美國(guó)穆格MOOG伺服閥新型材料的采用

美國(guó)穆格MOOG伺服閥新型材料的采用

　　當(dāng)前在電液伺服閥研制領(lǐng)域的新型材料運(yùn)用，主要是以壓電元件、超磁致伸縮材料及形狀記憶合金等為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)換器研制開(kāi)發(fā)。它們各具有其自己的優(yōu)良特性。

　　1.壓電元件

　　壓電元件的特點(diǎn)是“壓電效應(yīng)"：在一定的電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生外形尺寸的變化，在一定范圍內(nèi)，形變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。壓電元件的主要材料為壓電陶瓷（PZT）、電致伸縮材料（PMN）等。比較典型的壓電陶瓷材料有日本TOKIN公司的疊堆型壓電伸縮陶瓷等。PZT直動(dòng)式伺服閥的原理是：在閥芯兩端通過(guò)鋼球分別與兩塊多層壓電元件相連。通過(guò)壓電效應(yīng)使壓電材料產(chǎn)生伸縮驅(qū)動(dòng)閥芯移動(dòng)。實(shí)現(xiàn)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換。PMN噴嘴擋板式伺服閥則在噴嘴處設(shè)置一與壓電疊堆固定連接的擋板，由壓電疊堆的伸、縮實(shí)現(xiàn)擋板與噴嘴間的間隙增減，使閥芯兩端產(chǎn)生壓差推動(dòng)閥芯移動(dòng)。壓電式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的研制比較成熟并已得到較廣泛的應(yīng)用。它具有頻率響應(yīng)快的特點(diǎn)，伺服閥頻寬甚至能達(dá)到上千赫茲，但亦有滯環(huán)大、易漂移等缺點(diǎn)，制約了壓電元件在電液伺服閥上的進(jìn)一步應(yīng)用。

　　2.超磁致伸縮材料

　　超磁致伸縮材料（GMM）與傳統(tǒng)的磁致伸縮材料相比，在磁場(chǎng)的作用下能產(chǎn)生大得多的長(zhǎng)度或體積變化。利用GMM轉(zhuǎn)換器研制的直動(dòng)型伺服閥是把 GMM轉(zhuǎn)換器與閥芯相連，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)線圈的電流，驅(qū)動(dòng)GMM的伸縮，帶動(dòng)閥芯產(chǎn)生位移從而控制伺服閥輸出流量。該閥與傳統(tǒng)伺服閥相比不僅有頻率響應(yīng)高的特點(diǎn)，而且具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。在GMM的研制及應(yīng)用方面，美國(guó)、瑞典和日本等國(guó)處于水平。國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)利用GMM技術(shù)對(duì)氣動(dòng)噴嘴擋板閥和內(nèi)燃機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的高速?gòu)?qiáng)力電磁閥，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特性研究。GMM材料與壓電材料和傳統(tǒng)磁致伸縮材料相比，具有應(yīng)變大、能量密度高、響應(yīng)速度快、輸出力大等特點(diǎn)。世界各國(guó)對(duì)GMM電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器及相關(guān)的技術(shù)研究相當(dāng)重視，GMM技術(shù)水平快速發(fā)展，已由實(shí)驗(yàn)室研制階段逐步進(jìn)入市場(chǎng)開(kāi)發(fā)階段。今后還需解決GMM的熱變形、磁晶各向異性、材料腐蝕性及制造工藝、參數(shù)匹配等方面的問(wèn)題以利于在高科技領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。

　　3.形狀記憶合金

　　形狀記憶合金（SMA）的特點(diǎn)是具有形狀記憶效應(yīng)。將其在高溫下定型后，冷卻到低溫狀態(tài)，對(duì)其施加外力。一般金屬在超過(guò)其彈性變形后會(huì)發(fā)生變形，而SMA卻在將其加熱到某一溫度之上后，會(huì)恢復(fù)其原來(lái)高溫下的形狀。利用其特性研制的伺服閥是在閥芯兩端加一組由形狀記憶合金繞制的SMA執(zhí)行器，通過(guò)加熱和冷卻的方法來(lái)驅(qū)動(dòng)SMA執(zhí)行器，使閥芯兩端的形狀記憶合金伸長(zhǎng)或收縮，驅(qū)動(dòng)閥芯作用移動(dòng)，同時(shí)加入位置反饋來(lái)提高伺服閥的控制性能。從該閥的情況來(lái)看，SMA雖變形量大，但其響應(yīng)速度較慢，且變形不連續(xù)，也限制了其應(yīng)用范圍。

　　美國(guó)穆格MOOG伺服閥新型材料的采用與傳統(tǒng)伺服閥相比，采用新型材料的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器研制的伺服閥，普遍具有高頻響、高精度、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。雖然還各自呈在某些關(guān)鍵技術(shù)需要解決，但新型功能材料的應(yīng)用和發(fā)展，給電液伺服閥的技術(shù)發(fā)展發(fā)展提供了新的途徑。

　　電子化、數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用

　　電子化、數(shù)字化技術(shù)在電液伺服閥技術(shù)上的運(yùn)用主要有兩種方式：其一，在電液伺服閥模擬控制元器件上加入D/A轉(zhuǎn)換裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)其數(shù)字控制。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，可把控制元器件安裝在閥體內(nèi)部，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序來(lái)控制閥的性能，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化補(bǔ)償?shù)裙δ堋５嬖谀M電路容易產(chǎn)生零漂、溫漂，需加D/A 轉(zhuǎn)換接口等問(wèn)題。其二，為直動(dòng)式數(shù)字控制閥。通過(guò)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥芯，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化成電機(jī)的步進(jìn)信號(hào)來(lái)控制伺服閥的流量輸出。該閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、速度及位置開(kāi)環(huán)可控及可直接數(shù)字控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用。但在實(shí)時(shí)性控制要求較高的場(chǎng)合，如按常規(guī)的步進(jìn)方法，無(wú)法兼顧量化精度及響應(yīng)速度的要求。浙江工業(yè)大學(xué)采用了連續(xù)跟蹤控制的辦法，消除了兩者之間的矛盾，獲得了良好的動(dòng)態(tài)特性。此外還有通過(guò)直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)閥芯來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制等多種控制方式或伺服閥結(jié)構(gòu)改變等方法來(lái)形成眾多的數(shù)字化伺服閥產(chǎn)品。

　　隨著各項(xiàng)技術(shù)水平的發(fā)展，通過(guò)采用新型的傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)研制出機(jī)械、電子、傳感器及計(jì)算機(jī)自我管理（故障診斷、故障排除）為一體的智能化新型伺服閥。該類伺服閥可按照系統(tǒng)的需要來(lái)確定控制目標(biāo)：速度、位置、加速度、力或壓力。同一臺(tái)伺服閥可以根據(jù)控制要求設(shè)置成流量控制伺服閥、壓力控制伺服閥或流量/ 壓力復(fù)合控制伺服閥。并且伺服閥的控制參數(shù)，如流量增益、流量增益特性、零點(diǎn)等都可以根據(jù)控制性能化原則進(jìn)行設(shè)置。伺服閥自身的診斷信息、關(guān)鍵控制參數(shù)（包括工作環(huán)境參數(shù)和伺服閥內(nèi)部參數(shù)）可以及時(shí)反饋給主控制器；可以遠(yuǎn)距離對(duì)伺服閥進(jìn)行監(jiān)控、診斷和遙控。在主機(jī)調(diào)試期間，可以通過(guò)總線端口下載或直接由上位機(jī)設(shè)置伺服閥的控制參數(shù)，使伺服閥與控制系統(tǒng)達(dá)到最佳匹配，優(yōu)化控制性能。而伺服閥控制參數(shù)的下載和更新，甚至在主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也能進(jìn)行。而在伺服閥與控制系統(tǒng)相匹配的技術(shù)應(yīng)用發(fā)展中，嵌入式技術(shù)對(duì)于伺服閥已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。按照嵌入式系統(tǒng)應(yīng)定義為：“嵌入到對(duì)像體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)"。“嵌入性"、“專用性"與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)"是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素。它是在傳統(tǒng)的伺服閥中嵌入專用的微處理芯片和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，針對(duì)客戶的具體應(yīng)用要求而構(gòu)建成具有參數(shù)的伺服閥并由閥自身的控制系統(tǒng)完成相應(yīng)的控制任務(wù)（如各控制軸同步控制），再嵌入到整個(gè)的大液壓控制系統(tǒng)中去。從的技術(shù)發(fā)展和液壓控制系統(tǒng)對(duì)伺服閥的要求看，伺服閥的自診斷和自檢測(cè)功能應(yīng)該有更大的發(fā)展