本發(fā)明涉及一種小功率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)式伺服插裝閥及其閉環(huán)控制方法，屬于插裝閥技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前已有的比例伺服插裝閥有兩種：

1、比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)液壓伺服先導(dǎo)型插裝閥，工作原理為采用比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)液壓伺服先導(dǎo)閥方式，最終控制主閥閥口位置，因此主閥及先導(dǎo)閥均需采用位移傳感器并采用控制器進(jìn)行雙閉環(huán)控制才可以達(dá)到高精度控制要求。這種傳統(tǒng)的插裝閥主要缺點(diǎn)是：a、由于先導(dǎo)閥和主閥均使用位移傳感器，該傳感器的精度和可靠性成為該插裝閥的主要故障原因之一；b、傳感器成本相對(duì)較高；c、需要復(fù)雜閉環(huán)控制器及其閉環(huán)控制計(jì)算方法，調(diào)試工作量大；d、該插裝閥的工作精度受控制壓力、系統(tǒng)壓力溫度等因素的干擾大，導(dǎo)致閥的工作難以達(dá)到穩(wěn)定的效果。

2、大功率伺服電機(jī)直驅(qū)插裝閥，工作原理為大功率伺服電機(jī)直驅(qū)插裝閥主閥芯并進(jìn)行伺服控制，其主要缺點(diǎn)是：a、大功率伺服電機(jī)安裝尺寸大，無(wú)法在插裝閥集成系統(tǒng)中推廣應(yīng)用；b、大功率伺服電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)速度交底，插裝閥的動(dòng)態(tài)控制精度難以保證；c、大功率伺服電機(jī)的位置反饋分辨率較低，難以達(dá)到高精度控制。

鑒于此，有必要針對(duì)現(xiàn)有比例伺服插裝閥進(jìn)行改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，本發(fā)明旨在提供一種小功率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)式伺服插裝閥及其閉環(huán)控制方法，其利用小功率伺服電機(jī)的高響應(yīng)、高定位精度達(dá)到伺服插裝閥的高響應(yīng)和高控制精度，并全程采用機(jī)械位移反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，控制成本低、精度及穩(wěn)定性高。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案：一種小功率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)式伺服插裝閥，其包括下端部分別具有控制油口、泄油口的主閥體、及固定配合于該主閥體中心通孔下部且同樣具有中心通孔的閥套，該閥套下端部設(shè)有工作油口A、工作油口B，在所述主閥體、閥套的中心通孔上滑動(dòng)配合有可控制所述工作油口A、工作油口B之間所形成主閥口通斷的主閥芯，其特征在于：

所述主閥體上端具有端蓋及定位于該端蓋上的伺服電機(jī)，該伺服電機(jī)下方具有可與所述主閥芯上部沉孔滑動(dòng)配合且由該伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降的控制閥芯，

所述主閥芯頂部與所述主閥體、端蓋之間具有第一油腔，且該主閥芯為階梯軸結(jié)構(gòu)，其大徑軸段上軸肩與所述主閥體之間形成第三油腔、大徑軸段下軸肩與所述主閥體、閥套之間形成第五油腔、次徑軸段下軸肩與所述閥套之間形成有第九油腔，且所述大徑軸段上軸肩、大徑軸段下軸肩及次徑軸段下軸肩的端面面積依次遞減，

所述控制閥芯與所述主閥芯沉孔之間自上而下依次形成有第二油腔、第四油腔、第六油腔、第七油腔及第十油腔，且所述控制閥芯上具有連通所述第二油腔至所述第十油腔的第四油路，所述主閥芯上具有連通所述第四油腔至所述第三油腔的第一油路、連通所述第三油腔至所述第七油腔的第三油路；

所述閥套上具有連通所述第九油腔至所述泄油口的第五油路，所述主閥芯上具有連通所述第九油腔至所述第十油腔的第六油路；所述主閥芯上具有連通所述第五油腔至第六油腔的第二油路，且該第五油腔與所述控制油口相連通；所述主閥芯上具有連通所述第一油腔至所述工作油口A的第七油路；

其中，所述控制閥芯上具有可控制所述第四油腔、第六油腔之間所形成第一控制閥口通斷的第一階梯軸肩、及可控制所述第七油腔、第十油腔之間所形成第二控制閥口通斷的第二階梯軸肩。

進(jìn)一步的，所述伺服電機(jī)通過(guò)電機(jī)支架定位于所述端蓋上，且該伺服電機(jī)的動(dòng)力輸出軸連接有聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器與通過(guò)軸承定位在所述電機(jī)支架上的控制絲桿連接，該控制絲桿下端與所述控制閥芯螺紋連接；所述端蓋上具有可用于控制所述控制閥芯升降而不轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)向鍵。

進(jìn)一步的，所述伺服電機(jī)為小功率伺服電機(jī)，且該伺服電機(jī)上具有用于控制該伺服電機(jī)轉(zhuǎn)向的伺服驅(qū)動(dòng)器。

進(jìn)一步的，所述主閥芯上端面環(huán)形面積與該主閥芯下端面環(huán)形面積相等；且所述大徑軸段上軸肩的臺(tái)階面環(huán)形面積：所述大徑軸段下軸肩的臺(tái)階面積環(huán)形面積：次徑軸段下軸肩的臺(tái)階面環(huán)形面積＝4：2：1。

進(jìn)一步的，所述主閥體、閥套之間具有第八油腔，所述泄油口與該第八油腔相通，所述第五油路兩端分別連接該第八油腔與所述第九油腔。

進(jìn)一步的，所述控制閥芯向上處于上極限位置時(shí)，所述主閥口開(kāi)啟最大位置，且所述第二控制閥口處于關(guān)閉狀態(tài)；所述控制閥芯向下處于下極限位置時(shí)，所述主閥口處于關(guān)閉狀態(tài)，且所述第一控制閥口也處于關(guān)閉狀態(tài)。

本發(fā)明同時(shí)同開(kāi)了一種前述小功率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)式伺服插裝閥的閉環(huán)控制方法，其包括

S1、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制閥芯向上運(yùn)動(dòng)Δx后，第二控制閥口開(kāi)啟Δx，第一控制閥口關(guān)閉，第三油腔依次經(jīng)過(guò)第三油路、第七油腔、第十油腔、第六油路、第五油路與所述泄油口相通；

油壓在第五油腔對(duì)主閥芯產(chǎn)生向上作用力，使得主閥芯向上運(yùn)動(dòng)，主閥口開(kāi)啟并逐步加大，同時(shí)第二控制閥口逐步減小，當(dāng)主閥芯向上運(yùn)動(dòng)Δx后，主閥口開(kāi)口加大至Δx，第二控制閥口重新關(guān)閉；第一控制閥口關(guān)閉，第三油腔無(wú)法與泄油口聯(lián)通致使該第三油腔壓力上升，直至與第五油腔上的油壓形成壓力平衡，主閥芯停止向上運(yùn)動(dòng)，主閥口保持在Δx開(kāi)口上處于平衡狀態(tài)；

S2、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制閥芯向下運(yùn)動(dòng)Δy后，第二控制閥口關(guān)閉，第一控制閥口開(kāi)啟Δy，控制油口與第五油腔相通，并依次通過(guò)第二油路、第六油腔、第四油腔、第一油路與第三油腔相連通；

因第二控制閥口關(guān)閉，第三油腔無(wú)法與泄油口聯(lián)通，使得油壓在第三油腔對(duì)主閥芯產(chǎn)生向下作用力，使得主閥芯向下運(yùn)動(dòng)，主閥口開(kāi)口逐漸減小，第一控制閥口逐漸減小，當(dāng)主閥芯向下運(yùn)動(dòng)Δy后，主閥口開(kāi)口下降Δy，第一控制閥口重新關(guān)閉；第二控制閥口關(guān)閉，第三油腔無(wú)法與泄油口聯(lián)通，而控制油口與第五油腔相通，致使第三油腔壓力上升，直至與第五油腔上的油壓形成壓力平衡，主閥芯停止向下運(yùn)動(dòng)，主閥口保持在下降Δy開(kāi)口上處于平衡狀態(tài)。

本發(fā)明的有益效果：利用小功率伺服電機(jī)的高響應(yīng)、高定位精度達(dá)到伺服插裝閥的高響應(yīng)和高控制精度，并全程采用機(jī)械位移反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，控制成本低、精度及穩(wěn)定性高。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的部件圖；

圖2是圖1中的指示油腔油路的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是圖1中的指示控制閥口的結(jié)構(gòu)圖；

圖4是圖1中控制閥芯上行Δx且主閥芯上行前的結(jié)構(gòu)圖；

圖5是圖1中控制閥芯上行Δx且主閥芯上行Δx的結(jié)構(gòu)圖；

圖6是圖1中控制閥芯下行Δy且主閥芯下行前的結(jié)構(gòu)圖；

圖7是圖1中控制閥芯下行Δy且主閥芯下行Δy的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例及附圖來(lái)進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。

一種如圖1-圖7所示的小功率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)式伺服插裝閥，其包括下端部分別具有控制油口Z1、泄油口Y的主閥體11、及固定配合于該主閥體11中心通孔下部且同樣具有中心通孔的閥套7，該閥套7下端部設(shè)有工作油口A、工作油口B，在主閥體11、閥套7的中心通孔上滑動(dòng)配合有可控制工作油口A、工作油口B之間所形成主閥口FQ3通斷的主閥芯8，

主閥體11上端具有端蓋4及定位于該端蓋4上的伺服電機(jī)1，該伺服電機(jī)1下方具有可與主閥芯8上部沉孔滑動(dòng)配合且由該伺服電機(jī)1驅(qū)動(dòng)升降的控制閥芯10，

主閥芯8頂部與主閥體11、端蓋4之間具有第一油腔YQ1，且該主閥芯8為階梯軸結(jié)構(gòu)，其大徑軸段上軸肩與主閥體11之間形成第三油腔YQ3、大徑軸段下軸肩與主閥體11、閥套7之間形成第五油腔YQ5、次徑軸段下軸肩與閥套7之間形成有第九油腔YQ9，且大徑軸段上軸肩、大徑軸段下軸肩及次徑軸段下軸肩的端面面積依次遞減，

控制閥芯10與主閥芯8沉孔之間自上而下依次形成有第二油腔YQ2、第四油腔YQ4、第六油腔YQ6、第七油腔YQ7及第十油腔YQ10，且控制閥芯10上具有連通第二油腔YQ2至第十油腔YQ10的第四油路YL4，主閥芯8上具有連通第四油腔YQ4至第三油腔YQ3的第一油路YL1、連通第三油腔YQ3至第七油腔YQ7的第三油路YL3；

閥套7上具有連通第九油腔YQ9至泄油口Y的第五油路YL5，主閥芯8上具有連通第九油腔YQ9至第十油腔YQ10的第六油路YL6；主閥芯8上具有連通第五油腔YQ5至第六油腔YQ6的第二油路YL2，且該第五油腔YQ5與控制油口Z1相連通；主閥芯8上具有連通第一油腔YQ1至工作油口A的第七油路YL7；

其中，控制閥芯10上具有可控制第四油腔YQ4、第六油腔YQ6之間所形成第一控制閥口FQ1通斷的第一階梯軸肩、及可控制第七油腔YQ7、第十油腔YQ10之間所形成第二控制閥口FQ2通斷的第二階梯軸肩。

本例中的控制油口Z1、泄油口Y均于主閥體11上采用雙接口形式，如圖1其中控制油口Z1上一接口采用螺塞堵口，泄油口Y上一接口采用絲堵堵口，以便于后期維護(hù)或它用。在主閥體11、閥套7之間具有第八油腔YQ8，泄油口Y與該第八油腔YQ8相通，第五油路YL5兩端分別連接該第八油腔YQ8與第九油腔YQ9，通過(guò)第八油腔YQ8的設(shè)置，以保證整個(gè)插裝閥的壓力平穩(wěn)。

伺服電機(jī)1通過(guò)電機(jī)支架3定位于端蓋4上，且該伺服電機(jī)1的動(dòng)力輸出軸連接有聯(lián)軸器2，該聯(lián)軸器2與通過(guò)軸承12定位在電機(jī)支架3上的控制絲桿12連接，該控制絲桿12下端與控制閥芯10螺紋連接；端蓋4上具有可用于控制控制閥芯10升降而不轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)向鍵5，使用時(shí)，通過(guò)該控制絲桿12、導(dǎo)向鍵5將伺服電機(jī)1的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為控制閥芯10的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本例中的伺服電機(jī)1為小功率伺服電機(jī)，且該伺服電機(jī)1上具有用于控制該伺服電機(jī)1轉(zhuǎn)向的伺服驅(qū)動(dòng)器14。

主閥芯8上端面環(huán)形面積S1與該主閥芯8下端面環(huán)形面積S4相等；且大徑軸段上軸肩的臺(tái)階面環(huán)形面積S2：大徑軸段下軸肩的臺(tái)階面積環(huán)形面積S3：次徑軸段下軸肩的臺(tái)階面環(huán)形面積S5＝4：2：1，具體如工作油口A工作壓力小于等于35MPa，工作油口B的工作壓力小于等于35MPa，控制油口Z1接外部控制油源并且控制油源壓力為8～25MPa，泄油口Y接泄油油路且最大泄油背壓阻力不大于2MPa。

作業(yè)時(shí)，最大泄油背壓S5上對(duì)主閥芯8向上的作用力被控制油在S2、S3的面積差上產(chǎn)生的向下作用力平衡；而最大泄油背壓在S2上對(duì)主閥芯8向下的作用力被控制油在S3上對(duì)主閥芯8向上的作用力所平衡，因此對(duì)于泄油背壓及工作油口A的油壓對(duì)主閥芯8的作用力影響全部由結(jié)構(gòu)限定及工作條件限定消除。主閥芯8的上下運(yùn)動(dòng)及位置保持只取決于主閥芯上S2及S3上控制油產(chǎn)生的對(duì)主閥芯8的作用力。

伺服電機(jī)1正向旋轉(zhuǎn)經(jīng)聯(lián)軸器2驅(qū)動(dòng)控制絲桿13在導(dǎo)向鍵5作用下，控制絲桿13產(chǎn)生向上位移，最終帶動(dòng)控制閥芯10向上運(yùn)動(dòng)并處于上極限位置時(shí)確保主閥口FQ3開(kāi)啟最大位置，且第二控制閥口FQ2處于關(guān)閉狀態(tài)；同理，伺服電機(jī)1反向旋轉(zhuǎn)經(jīng)聯(lián)軸器2驅(qū)動(dòng)控制絲桿13在導(dǎo)向鍵5作用下，控制絲桿13產(chǎn)生向下位移，最終帶動(dòng)控制閥芯10向下運(yùn)動(dòng)并處于下極限位置時(shí)確保主閥口FQ3處于關(guān)閉狀態(tài)，且第一控制閥口FQ1也處于關(guān)閉狀態(tài)。

本發(fā)明公開(kāi)了前述小功率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)式伺服插裝閥的閉環(huán)控制方法，其包括有

S1、如圖4所示，伺服電機(jī)1正向旋轉(zhuǎn)經(jīng)聯(lián)軸器2驅(qū)動(dòng)控制絲桿13在導(dǎo)向鍵5作用下，控制絲桿13產(chǎn)生向上位移，最終帶動(dòng)控制閥芯10向上運(yùn)動(dòng)Δx后，第二控制閥口FQ2開(kāi)啟Δx，控制油口Z1與第五油腔YQ5相通，第一控制閥口FQ1處于關(guān)閉狀態(tài)，第三油腔YQ3依次經(jīng)過(guò)第三油路YL3、第七油腔YQ7、第十油腔YQ10、第六油路YL6、第五油路YL5與泄油口Y相通，也即是第三油腔YQ3泄壓；

因此，控制油壓在主閥芯8的S3上對(duì)主閥芯8產(chǎn)生向上的作用力，即在第五油腔YQ5對(duì)主閥芯8產(chǎn)生向上作用力，使得主閥芯8向上運(yùn)動(dòng)，主閥口FQ3開(kāi)啟并逐步加大，此過(guò)程中，同時(shí)第二控制閥口FQ2因主閥芯8的向上運(yùn)動(dòng)而逐步減小，當(dāng)主閥芯8向上運(yùn)動(dòng)Δx距離后，主閥口FQ3開(kāi)口加大至Δx，第二控制閥口FQ2重新關(guān)閉；如圖5所示，此時(shí)第二控制閥口FQ2處于關(guān)閉狀態(tài)，第一控制閥口FQ1也處于關(guān)閉狀態(tài)，第三油腔YQ3無(wú)法通過(guò)第三油路YL3、第七油腔YQ7、第十油腔YQ10、第六油路YL6、第五油路YL5與泄油口Y聯(lián)通，因控制油口Z1與第五油腔YQ5相通，致使該第三油腔YQ3壓力上升，因此控制油壓在主閥芯8的S3上對(duì)該主閥芯8繼續(xù)產(chǎn)生向上的作用力被第三油腔YQ3在S2上對(duì)主閥芯8繼續(xù)產(chǎn)生向下的作用力平衡掉，即與第五油腔YQ5上的油壓形成壓力平衡，主閥芯8停止向上運(yùn)動(dòng)，主閥口FQ3保持在Δx開(kāi)口上處于平衡狀態(tài)。

小結(jié)，該伺服電機(jī)1正向旋轉(zhuǎn)經(jīng)聯(lián)軸器2驅(qū)動(dòng)控制絲桿13在導(dǎo)向鍵5作用下，控制絲桿13產(chǎn)生向上位移，最終帶動(dòng)控制閥芯10向上運(yùn)動(dòng)Δx距離，則主閥芯8上行Δx距離，主閥口FQ3會(huì)在伺服電機(jī)1及伺服驅(qū)動(dòng)器14的動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制下保持開(kāi)口并處于平衡狀態(tài)。

S2、如圖6所示，伺服電機(jī)1正向旋轉(zhuǎn)經(jīng)聯(lián)軸器2驅(qū)動(dòng)控制絲桿13在導(dǎo)向鍵5作用下，控制絲桿13產(chǎn)生向下位移，最終帶動(dòng)控制閥芯10向下運(yùn)動(dòng)Δy后，第二控制閥口FQ2處于關(guān)閉狀態(tài)，第一控制閥口FQ1開(kāi)啟Δy，控制油口Z1與第五油腔YQ5相通，并依次通過(guò)第二油路YL2、第六油腔YQ6、第四油腔YQ4、第一油路YL1與第三油腔YQ3相連通；

因第二控制閥口FQ2處于關(guān)閉狀態(tài)，第三油腔YQ3無(wú)法與泄油口Y聯(lián)通，且由于S2＞S3，控制油壓在主閥芯8的S2上對(duì)主閥芯8產(chǎn)生向下的作用力大于控制油壓在主閥芯8的S3上對(duì)主閥芯8產(chǎn)生向上的作用力，使得主閥芯8向下運(yùn)動(dòng)，主閥口FQ3開(kāi)口逐漸減小，此過(guò)程中，第一控制閥口FQ1因主閥芯8下行運(yùn)動(dòng)而逐漸減小，當(dāng)主閥芯8向下運(yùn)動(dòng)Δy距離后，主閥口FQ3開(kāi)口下降Δy，第一控制閥口FQ1重新關(guān)閉；如圖7所示，第二控制閥口FQ2關(guān)閉，第三油腔YQ3無(wú)法與泄油口Y聯(lián)通，而控制油口Z1與第五油腔YQ5相通，致使第三油腔YQ3壓力上升，因此，控制油壓在主閥芯8的S3上對(duì)該主閥芯8繼續(xù)產(chǎn)生向上的作用力被第三油腔YQ3壓力在主閥芯8的S2上對(duì)主閥芯8繼續(xù)產(chǎn)生向下的作用力平衡掉，即與第五油腔YQ5上的油壓形成壓力平衡，主閥芯8停止向下運(yùn)動(dòng)，主閥口FQ3保持在下降Δy開(kāi)口上處于平衡狀態(tài)。

小結(jié)，該伺服電機(jī)1正向旋轉(zhuǎn)經(jīng)聯(lián)軸器2驅(qū)動(dòng)控制絲桿13在導(dǎo)向鍵5作用下，控制絲桿13產(chǎn)生向下位移，最終帶動(dòng)控制閥芯10向下運(yùn)動(dòng)Δy距離，則主閥芯8下上行Δy距離，主閥口FQ3會(huì)在伺服電機(jī)1及伺服驅(qū)動(dòng)器14的動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制下保持開(kāi)口并處于平衡狀態(tài)。

通過(guò)兩種狀態(tài)控制分析，伺服電機(jī)1旋轉(zhuǎn)經(jīng)聯(lián)軸器2驅(qū)動(dòng)控制絲桿13在導(dǎo)向鍵5作用下，控制絲桿13產(chǎn)生位移，最終帶動(dòng)控制閥芯10運(yùn)動(dòng)Δ距離，則主閥芯8同向產(chǎn)生Δ距離，主閥口FQ3在伺服電機(jī)1及伺服控制器14的動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制下保持開(kāi)口并處于平衡狀態(tài)。

以上對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的原理以及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只適用于幫助理解本發(fā)明實(shí)施例的原理；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在具體實(shí)施方式以及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。