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旋转直接驱动电液压力伺服阀的设计研究

钱占松

【摘要】旋转直接驱动电液压力伺服阀的显著特点是阀芯由有限转角力矩电机直

接驱动,滑阀级输出负载压力.对该阀进行了原理分析、数学建模,并且根据数学模型

进行了仿真分析,设计了控制器结构,分析了控制器中各参数对该阀性能的影响,对该

阀的静态特性和动态特性进行了试验研究,试验结果与仿真结果基本一致,性能达到

了目前国内其他形式压力伺服阀的水平,推动了国内力控制系统的发展.

【期刊名称】《液压与气动》

【年(卷),期】2015(000)011

【总页数】5页(P90-94)

【关键词】旋转直驱;压力伺服阀;RDDPV;性能

【作者】钱占松

【作者单位】南京机电液压工程研究中心航空机电系统综合航空科技重点实验室,

江苏南京210061

【正文语种】中文

【中图分类】TH137

引言

电液伺服阀是电液控制系统的关键元件，作用是将输入的小功率电信号转换为液压

信号，液压信号直接或间接驱动负载运动。电液力控制系统是电液伺服系统的一种，

并且已经在工程广泛应用，如疲劳试验加载系统、飞机防滑刹车系统、电液施力系

统[1]及负载模拟系统。目前飞机电子防滑刹车系统采用电液压力伺服阀作为压力

控制元件[2]。电液压力伺服阀中绝大多数采用两级伺服阀结构，第二级都为滑阀

功率放大部分，第一级实现电液转换和功率放大，第一级液压放大部分大多数采用

喷嘴-挡板结构[3]，少数采用射流管式，喷嘴-挡板式。压力伺服阀虽性能优良，

但使用条件苛刻，抗污染能力较弱，射流管式压力伺服阀虽抗污染能力较强[4]，

但其内漏大，力矩马达焊接数太多，抗振动零漂能力差。旋转直接驱动电液压力伺

服阀(RotateDirectDrivePressureServo-valve，简称RDDPV)克服了以上缺点，

具有可程化的高可靠性、高抗污染能力和高动态响应等优点，目前国内尚未出现类

似产品，此研究将弥补国内对该项技术研究的空白。

1RDDPV伺服阀工作原理

RDDVP伺服阀主要由有限转角力矩电机(含角位移传感器)、主滑阀副(包括阀芯、

阀套和壳体)、压力传感器、电子控制器组成，其工作原理如图1所示。当电子控

制器不供电时，弹簧将阀芯顶在最右侧，此时工作腔接通回油腔，伺服阀输出压力

为零；当电子控制器供电，并且伺服阀输入指令信号为0时，阀芯处于零位，伺

服阀输出压力也为零；当伺服阀输入非零正指令信号时，电子控制器接受指令信号，

经过计算，输出PWM信号驱动压力伺服阀的有限转角力矩电机做旋转运动，电

机转轴末端的偏心机构将电机的旋转运动转化为阀芯(压力输出级)的直线运动，伺

服阀输出的压力通过压力传感器反馈至电子控制器对伺服阀形成压力闭环控制，实

现对伺服阀压力输出大小的控制。伺服阀内各部分为线性控制，最终可以实现输出

压力与输入指令信号成正比。

图1RDDPV伺服阀原理图

2RDDPV伺服阀的设计计算

2.1有限转角力矩电机建模

有限转角力矩电机是没有换向器和电刷的直流电机，当外加电压方向不断变化时，

它将在这个有限转角范围内围绕中心线往复摆动，且力矩特性好。其驱动特性遵循

如下方程：

电机基本运动方程：

(1)

式中，T为电机转矩；Tf为负载转矩为电机转速；J为电机转子转动惯量。

感应电动势：

(2)

式中，e为电机电枢绕组中产生的感应电势；Ke为感应电动势系数。

电机输出力矩：

T=Ktia

(3)

式中，Kt为电机力矩系数；ia为电枢电流。

电枢回路电压方程：

(4)

式中，ua为电枢电压；ia为电枢电流；L为电枢等效电感；R为等效电阻；e为

反电势。

由式(1)～式(4)进行拉普拉斯变化，整理可得控制框图如图2所示。

图2有限转角力矩电机控制框图

2.2滑阀部分建模

1)滑阀与阀芯位移的关系

由于电机转角非常小，所以阀芯位移与电机转角关系近似为：

Xv=rθ

(5)

式中,Xv为阀芯位移；r为电机小球中心与电机轴线之间的距离；θ为电机转角。

2)阀芯受力分析

(6)

式中,M为滑阀阀芯质量；Bv为速度阻尼系数；Km为弹簧刚度；Fm为弹簧预压

缩力；FL为阀芯所受液动力。

3)滑阀所受液动力分析

阀芯工作示意图如图3所示。

图3阀芯工作示意图

分析阀芯A工作边，阀芯所受稳态液动力为：

FLA=0.487Wv(pS-pL)Xv

(7)

分析阀芯B工作边，阀芯所