电液伺服阀的发展趋势

目前，新型电液伺服阀技术的发展趋势主要体现在新结构的设计、新材料的采用以及电子化、数字化与液压技术的结合。电液伺服阀技术的发展极大地推动了液压控制技术的发展。20世纪90年代，国外在开发直动式电液伺服阀方面取得了很大成就。目前已形成系列产品，包括Moog的D633、D634系列直动阀，EatonVickers的LFDC5V，德国Bosch的NC10，三菱与日本KYB株式会社联合开发的MK阀，Moog与俄国Voshod工厂联合开发的直动阀。这类伺服阀去掉了一般伺服阀的前置级，采用大功率力矩电机直接拖动阀芯，采用高精度阀芯位移传感器作为反馈。该阀最大的特点是没有前置级，提高了伺服阀的抗污染能力。同时，由于去掉了许多难加工的零件，降低了加工成本，可以广泛应用于工业伺服控制场合。国内一些单位如中国运载火箭技术研究院第十八研究所、北京机床研究所、浙江工业大学等也开发了相关产品的样机。特别是北航开发了转阀直动式电液伺服阀。在这种伺服阀中，普通伺服阀的滑阀的滑动结构转化为滑阀的转动，在阀芯和阀套中相应地开有若干与轴向成一定倾角的滑槽。当阀芯和阀套相互转动时，滑槽相互打开或关闭，从而控制输出压力或流量。由于阀芯和阀套在工作时相互旋转，减小了阀门在工作时的摩擦阻力，污染物不易在旋转滑阀内积聚，提高了抗污染性能。此外，Park公司还开发了“音圈驱动”(VCD)技术和基于该技术的DFplus控制阀。所谓音圈驱动技术，顾名思义就是一种类似于扬声器的驱动装置。其基本结构是一个套在固定圆柱形永磁体上的动圈。当线圈中输入信号电流时，在电磁作用下，线圈中产生与信号电流相对应的轴向力，控制工程网络的版权，驱动与线圈直接相连的阀芯运动，驱动力很大。位移反馈传感器内置在线圈中，所以VCD驱动的DFplus阀本质上是闭环控制，线性度相当好。另外，由于VCD驱动器的运动部件只是动圈，惯性很小，相对运动部件之间没有支撑。DFplus阀的全部支撑就是阀芯与阀体的配合面，大大降低了摩擦这一非线性因素对控制品质的影响。结合以上技术特点和内置的数字控制模块，DFplus阀门的控制性能良好，尤其是在频率响应方面，可以达到400Hz。从发展趋势来看，新型直动式电液伺服阀在某些行业有取代传统伺服阀的趋势，尤其是喷嘴挡板伺服阀，但其最大的问题在于体积大、重量重，只适用于对场地要求不高的工业伺服控制场合。如果能降低其重量和体积，在航空、航天等军工领域也有很大的发展潜力。

此外，近年来，除了力矩电机直接驱动外，伺服阀新的驱动方式也出现了，如步进电机、伺服电机、新型电磁铁、光液直接转换结构的伺服阀等。这些新技术的应用不仅提高了伺服阀的性能，而且为伺服阀的发展开辟了新的思路，为电液伺服阀技术注入了新的活力。目前，新材料在电液伺服阀开发领域的应用主要是基于压电元件、超磁致伸缩材料和形状记忆合金的转换器的开发。他们各有各的优秀特点。

2.1压电元件

压电元件的特点是“压电效应”:在一定的电场作用下，形状和大小会发生变化，在一定范围内，变形量与电场强度成正比。压电元件的主要材料是压电陶瓷(PZT)和电致伸缩材料(PMN)。典型的压电陶瓷材料是日本TOKIN公司的叠层压电伸缩陶瓷。PZT直动式伺服阀的原理是阀芯两端分别通过钢珠连接两个多层压电元件。压电材料膨胀和收缩，通过压电效应驱动阀芯移动。从而实现机电转换。PMN喷嘴挡板伺服阀在喷嘴处设置有与压电叠堆固定连接的挡板，通过压电叠堆的伸缩来增大或减小挡板与喷嘴之间的间隙，从而在阀芯两端产生压力差，推动阀芯移动。目前，压电机电转换器的发展已经成熟，并得到了广泛的应用。它具有频响快控制工程网络版权的特点，伺服阀的带宽甚至可以达到几千赫兹，但也存在迟滞大、易漂移的缺点，制约了压电元件在电液伺服阀中的进一步应用。

2.2超磁致伸缩材料

与传统的磁致伸缩材料相比，超磁致伸缩材料(GMM)在磁场作用下可以产生大得多的长度或体积变化。利用GMM转换器研制的直动式伺服阀，是将GMM转换器与阀芯相连，通过控制驱动线圈的电流来控制伺服阀的输出流量，带动GMM伸缩，带动阀芯位移。与传统的伺服阀相比，该阀不仅具有频响高的特点，而且具有精度高、结构紧凑的优点。目前，美国、瑞典和日本在GMM的开发和应用方面处于领先水平。中国浙江大学利用GMM技术，设计了气动喷嘴挡板阀和内燃机燃油喷射系统高速强力电磁阀的结构并研究了其特性。从目前的情况来看，GMM材料与压电材料和传统磁致伸缩材料相比，具有应变大、能量密度高、响应速度快、输出力大的特点。世界各国都非常重视GMM机电转换器及相关技术的研究。GMM的技术水平发展迅速，已从实验室开发阶段逐步进入市场开发阶段。未来需要解决GMM的热变形、磁晶各向异性、材料腐蚀、制造工艺和参数匹配等问题，才能在高科技领域得到广泛应用。

2.3形状记忆合金

形状记忆合金的特点是具有形状记忆效应。在高温下成型后，冷却至低温，对其施加外力。一般金属超过其弹性变形后会永久变形，但SMA在加热到一定温度以上后，会在高温下恢复原来的形状。利用其特性研制的伺服阀是在阀芯两端增加一组由形状记忆合金缠绕的SMA致动器，通过加热和冷却来驱动SMA致动器，使阀芯两端的形状记忆合金可以伸长或收缩，驱动阀芯运动，并增加位置反馈来提高伺服阀的控制性能。从阀门的情况来看，SMA虽然变形量大，但是响应速度慢，变形不连续，这也限制了它的应用范围。

与传统的伺服阀相比，采用新材料的电-机械转换器研制的伺服阀一般具有频响高、精度高、结构紧凑等优点。虽然还有一些关键技术有待解决，但新功能材料的应用和发展为电液伺服阀的技术发展提供了新的途径。目前，将电子和数字技术应用于电液伺服阀技术主要有两种途径:一是在电液伺服阀的模拟控制元件中加入D/A转换装置，实现其数字控制。随着微电子技术的发展，可以在阀体内部安装控制元件，通过计算机程序控制阀门的性能，实现数字补偿等功能。但是模拟电路存在零点漂移和温度漂移等问题，需要增加D/A转换接口。第二，直动式数字控制阀。通过用步进电机驱动阀芯，将输入信号转换成电机的步进信号来控制伺服阀的流量输出。该阀具有结构紧凑、速度和位置开环可控、直接数字控制等优点，应用广泛。但是，当需要实时控制时，如传统的步进法，无法兼顾量化精度和响应速度的要求。浙江工业大学采用连续跟踪控制的方法，消除了两者之间的矛盾，获得了良好的动态特性。此外，还有许多数字伺服阀产品是由DC力矩电机直接驱动阀芯，实现数字控制和其他控制方法或伺服阀结构变化而形成的。

随着各种技术水平的发展，采用新的传感器和计算机技术，开发了集机械、电子、传感器和计算机自管理(故障诊断和排除)于一体的新型智能伺服阀。这种伺服阀可以根据系统的需要确定控制目标:速度、位置、加速度、力或压力。根据控制要求，同一伺服阀可设置为流量控制伺服阀、压力控制伺服阀或流量/压力复合控制伺服阀。此外，伺服阀的控制参数，例如流量增益、流量增益特性和零点，可以根据控制性能优化的原则来设定。伺服阀本身的诊断信息和关键控制参数(包括伺服阀的工作环境参数和内部参数)能及时反馈给主控制器；伺服阀可以被监控、诊断和远程控制。在上位机调试过程中，控制工程网络是有版权的，伺服阀的控制参数可以通过总线口下载，也可以由上位机直接设定，使伺服阀与控制系统达到最佳匹配，优化控制性能。伺服阀控制参数的下载和更新甚至可以在主机运行时进行。在伺服阀和控制系统的应用发展中，嵌入式技术已经成为伺服阀的现实。根据嵌入式系统，应该定义为“嵌入在目标系统中的专用计算机系统”。嵌入式、专用性和计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素。它是在传统的伺服阀中嵌入专用的微处理器芯片和相应的控制系统，根据客户的具体应用要求，构建具有最优控制参数的伺服阀，相应的控制任务(如各控制轴的同步控制)由阀门本身的控制系统完成，然后嵌入到整个大型液压控制系统中。根据目前的技术发展和液压控制系统对伺服阀的要求，控制工程网络是有版权的，伺服阀的自诊断和自检测功能应进一步开发。