p o r t i o n a ls o l e n o i di s e s t a b l i s h e d , a n dt h ei n f l u e n c e so fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e db a s e do nt h ed e d u c e ds t a t i ca n d d y n a m i ca n a l y t i c a lf u n c t i o n s t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h es o l e n o i di sa l s oe s t a b l i s h e da n dt h ea c t i o n m e c h a n i s mo ft h es o l e n o i ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r si sa n a l y z e di nd e t a i l t o g e t h e rw i t ht h em a g n e t i cc i r c u i t a n a l y s i sr e s u l t s ，t h es p e c i f i c s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d t h e nt h es t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h es o l e n o i da l em e a s u r e da n dc o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s f u r t h e r m o r et h e p o w e ra m p l i f i e r sf o rs o l e n o i d sa 他i n t r o d u c e d ，a n dt h ew o r k i n gp r i n c i p a l so ft h ep w md o u b l e - w a y i n v e r s e r e l i e fp o w e ra m p l i f ya r ea n a l y z e d i nc h a p t e r4 ，t h es t r u c t u r a lf e a t u r e sa n dw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tk i n d so fh i g h - p r e s s u r e a n g l es e n s o ra r ec o m p a r e d ，a n dt h ee f f e c t so fc o i lm a g n e t i z a t i o nt y p e ，s l e e v es t r u c t u r e ，a i r - g a pt y p ea n d r o t o rs t y l eo ns e n s o rc h a r a c t e r i s t i c sa r es u m m a r i z e d t h e nan o v e lh i g h p r e s s u r ee d d yc u r r e n ta n g l es e n s o r i sp r e s e n t e d ，a n di t so p e r a t i o np r i n c i p a l sa n ds t r u c t u r a lf e a t u r e sa r ea n a l y z e d t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h e s e n s o r , i n c l u d i n gt h es l e e v em a t e r i a la n ds e n s o rd r i v i n gc i r c u i t ，a r ca l s od i s c u s s e d i nc h a p t e r5 t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e la n df i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eh i g h - p r e s s u r ee d d yc u r r e n t a n g l es e n s o ra r ee s t a b l i s h e d , a n dt h ea c t i o nm e c h a n i s mo f t h es e n s o rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r si sa n a l y z e di n d e t a i lb a s e do ns i m u l a t i o n t h es p e c i f i cs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f t h es e n s o ra l ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h e f e ms i m u l a t i o nr e s u l t s b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s e so ft h es e n s o rt e m p e r a t u r ed r i f t , t h ed i f f e r e n t i a le d d y c u r r e n ta n g l es e n s o rs t r u c t u r ea n dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nm e t h o de m p l o y i n gn o n - i n d u c t i v ec o i la n d b r i d g ec i r c u i ta r ea l s op r e s e n t e d t h ei n d u c t a n c e ，b r i d g ec i r c u i to u t p u ta n dt e m p e r a t u r ed r i f tc h a r a c t e r i s t i c s o ft h es e n s o ra r em e a s u r e dw i t l la ne x p e r i m e n tp l a t f o r m i nc h a p t e r6 ，b a s e do nt h eh i g h - p r e s s u r eb i - d i r e c t i o n a lp r o p o r t i o n a ls o l e n o i da n dt h eh i g h - p r e s s u r e e d d yc u r r e n ta n g l es e n s o r , t w ot y p e so fr o t a r yd i r e c t d r i v es e r v ov a l v e o n ew i t ha n do n ew i t h o u ta n g u l a r d i s p l a c e m e n tf e e d b a c k , a r ep u tf o r w a r d i t sw o r k i n gp r i n c i p a l sa n dp e r f o r m a n c ef e a t u r e sa r ed i s c u s s e d , a n dt h et r a n s f e rf u n c t i o n sa r ca l s og i v e n t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o t a r yv a l v ea r e a n a l y z e db a s e do nm a t l a bn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l ，t h e nt h ee f f e c t so ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n d a n g l ef e e d b a c ko nv a l v ep e r f o r m a n c ef e a t u r e sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l i nc h a p t e r7 ，a l la c h i e v e m e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hw o r ki sp u t f o r w a r d k e yw o r d s ：e l e e t r o h y d r a u l i es e r v oc o n t r o ls y s t e m ；r o t a r ye l e c t r o h y d r a u l i es e r v ov a l v e ；d i r e e t d r i v es e r v ov a l v e ；r o t a r yp r o p o r t i o n a ls o l e n o i d ；a n g l es e n s o r ；, h i g hp r e s s u r e ；e d d yc u r r e n t ； m a g n e t i cc i r c u i t ；m a g n e t i cf i e l d ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎婆盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学在论文作者签名：彳蚓 签字日期： 工护矿年月一2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘婆盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权迸婆盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：彳垒到 签字日期：，z 矿年月二7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名了r 导师签名： lr u、一 签字日期：。占年否月彳日 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了回转式电液伺服阀的作用、构成、分类和原理特点，就其研究现状从电 一机械转换器，角度传感器和转阀功率级三方面进行了详细的阐述，分析总结了回转式 电液伺服阀及其关键元件的结构特点和发展趋势；概述了液动力补偿和线圈散热技术的 相关进展；简要概括了本课题的研究意义、研究难点和主要研究内容 1 1 回转电液伺服阀的作用、构成、分类及原理特点 电液伺服控制系统较传统的机械式控制系统，具有功率重量比大，系统响应快， 固有频率高，通频带宽，负载刚性大，控制精度高等优点，广泛应用于冶金，矿山，船 舶，工程机械，航空航天等工业控制领域。作为电液伺服控制系统的核心元件，电液伺 服阀将小功率的电信号输入转换为大功率的液压能( 流量和压力) 输出，控制液压执行 元件动作，实现电控信号的转变和放大。现代电液伺服控制系统对电液伺服阀的线性度， 频宽，控制精度，稳定性等特性指标提出了更高的要求，伺服阀性能好坏直接影响伺服 系统的工作特性及功能实现【m 。 作为电液伺服阀的一个子类，回转式电液伺服阀具有结构简单紧凑、流量分辨率高、 无加速度零飘、抗污染能力强及维护方便的特点，其典型结构如图1 1 所示。它主要由 回转式电一机械转换器，先导级，功率级，角度传感器等几部分构成。回转式电一机械 转换器将输入控制电信号转换为力矩，产生角位移驱动先导级；先导级通过控制功率级 上作用的液压力大小，实现液压能的前置放大；功率级主阀芯在先导级作用下输出液压 系统所需的流量或压力，实现功率放大；角度传感器检测功率级阀芯位移，实现反馈闭 环控制。 图1 1 回转式电液伺服阀结构组成 回转式电液伺服阀按液压放大级数分类，主要有单级阀和多级阀两种。单级阀结构 简单，响应快，抗污染能力强，可靠性高，制造成本和工艺要求低，调整简单方便。由 于液动力对主阀芯动作的影响，降低了电一机械转换器的有效输出力矩，使单级阀输出 流量通常较小。多级阀制造加工复杂，成本昂贵，油液品质要求高，维护成本高，可靠 性较低，不过输出流量大，适合控制大功率的液压执行器件。 浙江大学博士学位论文 按照功率级结构形式的不同，回转式伺服阀可分为旋塞式、转轴式和转板式三种。 旋塞式转阀结构简单，维护方便，不过其阀芯转子受力不平衡，仅适用于低压场合；转 轴式转阀的阀芯、阀套具有对称布置的阀口，能够平衡阀芯上的径向液压力，适用于高 压场合，不过其加工工艺要求和制造成本较高；转板式转阀的控制油口采用轴向布置形 式，原理与一般的平板阀相似，其加工工艺要求和制造成本较低，易于实现小型化和模 块化【5 - 1 0 1 。 角度传感器是电液伺服转阀的关键元件，它能够将阀芯位置转变成模拟量，以电信 号形式反馈给控制电路处理。对提高回转式电液伺服阀的控制精度具有重要意义。按照 阀用角度传感器结构形式和原理的不同，主要包括磁敏元件式角度传感器和磁电式角度 传感器两大类。其它种类的角度传感器经过结构改进，也可应用于液压领域【“以2 】。 ( 一) 磁敏元件式角度传感器 磁敏元件式角度传感器基于霍耳元件，磁敏电阻等磁敏元件工作，具有结构简单紧 凑，响应快，分辨率高的特点。通过结构的合理设计以及制造材料的适当选用，磁敏式 角度传感器易于扩展成耐高压类型。不过该传感器通常采用永磁励磁方式，工作时存在 温度稳定性问题。 ( 二) 磁电式角度传感器 磁电式角度传感器主要包括电感式和电涡流式角度传感器两大类，它们都基于感应 线圈感抗变化工作。电感式角度传感器技术成熟，测量量程大，差动方式工作的旋转变 压器式角度传感器( r v d t ) 更具有分辨率高，精度高，温漂小的特点；不过电感式传 感器的磁路中包含软磁材料，材料的磁滞损耗和涡流损耗抑制了传感器的响应速度，工 作频宽较低。涡流式角度传感器基于电涡流效应工作，通过在高电导率材料上感生电涡 流，激发涡流场进而影响线圈阻抗变化。由于在工作磁路中不含软磁材料，电涡流式角 度传感器具有很高的工作频宽，一般大于i k h z 。不过相对与电感式传感器，其线性工 作范围较小，成熟的工业产品较少。 回转式电一机械转换器同样为电液伺服转阀的关键元件，阀的关键性能指标( 滞环， 死区，增益，频响等) 与电机械转换器的特性密切相关。根据其结构型式和性能特点， 主要可分为以下几类0 3 0 2 0 ： ( 一) 动铁式电一机械转换器 动铁式电一机械转换器是基于由软磁或硬磁材料制成的衔铁在磁场中受力的原理 工作的，包括动铁式力矩马达，回转比例电磁铁和步进电机等。通过在偏置磁通上叠加 控制磁通，动铁式电一机械转换器能够实现双向差动工作方式，改变控制磁通的大小和 方向，就可输出正负力矩。目前，动铁式力矩马达是多级电液伺服阀先导级驱动应用最 广泛的一种电机械转换器，具有响应快，体积小，灵敏度高等优点；不过其推力较小， 线性范围窄。回转比例电磁铁的推力重量比大，结构紧凑，可直接驱动功率级阀芯；不 过其不耐高压，只能采用动密封方式驱动阀芯动作，而且频响较低。步进电机可以开环 2 第一章绪论 控制，输入信号为数字信号便于与计算机联接，结构简单，维护方便；由于步进电机步 距角的影响，由其驱动的伺服阀流量分辨率较低，控制精度有限。 ( 二) 动圈式电一机械转换器 动圈式电一机械转换器是基于载流导体( 即动圈) 在磁场中受力的原理而工作的。 通过改变置于均匀工作磁场中动圈的电流方向和大小，动圈式转换器可实现双向比例控 制。工作磁场励磁方式有电励磁和永磁励磁两种，电励磁能耗高，不过工作磁场大小可 通过励磁电流控制，主磁通磁阻也较小；永磁励磁能耗低，结构紧凑，不过工作磁场特 性受环境温度影响较大。动圈式电一机械转换器优点在于线性工作范围宽，滞环小；然 而其体积较大，输出功率较大时存在散热问题，若动圈径向尺寸较大或者带有转子铁心， 转换器频响将难以提高，这是普通伺服电机频响较低的主要原因。 ( 三) 基于功能材料的电一机械转换器 此种电一机械转换器基于功能材料如压电陶瓷、电致伸缩材料、超磁致伸缩材料等 所具有的特殊物理特性设计而成。一般具有响应快、输出力力矩大等优点，但也存在 体积功率比小、输出转角小等不足。 1 2 关键元件国内外研究进展 1 2 1 回转式电一机械转换器 ( 一) 动磁式力矩马达 控制线圈 图1 - 2 动磁式力矩马达( 径向励磁) 控制线圈 输出轴偏置磁通 图1 3 动磁式力马达 该力矩马达由美国h s c 控制有限公司的b u s c h e r 设计发明【2 l - 2 2 ，结构如图1 2 所示， 主要由双e 型定子扼铁，控制线圈，板式永磁衔铁，支撑轴和弹簧管构成。板状永磁 体被两块软磁盖板夹在中间，构成转子衔铁，所产生的偏置磁通如图中箭头所示。线圈 浙江大学博士学位论文 绕在双e 型扼铁的上臂，通入电流产生控制磁通。工作方式与传统型力矩马达类似， 当控制电流为零时，四个工作气隙中偏置磁通的大小相同，所产生力矩相互平衡，衔铁 停留在中位；当线圈通入控制电流后，工作气隙磁通互有增减，衔铁由于作用的净力矩 不为零而发生偏转，直到此净力矩与弹簧管弹性反力矩和负载力矩平衡时为止。该力矩 马达具有频响高，抗加速度零飘性能好的特点，此外，由于控制线圈并非绕在衔铁上， 它能够提供比传统力矩马达更大的线圈置放空间，使衔铁转动范围不受线圈位置限制， 从而改善控制线圈的散热条件，提高控制磁通大小。永磁体靠近工作气隙，使偏置磁通 经过路径较传统型大为缩短，减少了偏置磁通漏磁损耗，结构紧凑，工作效率较高。 在当前结构下，只要改变软磁盖板的形状及磁体的放置方向，就能够方便的将力矩 马达改装成力马达( 图1 3 ) 。当控制磁通和偏置磁通相互作用时，作用在衔铁上的是 力而非力矩，此力与弹簧反力和负载力相互配合，就可以输出位移。该力矩马达( 力马 达) i 作行程短，输出力矩( 力) 小，制造精度要求高，价格昂贵，适合驱动高频伺服 阀的先导级。 永 酚 肾承 、 晷 苞 v 埭 r o 1 8 0 3 6 0 转角( 。) 图1 - 4 动磁式力矩马达( 轴向励磁) 图1 5 永磁极面结构示意图图1 - 6 力矩一转角特性 b u s c h e r 设计的力矩马达与传统力矩马达相似，控制磁通和偏置磁通方向都和衔铁 转轴垂直( 径向励磁) ；磁通方向与转子转轴方向保持平行( 轴向励磁) 同样可以实现 力矩马达的差动回转工作方式，此类型马达的一个实例如图1 4 所示。它由日立公司的 f u n f i o 设