电液伺服控制技术

一．电液伺服阀概论1.1电液伺服阀基本知识电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件，它能够把微小的电气信号转换成大功率的液压能（流量和压力）输出。从而实现了一些重型机械设备的伺服控制[1]。液压伺服系统是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。伺服阀输入信号是由电气元件来完成的。电气元件在传输、运算和参量的转换等方面既快速又简便，而且可以把各种物理量转换成为电量。所以在自动控制系统中广泛使用电气装置作为电信号的比较、放大、反馈检测等元件；而液压元件具有体积小，结构紧凑、功率放大倍率高，线性度好，死区小，灵敏度高，动态性能好，响应速度快等优点，可作为电液转换功率放大的元件。因此，在一控制系统中常以电气为“神经”，以机械为“骨架”，以液压控制为“肌肉”最大限度地发挥机电、液的长处。电液伺服阀的种类很多，根据它的结构和机能可作如下分类：1）按液压放大级数，可分为单级伺服阀、两级伺服阀和三级伺服阀，其中两级伺服阀应用较广。2）按液压前置级的结构形式，可分为单喷嘴挡板式、双喷嘴挡板式、滑阀式、射流管式和偏转板射流式。3）按反馈形式可分为位置反馈、流量反馈和压力反馈。4）按电-机械转换装置可分为动铁式和动圈式。5）按输出量形式可分为流量伺服阀和压力控制伺服阀。6）按输入信号形式可分为连续控制式和脉宽调制式[2]。电液伺服阀本身是一个闭环控制系统，一般由下列部分组成：（1）电－机转换部分；（2）机－液转换和功率放大部分；（3）反馈部分；（4）电控器部分。大部分伺服阀仅由前三部分组成，只有电反馈伺服阀才含有电控器部分。随着科学技术的突飞猛进，自动控制技术已经渗透到各个领域，并得到了更加广泛的应用。由于电－液伺服阀能将微弱的电控信号按比例转换成极大的液压功率[3]，从而使电子技术同液压技术有机的结合起来。且伺服阀具有控制精度高、响应快、体积小、重量轻，能适应脉冲调制和模拟量调制等优点，所以在各种电液伺服控制系统中得到了极广泛的应用，同时还因伺服阀在控制系统中起着有如“心脏”的作用，因而受到特别重视。电液伺服阀是五十年代初为适应导弹和空间技术的需要而发展起来的，目前除了用于航空、航天、航海、尖端武器等军事领域外，随着计算机技术的普及，该产品已广泛应用于冶金、化工、机械制造、矿山、汽车、电力系统、纺织、塑料、机器人、实验设备以及各种非标系统等领域中。1.2伺服阀和比例阀的区别比例阀多为电气反馈，当有信号输入时，主阀芯带动与之相连的位移传感器运动，当反馈的位移信号与给定信号相等时，主阀芯停止运动，比例阀达到一个新的平衡位置伺服阀，阀保持一定的输出[5]；伺服阀有机械反馈和电气反馈两种，一般电气反馈的伺服阀的频响高，机械反馈的伺服阀频响稍低，动作过程与比例阀基本相同。区别：一般比例阀的输入功率较大，基本在几百毫安到1安培以上，而伺服阀的输入功率较小，基本在几十毫安；比例阀的控制精度稍低，滞环较伺服阀大，伺服阀的控制精度高，但对油液的要求也高。结构上比例阀的阀芯是靠电磁力和液压力及弹簧力来实现平衡的，而伺服阀是靠液压力来平衡的，所以比例阀在控制大流量高压力上没有优势；还有比例阀最早的产品是开式的，这应该是为什么叫比例阀的原因；在应用上，伺服阀用的更广，不仅能够用于精确的位置，速度等控制，还具有随动作用，所以像你开的汽车助力转向就是一个随动伺服系统，这是比例阀难以实现的。实现油缸上下运动可以通过阀在不同位置而使得油路切换而实现，这样的阀采用普通换向阀就可以实现了，而伺服或者比例阀的作用是不仅可以控制油缸的方向，还可以精确控制阀的开度，从而可以精确控制流量（工作状态保持不变下）[6]。阀的反馈只能决定阀是否精确到位，而并不能控制系统的状态，因为即使阀的开度准确，但是真正到作动器内的流量也受到泵压力、管路消耗、负载变化等等多种因素的影响，因而要实现精确的位置或者速度控制，还需要另外一个避环回路——系统避环，针对位置和速度，现在有成型的速度和位置控制板来实现。比例阀没有了伺服阀的阀芯位置避环，它是靠较大的、精确控制供给比例阀芯的电流量来控制相对准确的阀芯位置而简化的设计形式。比例阀不用配固定的作动器，精确实现位置和速度控制也还是需要系统避环。比例阀和伺服阀电流输入信号抗干扰强，但相应的价格贵点，内部线圈是可以是一个也有的是两个，很多三位阀只用一个线圈，靠电压反相控制两边位置，三位阀更多的是两个线圈布置在三位阀的两边，但线圈可以是单独控制，也可以是串联或并联控制。其实比例阀和伺服阀现在很难区分，可能驱动方式是唯一差别，伺服阀是力矩马达，比例阀是比例线圈，伺服阀是喷嘴档板，响应高点，比例阀是滑阀，但说到控制精度，比例阀可能还要高点，特别是在两极反馈阀中，因为先导极的比例阀反馈是电位移传感器，而伺服阀是机械式的反馈杆，所以在一些参数如重复精度，滞环，线性度比例阀比伺服阀好，但BODE图上的曲线伺服阀好些比例阀有较大的零位死区（约20％），而伺服阀则无。从控制来说，比例阀不适合于位置控制。因此，我调研了为国内外的伺服阀。1.3电液伺服阀的发展过程压控制技术的历史最早可追溯到公元前240年，当时一位古埃及人发明了人类历史上第一个液压伺服系统——水钟。然而在随后漫长的历史阶段，液压控制技术一直裹足不前，直到18世纪末19世纪初，才有一些重大进展。在二战前夕，随着工业发展的需要，液压控制技术出现了突飞猛进地发展，许多早期的控制阀原理及专利均是这一时代的产物。如：Askania调节器公司及Askania-Werke发明及申请了射流管阀原理的专利。同样，Foxboro发明了喷嘴挡板阀原理的专利。而德国Siemens公司发明了一种具有永磁马达及接收机械及电信号两种输入的双输入阀，并开创性地使用在航空领域[3]。在二战末期，伺服阀是用螺线管直接驱动阀芯运动的单级开环控制阀。然随着控制理论的成熟及军事应用的需要，伺服阀的研制和发展取得了巨大成就。1946年，英国Tinsiey获得了两级阀的专利；Raytheon和Bell航空发明了带反馈的两级阀；MIT用力矩马达替代了螺线管使马达消耗的功率更小而线性度更好。1950年，W.C.Moog第一个发明了单喷嘴两级伺服阀。1953年至1955年间，T.H.Carson发明了机械反馈式两级伺服阀；W.C.Moog发明了双喷嘴两级伺服阀；Wolpin发明了干式力矩马达，消除了原来浸在油液内的力矩马达由油液污染带来的可靠性问题。1957年R.Atchley利用Askania射流管原理研制了两级射流管伺服阀。并于1959年研制了三级电反馈伺服阀。1959年2月国外某液压与气动杂志对当时的伺服阀情况作了12页的报道，显示了当时伺服阀蓬勃发展的状况。那时生产各种类型的伺服阀的制造商有20多家。各生产厂家为了争夺伺服阀生产的霸权地位展开了激烈地竞争。回顾历史，可以看到最终取胜的几个厂家，大多数生产具有反馈及力矩马达的两级伺服阀。我们可以看到，1960年的伺服阀已具有现代伺服阀的许多特点。如：第二级对第一级反馈形成闭环控制；采用干式力矩马达；前置级对功率级的压力恢复通常可达到50%；第一级的机械对称结构减小了温度、压力变化对零位的影响。同时，由早期的直动型开环控制阀发展变化而来的直动型两级闭环控制伺服阀也已出现。当时的伺服阀主要用于军事领域，随着太空时代的到来，伺服阀又被广泛用于航天领域，并研制出高可靠性的多余度伺服阀等尖端产品。与此同时，随着伺服阀工业运用场合的不断扩大，某些生产厂家研制出了专门使用于工业场合的工业伺服阀。如Moog公司就在1963年推出了第一款专为工业场合使用的73系列伺服阀产品。随后，越来越多的专为工业用途研制的伺服阀出现了。它们具有如下的特征：较大的体积以方便制造；阀体采用铝材（需要时亦可采用钢材）；独立的第一级以方便调整及维修；主要使用在14MPa以下的低压场合；尽量形成系列化、标准化产品[7]。然而Moog公司在德国的分公司却将其伺服阀的应用场合主要集中在高压场合，一般工作压力在21MPa，有的甚至到35MPa，这就使阀的设计专重于高压下的使用可靠性。而随着伺服阀在工业场合的广泛运用，各公司均推出了各自的适合工业场合用的比例阀。其特点为低成本，控制精度虽比不上伺服阀，但通过先进的控制技术和先进的电子装置以弥补其不足，使其性能和功效逼近伺服阀。1973年，Moog公司按工业使用的需要，把某些伺服阀转换成工业场合的比例阀标准接口。Bosch研制出了其标志性的射流管先导级及电反馈的平板型伺服阀。1974年，Moog公司推出了低成本、大流量的三级电反馈伺服阀。Vickers公司研制了压力补偿的KG型比例阀。Rexroth、Bosch及其他公司研制了用两个线圈分别控制阀芯两方向运动的比例阀等等。二．电液伺服阀国内研究现状2.1北京航空航天电液伺服阀技术中心2.1.1公司简介网址（/index.asp）中国运载火箭技术研究院第十八研究所（北京航天伺服技术研究所），是航天系统唯一一家具有独立法人资质的伺服技术专业研究所，隶属于中国最大的运载火箭及载入航天飞行器研究、设计、生产基地——中国运载火箭技术研究院，是精密机电控制设备的专业研制单位，是中国航天伺服专业技术中心。研究领域集燃气、液压、机械、电子于一体，从事智能机电及工业自动控制产品的设计、研发和生产，在国际上首创大功率自足式完全整体化电液伺服机构，专业技术跨越了六大技术台阶，创立了一套较为完整的适应中国国情的航天伺服控制技术理论体系。自主开发了34种伺服机构(系统)，形成了以伺服阀、电机、气动机、传感器、超高速涡轮泵和伺服控制器等为代表的200余种伺服配套产品，建立了较为完善的研究试验设施和配套体系。2.1.2LDY系列电液伺服阀介绍工作原理LDY系列电液伺服阀是由电磁力矩马达、双喷嘴—挡板（前置级）和四边滑阀（功率级）组成的电液放大器。当阀压降恒定时，功率级四边阀的阀芯位移和力矩马达的输入电流成正比，负载流量输出也和输入电流成正比。(2)结构特点LDY系列电液伺服阀的结构优点：零点稳定，灵敏度高，零漂小，频带宽，稳定性高，长期工作可靠。用途：适用于位置控制，速度控制，力控制，加速度控制，加速度控制等自动控制系统。LDY系列电液伺服阀结构类型如表2.1所示。表2.1LDY系列电液伺服阀结构类型序号型号结构特点结构原理1LDY6LDY11LDY10LDY15前置级为双喷嘴挡板阀，第二级为四边滑阀，力反馈输出流量与输入电流成正比实现控制。图2.12LDY3前置级为双喷嘴挡板阀，第二级为四边滑阀，第三级为功率四边滑阀。第三级滑阀位置由LVDT电反馈实现闭环控制回路。图2.23LDY5双喷嘴挡板式单级放大，干式力矩马达的电液伺服阀图2.3LDY系列电液伺服阀力反馈结构原理图如图2.1所示。图2.1力反馈结构原理图图2.2大流量三级阀结构原理图2.3小流量单级阀结构原理性能参数液压性能LDY系列电液伺服阀用恒压油源供油。最低供油压力为0.8MPa最高供油压力如表2.2：表2.2最高供油压力系列型号LDY3LDY5LDY11LDY15LDY10LDY6供油压力（MPA）212531.5供油孔实验压力：最高供油压力150%回油孔实验压力：最高供油压力100%工作液体建议使用22号透平油，N46抗磨液压油或其它合适的液压油为工作液体。工作液体应符合ISO4406的15/11～18/14污染等级或NAS7-8级以上的清洁度。工作油液温度最低温度-40℃（由于条件限制温度-40℃以下没有试验过）最高温度+125℃。额定流量额定流量(Ps=7MPa时)[L/min]及零位流量[L/min]见表2.3：表2.3LDY系列电液伺服阀额定流量及零位流量型号LDY3LDY11ALDY11BLDY10LDY15LDY5LDY6额定流量1252503005006380100125150180220801001254102012410204060零位流量<4<3<4<2.5<1.5<1.3电气性能输入电流一般不应超过额定电流。LDY系列电液伺服阀标准线圈参数和线圈连接如表2.4和2.5所示。表2.4LDY系列电液伺服阀标准线圈参数单线圈额定电阻(在25℃测定)额定电流（mA）线圈的近似电感（H）差动、并联、电线圈串联单线圈差动连接串连接并连接650157.51.03.05.01,122030150.300.531.00,278040200.220.400.700.182280400,075表2.5LDY系列线圈连接静态和动态特性流量增益是指控制流量对输入电流的比值。流量对称性和直线性如图2.4所示，常规伺服阀在零区附近(±5%额定输入电流)的流量非线性允许为名义流量增益的50%—200%。额定流量允差为±10%额定流量。流量对称性允差<10%额定流量。滞环允差<3%额定电流。分辨率<0.5%额定电流。图2.4流量对称性和直线性压力增益是指关闭控制腔时（控制流量为零），负载压降随输入电流变化的函数曲线上，负载压降在40%供油压力范围内，曲线上某点的斜率。压力增益特性曲线如图2.5所示。压力增益指标允许在输入1%额定电流时，压力差变化在0%-95%供油压力范围。图2.5压力增益特性曲线零位流量(又称内泄漏)是前置级流量和功率级滑阀泄漏量叠加值。零位流量应小于3%额定流量。如图2.6所示。图2.6零位流量特性零漂是由工作条件或环境变化引起的零位变化。允许零漂值：温度每变化55℃，<±3%额定电流；加速度从0~10g变化时，<±2%额定电流；供油压力从80%~100%额定电压变化时，<±2%额定电流。频率响应伺服阀的频率响应是指无载控制流量对于等幅变频正弦输入电流的复数比。标准产品的频率响应参数如表2.6所示。表2.6标准产品的频率响应参数产品型号LDY3LDY5LDY6LDY10LDY11LDY14LDY15频率[Hz](-3db时)30~10050060~10040~5030~5060~10050~100阶跃响应响应时间常数按输出流量变化从0%-90%计算。当电流阶跃输入为100%，工作供油压力为21MPa时，响应时间参数如表2.7。表2.7响应时间参数产品型号LDY3LDY5LDY6LDY10LDY11LDY14LDY15响应时间[sec]0.003~0.0120.0010.003~0.0060.005~0.0100.005~0.0150.003~0.0060.003~0.0062.2中国航空工业第六零九研究所2.2.1企业介绍网址（/end.asp?id=11）中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心，是由原中国航空工业第六○九研究所整体与金城集团航空业务部分组成，是我国航空机载机电系统产品的科研和专业生产基地，是中国航空工业总公司所属航空机电液压工程研究专业技术的研发中心。南京机电液压伺服工程公司是中国航空工业总公司南京机电液压工程研究中心的下属单位，主要从事电液伺服阀及电液伺服控制系统的开发、研制及批量生产。是我国历史最久、规模最大、水平最高的伺服阀研发与生产基地之一。产品已广泛用于航空、航天、航海、兵器、汽车、冶金、机器人、矿山、邮电、纺织、印刷、自动控制、试验设备、非标设备制造等领域。2.2.2FF系列电液伺服阀介绍（1）FF系列电液伺服阀（如图2.7）它是一种高性能、双喷档、力反馈的流量控制阀。产品有FF101、FF102、FF106、FF106A、FF113等多个系列，并已研制成功射流偏转板阀、直接驱动阀。图2.7FF系列电液伺服阀FF系列电液伺服阀的力矩马达采用永磁力矩马达，它由两个永久磁钢产生极化磁通，衔铁两端伸入磁通回路的气隙中。弹簧管除起衔铁—挡板的弹性支承作用外，还起阀的电磁部分和液压部分之间的密封作用。第一级液压放大器的挡板插在两个喷嘴之间，形成两个可变节流口。反馈杆从挡板内部伸出，它的小球插入第二级四通滑阀阀芯中间的小槽内。液压油连续地从供油腔Ps通过内部过滤器及两个固定节流孔，然后流过喷嘴挡板形成的可变节流口，再经过回油节流孔流回回油腔Pr。当力矩马达线圈组件输入控制电流时，由于控制磁通和极化磁通的相互作用，在衔铁上产生一个力矩，该力矩使衔铁组件绕弹簧管旋转中心旋转，从而使挡板运动，它导致一边的喷嘴—挡板可变节流口可变节流面积减少，另一边的可变节流面积增大，致使喷嘴腔产生压差，推动阀芯移动，此移动一直持续到由于反馈杆弯曲产生的反馈力矩与由控制电流产生的控制力矩相平衡为止，此时挡板大致处于中位。由于力矩马达的力矩与输给阀的控制电流基本成正比关系，反馈力矩与阀芯位移成正比。这样，再诸力平衡状态时，便得到一个与控制电流成比例的阀芯位移，即在阀压降为恒值及阀套采用矩形孔或环槽节流边的情况下，输出流量与输入电流之间成比例关系。FF系列电液伺服阀结构原理图如2.8所示。图2.8FF系列电液伺服阀结构原理图电气性能线圈连接图如图2.9所示。图2.9线圈连接图规定控制电流的正极性：单线圈：2+，1-或4+，3-串联线圈：1和4相连，2+，3-并联线圈：1与3，2与4相连（1，3）-，（2，4）+差动连接：1与4相连，当（1，4）+时，（1，4）到2<（1，4）到3，当（1，4）-时，2到（1，4）>3到（1，4）电插头座通常供货为外形图所示通用电插头座，也可以根据用户要求提供专用电插头座。插头座有4种方向可供选择，具体方向请查阅相应产品的系列号。励振为改善阀的特性，给输入信号附加的振荡信号称为励振。励振频率一般取100～400Hz，幅值（峰间值）为10%～20%额定电流。伺服放大器伺服阀的力矩马达线圈需要一个直流输出的伺服阀放大器来驱动。伺服阀放大器应采用深度电流反馈，以消除阀线圈阻抗变化引起阀的增益变化和相位滞后。液压特性供油压力FF系列伺服阀可在供油压力2～28MPa下正常工作。FF系列伺服阀额定供油压力为21MPa，样本中给出的性能系在额定供油压力下测定。阀性能，特别是分辨率和动态响应随供油压力降低而变差。阀可以在额定供油压力以外的压力下工作，但零偏将有所变化。在额定压力以外的压力下，阀的空载流量按下式计算：式中：Ps–实际供油压力P′s–实际供油压力Qn–额定流量Q–供油压力为P′s时的空载流量回油压力：回油压力可在大范围内变动（通常不大于2MPa），但回油压力增大会引起零漂。不允许回油压力大于进油压力，以免液流向液压放大级产生回流。耐压和破坏压力耐压能力：进油及负载窗口=1.5Ps回油窗口=1.0Ps试验后，仍能符合技术条件要求。破坏能力：进油及负载窗口=2.5Ps回油窗口=1.5Ps试验后，阀不应破坏，但不要求阀恢复工作性能。工作液：FF系列伺服阀密封件采用丁晴橡胶，工作液为航空液压油YH10、YH12或其它石油基液压油。工作液清洁度：工作液固体颗粒污染度应符合GJB420所规定的6～8级污染等级。伺服阀进油窗口前应安装名义过滤度不低于10微米（μm）的滤油器。静态特性极性：输入正极性控制电流时，规定“液流从负载窗口1流出，由负载窗口2流入”的流向为正流量极性。如图2.10所示。空载流量特性:负载开启（空载）情况下测定。阀的额定流量、滞环、零偏、非线性度、不对称度等指标可以从空载流量曲线上得到。零重叠（公差±2.5%）阀在±3%零位区域内，流量增益变化范围50%～200%名义流量增益。图2.10空载流量特性曲线压力特性在零位区域（对零重叠阀为10%额定电流）负载关断的情况下测定。阀的压力增益和零偏可在压力特性曲线上得到。阀的压力增益随滑阀工作尖边磨损而变低。如图2.11所示。图2.11压力特性图内漏特性在负载关断的情况下测定。阀的内漏随滑阀的工作尖边磨损而增大。图2.12内漏特性图负载特性负载流量计算公式：式中：Qv–负载流量K–结构系数I–输入电流Pv–阀压降Pv=(Ps-Pr)-PlPs–供油压力Pr–回油压力Pl-负载压降图2.13负载特性曲线分辨率分辨率在零位附近（10%额定电流处）测定。分辨率随供油压力降低、滑阀磨损和工作液污染度程度加剧而变差。图2.14分辨率测定曲线零偏零偏在标准试验条件下消除阀的滞环后测定。在使用周期内阀的零偏允许增大到6%。重叠用户不作声明，提供的伺服阀均为零重叠。零重叠公差规定为正重叠2.5%～负重叠2.5%。根据特殊需要，可提供指定正重叠或负重叠的阀。负重叠（预开口）：零位流量增益增大，压力增益减小，零位泄露增加。正重叠（负开口）：零位流量增益减小，压力增益变差，零位泄露减小。动态特性频率特性取决于输入信号幅值，供油压力和阀的结构参数。频率相应幅值比不允许大于+2dB。图2.15EF系列伺服阀频率特性传递函数系统设计时，FF系列双喷嘴两级流量伺服阀的传递函数可近似按下式估算：式中：Kv–阀的流量增益S-拉普拉斯算子ωn-自然频率（相位滞后90°时的对应频率）ζ-阻尼比（可取0.5～0.7）FF-131电液伺服阀性能指标如表2.8所示。表2.8FF-131电液伺服阀性2.3九江中船仪表有限责任公司（四四一厂）2.3.1公司简介九江中船仪表有限责任公司于2006年由原国防科工委批准组建，公司前身为九江仪表厂，代号四四一，创建于1959年，是国家“一五”计划期间建设的156项重点工程之一，是中国船舶工业集团公司所属的大型综合性舰船导航仪器仪表重点生产企业。2009年4月，公司改制为国有控股的有限责任公司（四四一厂）。公司以陀螺罗经、自动操舵仪为代表的船舶导航设备和系统，以射流管电液伺服阀为核心元件的精密液压控制系统，以及以含油污水自动监测为代表的环保系统，在国内船舶自动导航、精密液压自动控制、石油化工以及环保等领域占有非常重要位置，主要产品技术处于国内领先地位。目前主导产品有以下几大类：1、导航仪器仪表，包括操舵仪系列、陀螺罗经系列、陀螺稳定平台系列；2、精密液压元件及系统，包括CDY型电液伺服阀、CSDY型射流管电液伺服阀、CBDY型复合比例流量阀、H/YXQ-006液压舵机、YK系列液压伺服控制装置和BDY9型系列电液自动控制执行机构等；3、环保系列产品，包括含油污水监测仪表及装置、CY-2型油份浓度计、OCD1型隔爆油份浓度计、悬浮物分离器等。4、精密电工计量仪器、仪表，包括多功能标准表系列、便携式电能表校验装置、三相指示仪表检验台、多表位校验台、数字式检测仪表、电源产品等2.32SDYG631、CSDY1/CSDY2、CDY1/CDY2电液伺服阀介绍主要伺服阀型号如图2.16所示：图2.16主要伺服阀SDYG631伺服阀（如图2.17）图2.17SDYG631伺服阀SDYG631系列伺服阀是我司参照MOOG-G631伺服阀研制出来的新产品，其安装尺寸和流量设计均与G631一致;具有灵敏度高、性能稳定、抗冲击、振动、跟踪速成度快、噪音小等特点。可用于飞机、船舶、动力等电液自动控制系统中。技术参数：1.类型:SDYG631-5/10/20/40/60/75；2.额定电流:±50mA/±100mA；3.线圈电阻:14Ω/28Ω/56Ω；4.额定压力:21MPa；5.操作压力:1.4-31.5MPa；6.额定流量:5/10/20/40/60/75L/min（7MPa）；7.额定流量误差:±10%；8.滞环:≤5%；9.线性度:≤7.5%；10.对称性:≤10%；11.分辨率:≤1%；12.零偏:≤4%。CSDY1/CSDY2射流电液伺服阀（如图2.18）图2.18CSDY1/CSDY2射流电液伺服阀CSDY1/CSDY2电液伺服阀是目前国际电液伺服阀中的最新产品。采用干式力矩马达，整体焊接，射流管为先导级，主滑阀作功放，是一种高性能力反馈两级方向、流量控制阀。它接受微小电信号并转换为液压功率放大，输出流量大小与控制电信号大小成比例。其特点：1.结构牢固。可抗Ⅰ级振动、Ⅰ级颠振和400g加速度攻击；2.零位稳定优于双喷嘴挡板型阀，安全可靠；3.分辨率极高；4.抗污染能力极强，可使用NAS1638的7-8级油液；5.寿命长，使用次数可达107次（约5000小时）；6.控制精度高。适用于遍及各个领域中的高精度电液伺服系统。如：造船工业、航天工业、航空工业、重工业、轻、纺工业，以及农业机械液压伺服系统。主要技术指标：1.型号CSDY1-2、4、8、10、15、20、30、40（CSDY2-60、80、100、120）；2.额定电流±8mA；3.线圈电阻1000±100Ω；4.绝缘电阻＞50MΩ；5.额定压力206×105Pa；6.使用压力（20～309）×105Pa；7.额定流量2、4、8、10、15、20、30、40L/min(CSDY2型：60、80、100、120）；8.滞环＜3%；9.线性度＜7.5%；10.对称度10%；11.静耗流量＜0.45+3%Qn；12.压力增益＞30%Ps/1%△i；13.分辨率＜0.25%；14.零偏＜2%；15.种类零漂指标2%；16.频率特性(-3db)＞70Hz(-90°角)＞90Hz；17.温度范围-40C～+85C；18.工作液粘度10-100cst；19.系统过滤精度10～20u。工作原理:高压油Ps一路通过滤油器进入射流管喷嘴，另一路进入阀芯和阀套组成的通路。当无信号电流时，阀处于零位，无流量输出。当有控制信号电流输入时，使射流管喷嘴偏转（设顺时针），接受器左腔压力上升，右腔压力下降，阀芯在压差作用下右移，其油路Ps-A-1负载-2-C-P。阀芯右移时，反馈力矩反馈到射流管组件，使接受器两腔差趋于零，阀芯有一微小位移，输出稳定流量。若控制信号电流反向，伺服阀则输出反向流量。CDY1/CDY2电液伺服阀(如图2.19)图2.19CDY1/CDY2电液伺服阀CDY1/2伺服阀为高性能双喷嘴--挡板电液伺服阀。该型电液伺服阀在设计上采用干式力矩马达，功率级滑阀采用弹簧对中，整体阀套等合理措施。具有灵敏度高、性能稳定、抗冲击、振动、跟踪速成度快、噪音小等特点。可用于飞机、船舶、动力等电液自动控制系统中。主要技术指标:1.额定工作压力70MPa；额定空载流量20~25L/min；2.额定输入电流30mA；3.流量对称度<10%；4.压力增益30%/1%△i；5.内部泄漏量<1.3(L/min)；6.零偏<±2%；7.供油压力零漂<±2%；8.回油压力零漂<±2%；9.油度变化40℃时零漂<2%；10.频率特性90HZ(-3db)；11.系统用油过滤精度要求NAS7级；12.分辨率<1%。2.4中国运载火箭技术研究院第十八研究所2.4.1企业简介中国运载火箭技术研究院第十八研究所，隶属于中国航天科技集团公司第一研究院中国运载火箭技术研究院。它是航天伺服技术的发祥地，主要从事航天伺服控制、遥测、智能机电以及工业自动控制产品的设计、开发与生产制造。单位主要承担弹（箭）及其他武器装备伺服系统控制技术（如液压、电动、气动、燃气等伺服系统）及其试验技术、测试技术的研制任务，并承担弹（箭）伺服机构的生产任务；承担弹（箭）上遥测传输设备、遥测系统地面测试设备的生产任务。单位所从事的航天伺服控制技术研究及其产品开发是动力技术、传动技术、控制技术、测量技术和微电子技术的紧密结合；是将火工、流体、机械、电磁、电子及信息处理技术的高度集成；是涉及到精密机械、液压、电机、电力电子、自动控制、微电子、固体推进剂、高温燃气、低温氦气、信号处理、数据采集与处理等诸多学科的现代技术；是研发、设计、工艺、试验、生产一体化的科研与生产单位。从覆盖的专业上，单位伺服控制技术涉及了17个专业类别；从生产上具有精密加工、特色处理及装配调试工艺技术和11个重要专业（产品）试验室。整体技术水平在国内同行业中处于领先地位，部分技术已经达到世界先进水平。十八所研制的产品以其高质量、高可靠的卓越性能，成功的参加了长征系列运载火箭、“神舟”系列飞船、“嫦娥一号”探月工程等航天发射任务，为我国国防和航天事业的崛起和腾飞做出了突出贡献，先后获得全国科技大会奖、国家科技进步奖、国防科技成果奖、部级科技进步奖和重大科技成果奖共190余项，拥有多项专利和专有技术，并注册了“新超越”品牌。2.4.2SFL212A、SFL312、SFL22系列电液服阀介绍主要伺服阀如图2.20所示。图2.20主要伺服阀SFL212A型电液流量控制伺服阀（如图2.21）图2.21SFL212A型电液流量控制伺服阀其性能指标如表2.9所示：表2.9SFL212A型电液流量控制伺服阀性能指标频率特性如图2.22所示：图2.22频率特性曲线电气接口如图2.10所示：表2.10电气接口SFL312型电液流量控制伺服阀SFL312三级电反馈伺服阀适应于大流量、高响应应用场合。它以SFL218型两级阀为前置级，并以滑阀式控制阀为功率级（第三级），第三级的功率滑阀依靠LVDT式位移传感器反馈定位，三级阀控制器采用贴片元器件集成在阀体上。SFL312型电液流量控制伺服阀如图2.23所示。图2.23SFL312型电液流量控制伺服阀性能指标如表2.11所示：表2.11性能指标设计特点：1.大流量，高响应；2.LVDT位移传感器实现阀芯，非接触式位移测量；3.高可靠贴片式三级阀控制器集成在阀体上。三级阀工作原理：输入控制电压经放大和电压-电流转换，使前置级伺服阀的控制腔输出流量推动主阀芯移动。主阀芯的位置由位移传感器检测，经解调、放大后成为与主阀芯位移成正比的反馈电压信号，然后反馈入综合放大器。于是，前置级两级阀的输入电流被减小，一直到近似为零，此时，主阀芯停留在某一平衡位置。在该位置上，反馈电压等于输入控制电压（近似相等）。当供油压力与负载压力一定时，输出到负载的流量与输入控制电压大小成正比。电气接口如图2.24所示：图2.24电气接口SFL22系列电液流量控制伺服阀（如图2.25）图2.25SFL22系列电液流量控制伺服阀性能指标如表2.12所示：表2.12性能指标设计特点：1、偏导射流口间隙大，不易堵塞，抗污能力强；2、宽温域条件下工作，能适应环境温度为－15℃~200℃；3、耐高压，能在供油压力为35MPa条件下工作。电气接口如表2.13所示：表2.13电气接口三．电液伺服阀国外研究现状3.1美国Moog（穆格）公司3.1.1公司简介网址为（）。穆格(MOOG)公司是全球电液伺服元件及伺服系统设计及制造领域的领导者，创立于1951年。MOOG品牌最早起源于航空航天军事工业领域伺服阀及系统制造，主要经营伺服阀，伺服控制器，电动缸，伺服电机，伺服控制软件，包括各种行业系统工程解决方案，行业应用领域广泛，涉及钢铁冶金，电力电站系统，注塑吹塑成型，粉末陶瓷成型，材料试验，汽车测试仿真系统，航空测试仿真系统等。美国Moog公司历史起源于公司创建者威廉C穆格，他是一位发明家、企业家，也是一位远见卓识者。1951年，比尔穆格研制成功电液伺服阀，这种装置可把微弱的电脉冲转换为精确而有力的运动。1951年7月，比尔、阿特兄弟俩和卢盖耶在纽约州东奥罗拉租借了已废弃的Proner机场的一角，成立了穆格制阀公司（MoogValveCompany）。穆格中国成立于1997年，在上海、北京、广州和香港设有五个办事处，其中上海有2个工厂(穆格控制系统（上海）有限公司和穆格控制设备（上海）有限公司)。穆格在中国的主要业务市场包括塑机制造、发电、冶金机械、航空与汽车测试。穆格中国上海是我们在亚洲的汽车测试解决方案研发与电动变桨控制系统制造的中心。位于上海高行的公司致力于向亚太区的客户提供用于风力发电的变桨控制系统解决方案，与此同时，上海的维修中心是中国唯一的穆格原厂维修与服务中心。3.1.2D633、D634、G761系列电液伺服阀介绍（1）D633、D634系列伺服阀（如图3.1所示）。图3.1D633、D634系列伺服阀MOOG(穆格)D633、D634系列伺服阀是MOOG公司研制成功的新型电液伺服阀。D633、D634系列伺服阀是MOOG公司对其经久考验，盛名于世的双喷嘴力反馈两级伺服阀的发展与补充，和传统的MOOG30、31、32、34、35、E760等系列伺服阀相比，其最大的区别在于D633、D634系列伺服阀从结构上取消了喷嘴一挡板前置级、用大功率的直线力马达替代了小功率的力矩马达，用先进的集成块与微型位置传感器替代了工艺复杂的机械反馈装置—力反馈杆与弹簧管，从而简化了结构，提高了可靠性，大大地降低了制造成本，却保持了带喷挡前置级的两级伺服阀的基本性能与技术指标。DDV系列电液伺服阀的工作原理：一个电指令信号施加到阀芯位置控制器集成块上，电子线路在直线马达产生一个脉宽调制（PWM）电流，震荡器就使阀芯位置传感器（LVDT）励磁。经解调以后的阀芯位置信号和指令位置信号进行比较。阀芯位置控制器产生一个电流输给力马达，力马达驱动阀芯，一直使阀芯移动到指令位置。阀芯的位置与指令信号成正比。伺服阀的实际流量Q是阀芯位置与通过阀芯计量边的压力降的函数。DDV系列电液伺服阀的特点：1.标准化的阀芯位置的监测。2.防水性为IP65(DIN40050)级。3.低的滞环，高的分辨率。4.在位置、速度、压力以及力电液伺服系统中可用二位二通、三位三通或三位四通的方式进行工作。5．安装形式与尺寸符合DIN24340和cetop3与6。6．无液压前置级。7．停电、电缆损坏、或者紧急停车情况下伺服阀均能自行回中，无需外力推动。8．动态性能指标与供油压无关。9．具有极性接反保护功能与超压保护功能.10．电子零位调节来补偿负载飘移。DDV系列电液伺服阀的特性曲线（以D633、D634系列伺服阀为例）如图3.40所示.图3.2DDV系列电液伺服阀的特性曲线D633、D634系列电液伺服阀性能指标如表3.1所示。表3.1D633、D634系列电液伺服阀性能指标G761系列电液伺服阀（如图3.3所示）图3.3G761系列伺服阀G761系列电液伺服阀的技术参数如表3.2所示。表3.2G761系列伺服阀的技术参数阀的负载流量图如图3.3所示。图3.3阀的负载流量图频率响应：G761系列电液伺服阀的典型响应特性（如图3.4所示）。图3.4频率响应图阶跃响应：G761系列电液伺服阀的典型瞬态响应（如图3.5所示）。图3.5阶跃响应图G761系列电液伺服阀的电气特性（如表3.3）：额定电流和线圈电阻：G761系列电液伺服阀有各种不同阻值的线圈供选择。线圈连接：伺服阀带有标准的4芯电气插座，力矩马达的四根引线均在插座处，所以可将力矩马达线圈外接为串联，并联或单线圈工作形式。当线圈串联连接时，其额定电流值为并联连接或单线圈工作时额定电流值的一半。伺服放大器：伺服阀的动作对应于输入电流，所以必须使用高电阻放大器。表3.3G761系列电液伺服阀的电气特性3.2德国Bosch公司3.2.1德国Bosch公司简介网址：/country_units/asia/china/zh/index.jsp德国博世集团（BoschWorldwide）是德国最大工业企业之一，也是全球第一大汽车技术供应商和包装机械制造商，是由罗伯特•博世先生于1886年在斯图加特创办的。博世集团以创新尖端的产品和系统解决方案著称，被誉为“德国三大最具创新精神的公司”（其余两个是西门子和WMF）。1886年，罗伯特.博世有限公司，由公司创始人罗伯特.博世先生在德国创办，在当时，它不过是一间简陋的“精密机械和电器工程车间”。博世的产品涉及汽车技术、工业技术、消费品和建筑智能化技术等领域。博世汽车技术部包括汽油系统、柴油系统、底盘系统、能源及车身系统、汽车多媒体、汽车电子、采埃孚转向机系统和售后市场等八大部门。3.2.2Bosch三级电液伺服阀介绍Bosch三级电液伺服阀外形尺寸如图3.6所示图3.6Bosch三级电液伺服阀外形尺寸Bosch三级电液伺服阀性能指标：Bosch三级电液伺服阀的供油压力范围为2-31.5MPa，额定供油压力Ps为21MPa，额定流量为5L/min，额定电流为10mA，滞环≤1%,分辨率≤0.5%，非线性度≤±1%，不对称度≤±5%,零偏≤±2.5%，供油压力零漂（80-110%Ps）≤±2%。频率特性：幅频宽（-3Db）和相频宽（-90°）都≥100Hz。工作温度在-45℃与+135℃之间。设计特点：1.大流量，高响应；2.LVDT位移传感器实现阀芯非接触式位移测量；3.高可靠贴片式三级阀控制器集成在阀体上。工作原理：输入控制电压经放大和电压-电流转换，使前置级伺服阀的控制腔输出流量推动主阀芯移动，经调解，放大后成为与主阀芯位移成正比的反馈电压信号，然后反馈入综合放大器。于是，前置级两级伺服阀的输入电流被减少，一直到近似为零，此时，主阀芯停留在某一平衡位置。在该位置上，反馈电压等于输入控制电压。当供油压力与负载压力一定时，输出到负载的流量与输入控制电压大小成正比。3.3美国威格士（EatonVickers）公司3.3.1公司简介网址：/valves_servo_valves.htm。VICKERS美国威格士是伊顿集团流体动力部门旗下的一个全球知名的液压品牌其主要产品包括威格士油泵、威格士柱塞泵、威格士叶片泵、威格士液压泵、威格士马达、油缸、威格士液压阀等。伊顿的流体动力产品应用广泛包括土方机械、农业、建筑、航空、采矿、林业、公共设施和物料搬运。伊顿是全球领先的多元化工业产品制造商在全球的工业领域享有技术先进、质量可靠的声誉。在全球6大洲超过125个国家拥有5万5千名员工。年销售额为98亿美元。产品涉及汽车、卡车、重型设备、民航、国防军事、居住、电讯和数据传输、工业设备和公共设施、商业机构和政府机关、以及运动和娱乐的各个领域。3.3.2SM4-40伺服阀威格士的SM4-40伺服阀提供系统闭环控制，具有位置精度高、速度曲线可重复以及可预测的力或力矩的调节等优点。压力达350bar(5000psi)的SM4-40(-50设计)伺服阀的应用包括自动棍缝控制(AGC)、轧辊弯曲／轧辊平衡系统、注塑成形系统、测试仿真装置和液压制动器等。这种高性能SM4系列伺服阀能提供宽范围的流量输出，当70bar(1000psi)△p时，额定流量从76到151l/min(20到40USgpm)。SM4系列是两级模块化设计的流量控制阀，能够集成块或板式安装。对称的双线圈、四气隙、力矩马达通过6个螺订与第一级喷嘴挡板先导阀连接。第二级采用带有机械零位调整的四通滑阀和阀套结构。阀芯位置通过反馈杆反馈到第一级。一个集成式35μm(绝对)的过滤器保护第一级免遭污染。SM4伺服阀与液压缸、位置传感器和相应的电路组合，便能够实现液压缸位置的无级控制，精度达到0.025mm(0.001inch)或更高(取决于选择的元件、行程长度和负载特性)。SM4伺服阀与液压伺服马达、转速计和相应的电路组合，便能够实现比例流量的无级控制，在速度／加速度曲线实时控制中，可保证闭环误差小于每分钟1/10转。SM4与压力／力传感器、液压缸以及压力控制电路组合，便能够实现精确的压力／力控制，系统最佳稳定性可达到压力和负载量程的1%。特征和优点：1.SM4系列的大范围流量输出能力确保用户得到最合适的型号。2.SM4-40(-10设计)伺服阀的第二级阀体采用高强度的铝合金，确保更轻更耐用。3.SM4-40(-50设计)伺服阀的阀体和端盖采用特制的不锈钢，确保工作压力达到350bar(5000psi)。4.威格士伺服阀中的对称式双线圈、四气隙、干式力矩马达，对输入信号有极快的响应能力，能产生精确的控制曲线。5.更高的频率响应(按用户定制)，能加大系统的带宽，满足更高的性能要求。集成式35μm(绝对)过滤器保护第一级免遭污染。6.阀芯和阀套采用淬火不锈钢，减少磨损和腐蚀。安装在阀套上的O-形圈避免阀芯咬合，确保平稳工作。7.用户定制的阀芯遮盖和阀套开口可以满足特殊用途的流量控制要求。SM4的对称设计，实现了用最小的零位偏移实现对流量可靠的节流，使机器的工作更加协调。8.Viton*密封件是标准件。9.标准油口分布圆、安装方式和过渡板的灵活性，使得威格士伺服阀成为替代现有伺服阀和改进现有系统时的成本有效的选择。10.SM4-40能够简便的与双过滤器模块连接，更有效地保护先导级免遭污染。在安装SM4之前，利用冲洗阀可以极大的降低系统最初的污染度。SM4-40伺服阀剖视图如图3.7所示：图3.7SM4-40伺服阀剖视图SM4-40伺服阀性能参数如表3.4所示：表3.4SM4-40伺服阀性能参数流量增益：标准型的正常区，所示的典型无载流量增益公差不包括滞环。如图3.8所示。图3.8SM4-40伺服阀流量增益图压力增益：当没有阀流量且控制油口关闭时，负载压降随输入电流的变化。零位压力增益是>30%的供油压力下，每1%的额定电流。如图3.9所示。图3.9SM4-40伺服阀压力增益图控制流量从B口流出时的电气极性如图3.10所示。图3.10SM4-40伺服阀电气极性性能曲线频率响应：频率响应定义为正弦电流以恒定的振幅在某一频率范围上扫频时，无载控制流量与输入电流的关系，表达成频率(Hz)，振幅比(dB)和相位移(度)。如样本曲线如图3.11所示，伺服阀频率响应的标准对比点是出现-3dB振幅比和90相位移的频率。威格士SM4力矩马达经磁性稳定化确保在工作压力为14-350bar(200-5000psi)时有可靠的伺服阀性能。图3.11SM4-40伺服阀频率响应曲线阶跃响应：阶跃响应定义为输出流量达到控制流量输出的一个百分数的典型飞升时间。过渡过程时间是指瞬态流量的波动衰减到指定精度范围内所需时间，两者均用ms表达。图3.12是临界阻尼阀和欠阻尼阀的阶跃响应曲线。图中注明，飞升时间是输出流量达到控制流量输出的63％所需的时间，过渡过程时间则是达到控制流量输出的100±5％的时间。图3.12临界阻尼阀和欠阻尼阀的阶跃响应曲线3.4日本三菱公司3.4.1公司简介1870年，由土佐省政府建立的一家小型船务和贸易公司“九十九商会”选用了一面有三个菱形的旗帜作为它的船队的标志。三年后，这家公司的名称改为“三菱商会”以符合这个显眼的标记。1893年，由于《贸易法》的修订，三菱株式会社（“三菱股份有限公司”）于此成立。它着手在广泛的领域内树立信誉，这些领域包括造船、钢铁、银行、采矿、保险和贸易等。1918年，三菱株式会社的贸易部重新改组，成为独立的“三菱商事会社”（三菱贸易公司）。从1918年到1945年三菱商事会社随着日本日益繁荣的国际贸易，使它的业务多样化。在此期间，这个不断发展的企业变成了“三菱精神”的摇篮，这种精神态度反映在三条原则上：“企业对社会负有责任”、“诚实”和“以贸易促进国际间的沟通”，这个宗旨直到今日还继续是三菱商事制定方针的依据。第二次世界大战结束后，三菱商事会社把它的业务分散给100多个独立的企业，后来，经过数次合并终于在1954年，成立了三菱商事——综合商社，也就是今天三菱商事的前身。MK系列电液伺服阀是一种较为新型的力马达驱动全电反馈两级滑阀控制电液伺服阀，可有效保证液压控制系统的先进性和可靠性[6]。MK阀分直动式伺服阀和两级伺服阀两种形式。它们分别与位置传感器、传感器放大器及伺服放大器构成全电反馈的闭环系统。3.4.2MK阀介绍（1）直动式MK阀的结构直动式MK阀的结构如图3.13所示，主要由三部分组成，即力马达部分、阀体部分、位移传感器部分。电气元件部分是干式的。动圈运动时直接推动阀芯位移，阀芯的位移由位移传感器检测出并反馈回输入端，形成电气反馈。直动式的优点是结构简单，电气反馈使结构更为简单化，从而使可靠性提高。力马达是在由磁极和导磁体所构成的气隙磁场内，放置着有电流流过的线圈，载流线圈在磁场中所产生的电磁力推动线圈运动，线圈运动又直接推动阀芯运动。在载流线圈与磁铁之间填充具有冷却与润滑及增强导磁性作用的磁流体(稠性流体)，以增强力马达的性能。MK系列直动式伺服阀的主要产品型号性能参数如表3.5所示。图3.13直动式MK阀的结构图表3.5MK直动式伺服阀产品型号和性能参数型号MK-1.5、MK-5、MK-15等额定流量（在压差6.78MPa时）7.8~56.7L/min额定电流3.5A额定工作压力34.5MPa内泄量0.8～2.IL/min频率特性A-3dB>300Hz;φ-90°>300Hz（2）两级MK阀的结构两级MK阀的结构如图3.14所示。以直动式MK阀为先导阀，用以控制驱动第二级主阀芯，第二级阀又称为主阀。主阀芯与差动变压器式位移传感器的铁芯连接。主阀芯的运动通过此位移传感器转换成与位移量成比例的电信号，这电信号反馈回输入端形成两级电反馈。在主阀与先导阀之间设计了减压阀，减压阀可以保证给先导阀提供稳定的供油压力。与以往的喷嘴挡板式两级伺服阀相比，MK阀为全电反馈两级阀。没有弹簧反馈杆和小球，机械结构简单，也不会产生因小球长期工作磨损而带来的阀振荡。MK阀的先导阀采用滑阀比喷嘴挡板阀抗污染能力强，工作更稳定可靠。图3.14两级MK阀的结构图和两级式伺服阀的主要产品型号和性能参数分别如表3.6所示。表3.6MK两级式伺服阀产品型号和性能参数型号MK-30、MK-40、MK-60、MK-100、MK-200、MK-250额定流量（在压差6.78MPa时）114～945L/min额定电流3.5A额定工作压力34.5MPa内泄量3.1～8.3L/min频率特性MK-30、MK-40、MK-60为A-3dB>200Hz;φ-90°>200Hz；MK-100、MK-200、MK-250为A-3dB>100Hz;φ-90°>100Hz四．国内外电液伺服阀对比分析目前国内生产伺服阀的厂家大部分以喷嘴挡板式为主。生产射流管式伺服阀形成规模及系列的只有九江中船仪表有限责任公司（四四一厂）和中国船舶重工集团公司第七O四研究所。国外情况亦类似，原专业生产射流管式伺服阀的厂家美国Abex公司也已被Park公司所吞并。然而，由于射流管式伺服阀具有抗污染性能好、高可靠性、高分辨率等特点。有些生产厂家也在研制或已推出自己的射流管式产品，如航空工业总公司第六O九研究所、中国运载火箭技术研究院第十八研究所、美国Moog公司及俄罗斯的有关厂家等。美国Moog公司还在2006年7月召开了产品推广会，推出了射流管式的D660系列产品，并认为该产品代表了今后伺服阀的发展趋势。当前国内在研究、生产及使用伺服阀方面虽然形成了一定的规模。然而生产的产品主要用于航空、航天、舰船等军品领域，在民品市场占有率不大。同时由于各生产单位各自为战、缺少合作、力量分散，很不利于伺服阀的进一步发展，也无法形成强大的竞争力与国外产品进行竞争。现国外产品在国内市场占有率最大的为Moog公司，它的产品占据了国内绝大部分的民品市场。伺服阀的结构改进：（1）在电液伺服阀的部分结构上，主要从余度技术、结构优化和材料的更替等方面进行改造，以提高相关性能。采用三余度技术的电液伺服作动系统将伺服阀的力矩马达、喷嘴挡板阀、系统的反馈元件等做成一式三份，若伺服阀线圈有一路断开，而系统仍能够正常工作，且有系统动态品质性能基本不变，从而提高了伺服作动系统的可靠性和容错能力。在结构的改进上，针对阀出现的故障提出改进措施，进行结构优化，以满足其相关性能的要求。从材料方面考虑，阀的某些元件采用了强度、塑性、韧性、硬度等机械性能优良的材料，既可以减少故障，又让阀具备良好的动态性能。从阀芯和阀套磨配加工工艺的改进上，采用不同的磨配原理，如磁力研磨法等原理来提高阀的工作性能。阀芯和阀套组成的滑阀副是伺服阀的核心，阀套窗口棱边的几何精度决定了阀的工作性能。在阀芯加工最后磨配端面时，不能直接获得尖锐的棱边，而是在棱边处产生“毛刺”，然后采取措施加以去除。（3）利用优质材料进行伺服阀装配。由于伺服阀的衔铁组件装配是属薄壁件与细长杆装配，压装力稍大时，易产生使工件变形或装配尺寸压不到位的抱死现象。喷嘴体与对应孔压装轴向压装力大，喷嘴体常出现打压渗漏油、压力窜动、跳跃现象[7]。4.1国内电液伺服阀对比分析目前国内的电液伺服阀生产厂家主要有：北京航空航天电液伺服阀技术中心、中国航空工业第六零九研究所、中国运载火箭技术研究院第十八研究所、中国船舶重工集团公司（704研究所）、九江中船仪表有限责任公司、陕西秦峰、北京治金液压机械厂、中国航空精密机械研究所（303研究所）、北京机床所精密机电有限公司、九江仪表厂、航空工业总公司618研究所、上海航天控制工程研究所等。本文主要对北京航空航天电液伺服阀技术中心、中国航空工业第六零九研究所、九江中船仪表有限责任公司（四四一厂）和中国运载火箭技术研究院第十八研究所的电液伺服阀产品进行了分析、搜集和调研。国内公司电液伺服阀性能比较如表4.1所示。表4.1国内公司电液伺服阀性能比较公司类型性能参数北京航空航天公司中国航空工业第六零九研究所九江中船仪表有限责任公司中国运载火箭技术研究院第十八研究所电液伺服阀型号LDY6FF系列CDY1/CDY2SFL22系列最高供油压（MPA）31.5287031.5频率（HZ）60-10010890工作油液温度（℃）-40~125-30~100-40~85滞环[%]<3<3<3<4零偏[%]<±<±3<±3<±4分辨率[%]<0.5<1<1<14.2国外电液伺服阀对比分析国外的电液伺服生产公司主要有ABEX、Parker（派克）、VICKERS（威格士）、MOOG（穆格）、NorthAmerican(北美）、意大利ATOS(阿托斯)、德国Haenchen（撼神）、Schneider(施耐德)、E+H（恩德思豪斯）、EMG、英国DOWTY（道蒂）、英国STAR、美国OILGEAR、TEAM、MTS、日本三菱KYB株式会社、TSS、DAIKIN（大金）、日本YUKEN（油研）、Nireco(尼利可)、KAWASADI（川崎重工）、俄罗斯“祖国设计局”沃斯霍得工厂等。本文主要对美国Moog（穆格）公司、德国Bosch公司、美国威格士（EatonVickers）公司和日本三菱公司进行了分析、搜集和调研。国外公司电液伺服阀性能比较如表4.2所示表4.2国外公司电液伺服阀性能比较公司类型性能参数美国Moog（穆格）公司德国Bosch公司美国威格士（EatonVickers）公司日本三菱公司电液伺服阀型号G761三级电液伺服阀SM4-40MK最高供油压（MPA）31.531.53534.5频率（HZ）>100>100120>100工作油液温度（℃）-45~135135滞环[%]<3<1<3<4零偏[%]<±2<±2.5<±3<±4分辨率[%]<0.5<0.5<1<1目前德国Bosch公司、美国威格士（EatonVickers）公司、和穆格（MOOG）公司和日本三菱公司均有成熟的伺服比例阀产品，其动态特性较普通比例阀大为改善，频宽可达40~80Hz以上，并且可达到高稳态控制精度。伺服比例阀解决了位置、力等要求无零位死区的闭环控制，所以可以方便地用于绝大部分的闭环系统。通过比较可得出如下结论：（1）通过以上四种电液伺服比例阀的性能比较以及前几章的介绍可以得出，目前国外的该类产品普遍采用了伺服阀的阀芯阀套结构，u级加工精度，滞环接近伺服阀，阀口零遮盖，无零位死区，频响接近于伺服阀，可以用于一般工业级液压伺服闭环系统[8]；（2）常规电液伺服阀对油液清洁度要求为NAS6级，而电液伺服比例阀为NAS7级，阀前过滤精度为10~15um。因此，具有良好的抗污染能力及使用的可靠性；（3）鉴于电液伺服比例阀良好的性能和使用可靠性，可以对未来动态响应频率和控制精度要求不高的工业级液压伺服系统考虑采用电液伺服比例阀替代“喷嘴—挡板式”电液伺服阀。4.3国内外电液伺服阀技术差异电液比例和伺服控制技术是液压技术的重要分支，也是自动控制技术的重要分支。自20世纪40年代末，在飞机上首先出现了电液伺服系统后，60年代，各类民用工程对电液控制技术的需求显得更加广泛和迫切。因此，电液伺服阀得到飞速发展。但我们必须面对一个事实即我国的电液伺服控制技术和国外有很大的差距。这些差距主要体现在伺服油缸与伺服阀两个方面差异：第一：伺服油缸要求其密封性好、摩擦力小、质量轻、刚度大。为了减小摩擦力，一些设备的支撑常采用静压支撑、动压支撑、特殊涂层技术等。目前国内已经掌握静压支撑、动压支撑技术，在许多设备上已经应用了这些技术。但在特殊涂层技术方面，国内技术与国外先进水平还相差甚远，有待进一步的研究和提高。在减轻作动器质量方面，国外大都是在选择特殊材料方面下工夫，如荷兰fcs公司采用钛合金材料制做作动器。这种材料质量轻，刚度大，是最理想的材料。国内厂家目前还不具备这种条件。第二：伺服阀是伺服系统中的关键元件，是电液转换的关键环节，直接影响到伺服系统的响应速度和稳定性。国外的一些厂家，为了满足高频响、大功率的要求，与专业的伺服阀生产厂家共同开发一些专用伺服阀。如美国mts公司与世界上最大的伺服阀生产公司MOOG联合设计生产了许多特殊用途的伺服阀，如mts-257伺服阀频率可达500hz。根据最新资料，目前mts公司已经开发出频响达到1000hz的伺服阀。国内伺服阀的研究、生产和应用主要集中在航天、航空领域而非民用，这也是局限国产电液伺服阀发展的一个重要原因。4.4国内外电液伺服阀发展趋势当前，新型电液伺服阀技术的发展趋势主要体现在新型结构的设计、新型材料的采用及电子化、数字化技术与液压技术的结合等几方面[9]。电液伺服阀技术发展极大促进了液压控制技术的发展。1.新型结构的设计在20世纪90年代，国外研制直动型电液伺服阀获得了较大的成就。现形成系列产品的有Moog公司的D633、D634系列的直动阀、伊顿威格士（EatonVickers）公司的LFDC5V型、德国Bosch公司的NC10型、日本三菱及KYB株式会社合作开发的MK型阀及Moog公司与俄罗期沃斯霍得工厂合作研制的直动阀等。该类型的伺服阀去掉了一般伺服阀的前置级利用一个较大功率的力矩马达直接拖动阀芯，并由一个高精度的阀芯位移传感器作为反馈。该阀的最大特点是无前置级，提高了伺服阀的抗污染能力。同时由于去掉了许多难加工零件，降低了加工成本，可广泛使用于工业伺服控制的场合。国内有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、浙江工业大学等单位也研制出了相关产品的样机。特别是北京航空航天大学研制出转阀式直动型电液伺服阀[10]。该伺服阀通过将普通伺服阀的滑阀滑动结构转变为滑阀的转动，并在阀芯与阀套上相应开了几个与轴向有一定倾角的斜槽。阀芯阀套相互转动时，斜槽相互开通或相互封闭，从而控制输出压力或流量。由于在工作时阀芯阀套是相互转动的，降低了阀工作时的摩擦阻力，同时污染物不容易在转动的滑阀内堆积，提高了抗污染性能。此外，Park公司开发了“音圈驱动(VoiceCoilDrive)”技术（VCD），以及以此技术为基础开发的DFplus控制阀。所谓音圈驱动技术，顾名思义，即是类似于扬声器的一种驱动装置，其基本结构就是套在固定的圆柱形永久磁铁上的移动线圈，当信号电流输入线圈时，在电磁效应的作用下，线圈中产生与信号电流相对应的轴向作用力控制工程网版权所有，并驱动与线圈直接相连的阀芯运动，驱动力很大。线圈上内置了位移反馈传感器，因此，采用VCD驱动的DFplus阀本质上是以闭环方式进行控制的[11]，线性度相当好。此外，由于VCD驱动器的运动零件只是移动线圈，惯量极小，相对运动的零件之间也没有任何支承，DFplus阀的全部支承就是阀芯和阀体间的配合面，大大减小了摩擦这一非线性因素对控制品质的影响。综合上述的技术特点，配合内置的数字控制模块，使DFplus阀的控制性能佳，尤其在频率响应方面更是优越，可达400Hz。从发展趋势来看，新型直动型电液伺服阀在某些行业有替代传统伺服阀特别是喷嘴挡板式伺服阀的趋向，但它的最大问题在于体积大、重量重，只适用于对场地要求较低的工业伺服控制场合。如能减轻其重量、减小其体积，在航空、航天等军工行业亦具有极大的发展潜力。另外，近年来伺服阀新型的驱动方式除了力矩马达直接驱动外，还出现了采用步进电机、伺服电机、新型电磁铁等驱动结构以及光-液直接转换结构的伺服阀。这些新技术的应用不仅提高了伺服阀的性能，而且为伺服阀发展开拓了思路，为电液伺服阀技术注入了新的活力。2.新型材料的采用当前在电液伺服阀研制领域的新型材料运用，主要是以压电元件、超磁致伸缩材料及形状记忆合金等为基础的转换器研制开发。它们各具有其自己的优良特性[12]。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会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，形变与电场强度成正比。压电元件的主要材料为压电陶瓷（PZT）、电致伸缩材料（PMN）等。比较典型的压电陶瓷材料有日本TOKIN公司的叠堆型压电伸缩陶瓷等。PZT直动式伺服阀的原理是：在阀芯两端通过钢球分别与两块多层压电元件相连。通过压电效应使压电材料产生伸缩驱动阀芯移动。实现电-机械转换。PMN喷嘴挡板式伺服阀则在喷嘴处设置一与压电叠堆固定连接的挡板，由压电叠堆的伸、缩实现挡板与喷嘴间的间隙增减，使阀芯两端产生压差推动阀芯移动。目前压电式电-机械转换器的研制比较成熟并已得到较广泛的应用。它具有频率响应快的特点控制工程网版权所有，伺服阀频宽甚至能达到上千赫兹，但亦有滞环大、易漂移等缺点，制约了压电元件在电液伺服阀上的进一步应用。超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料（GMM）与传统的磁致伸缩材料相比，在磁场的作用下能产生大得多的长度或体积变化。利用GMM转换器研制的直动型伺服阀是把GMM转换器与阀芯相连，通过控制驱动线圈的电流，驱动GMM的伸缩，带动阀芯产生位移从而控制伺服阀输出流量。该阀与传统伺服阀相比不仅有频率响应高的特点，而且具有精度高、结构紧凑的优点[13]。目前，在GMM的研制及应用方面，美国、瑞典和日本等国处于领先水平。国内浙江大学利用GMM技术对气动喷嘴挡板阀和内燃机燃料喷射系统的高速强力电磁阀，进行了结构设计和特性研究。从目前情况来看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、输出力大等特点。世界各国对GMM电-机械转换器及相关的技术研究相当重视，GMM技术水平快速发展，已由实验室研制阶段逐步进入市场开发阶段。今后还需解决GMM的热变形、磁晶各向异性、材料腐蚀性及制造工艺、参数匹配等方面的问题以利于在高科技领域得到广泛运用。形状记忆合金形状记忆合金（SMA）的特点是具有形状记忆效应。将其在高温下定型后，冷却到低温状态，对其施加外力。一般金属在超过其弹性变形后会发生永久变形，而SMA却在将其加热到某一温度之上后，会恢复其原来高温下的形状。利用其特性研制的伺服阀是在阀芯两端加一组由形状记忆合金绕制的SMA执行器，通过加热和冷却的方法来驱动SMA执行器，使阀芯两端的形状记忆合金伸长或收缩，驱动阀芯作用移动，同时加入位置反馈来提高伺服阀的控制性能。从该阀的情况来看，SMA虽变形量大，但其响应速度较慢，且变形不连续，也限制了其应用范围。与传统伺服阀相比，采用新型材料的电-机械转换器研制的伺服阀，普遍具有高频响、高精度、结构紧凑的优点。虽然目前还各自呈在某些关键技术需要解决，但新型功能材料的应用和发展，给电液伺服阀的技术发展发展提供了新的途径。3.电子化、数字化技术的运用目前电子化、数字化技术在电液伺服阀技术上的运用主要有两种方式：其一，在电液伺服阀模拟控制元器件上加入D/A转换装置来实现其数字控制。随着微电子技术的发展，可把控制元器件安装在阀体内部，通过计算机程序来控制阀的性能，实现数字化补偿等功能。但存在模拟电路容易产生零漂、温漂，需加D/A转换接口等问题。其二，为直动式数字控制阀。通过用步进电机驱动阀芯，将输入信号转化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、速度及位置开环可控及可直接数字控制等优点，被广泛使用。但在实时性控制要求较高的场合，如按常规的步进方法，无法兼顾量化精度及响应速度的要求。浙江工业大学采用了连续跟踪控制的办法，消除了两者之间的矛盾，获得了良好的动态特性。此外还有通过直流力矩电机直接驱动阀芯来实现数字控制等多种控制方式或伺服阀结构改变等方法来形成众多的数字化伺服阀产品。随着各项技术水平的发展，通过采用新型的传感器和计算机技术研制出机械、电子、传感器及计算机自我管理（故障诊断、故障排除）为一体的智能化新型伺服阀。该类伺服阀可按照系统的需要来确定控制目标：速度、位置、加速度、力或压力[14]。同一台伺服阀可以根据控制要求设置成流量控制伺服阀、压力控制伺服阀或流量/压力复合控制伺服阀。并且伺服阀的控制参数，如流量增益、流量增益特性、零点等都可以根据控制性能最优化原则进行设置。伺服阀自身的诊断信息、关键控制参数（包括工作环境参数和伺服阀内部参数）可以及时反馈给主控制器；可以远距离对伺服阀进行监控、诊断和遥控。在主机调试期间控制工程网版权所有，可以通过总线端口下载或直接由上位机设置伺服阀的控制参数，使伺服阀与控制系统达到最佳匹配，优化控制性能[15]。而伺服阀控制参数的下载和更新，甚至在主机运转时也能进行。而在伺服阀与控制系统相匹配的技术应用发展中，嵌入式技术对于伺服阀已经成为现实。按照嵌入式系统应定义为：“嵌入到对像体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“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芯片和相应的控制系统，针对客户的具体应用要求而构建成具有最优控制参数的伺服阀并由阀自身的控制系统完成相应的控制任务（如各控制轴同步控制），再嵌入到整个的大液压控制系统中去。从目前的技术发展和液压控制系统对伺服阀的要求看控制工程网版权所有，伺服阀的自诊断和自检测功能应该有更大的发展。参考文献[1]李鹏.压电驱动式双喷嘴电液伺服阀的研究[D].吉林大学,2004.05:3-4.[2]MatthewE.Kontz.HapticControlOfHydraulicMachineryUsingProportionalValves[D].theG.W.Woodruff.[3]李跃松,朱玉川,吴洪涛,田一松,牛世勇.电液伺服阀的研究现状[J].航空兵器,2010,06:20-24.[4]康双琦,江林秋.电液伺服阀的发展历史及研究现状分析[J].资治文摘(管理版),2009,05:194.[5]江金林.电液伺服阀动压反馈特性及测试方法研究[D].华东理工大学,2013.[6]吴泊宁,张小洁,王大智.引入反馈杆动刚度的电液伺服阀动力稳定性研究[J].液压与气动,2009,03:70-72.[7]李言军.电液伺服/比例放大器的研究[D].浙江大学,2007.02:77-89.[8]方群,黄增.电液伺服阀的发展历史、研究现状及发展趋势[J].机床与液压,2007,11:162-165.[9]李其朋,丁凡.一种新型直动式电液伺服阀的研制[A].中国机械工程学会流体传动与控制分会.中国机械工程学会流体传动与控制分会第六届全国流体传动与控制学术会议论文集[C].中国机械工程学会流体传动与控制分会:,2010:4.[10]王磊.电液伺服阀控制方法研究[J].黑龙江科技信息,2012,21:34.[11]王军政.电液伺服阀控马达速度闭环数字控制系统的应用研究[J].北京理工大学学报,2002,02:184-187.[12]赵淳.直动式电液伺服阀的研究与应用[J].液压与气动,2011,12:77-79.[13]ProportionalandServoValvetechnology.FulidPowerJournal,March/April2003:23-25.[14]SashiKumarGN,MahendraAK.ShapeOptimizationUsingHybridGA-ACOMethodandGrid-FreeCFDSolver[c].18thAIAAComputationalFluidDynamicsConference,Miam.June,2007:25-28.[15]陈彬,易孟林.电液伺服阀的研究现状和发展趋势[J].液压