本发明涉及伺服阀技术领域，尤其涉及一种耐高压数字式旋转电机驱动伺服阀。
背景技术
伺服阀是伺服系统的核心精密控制元件，它的性能直接影响甚至决定整个系统的性能。伺服阀能够精确地将毫安级的电流信号转换为控制伺服机构运动的大功率液压流量信号。前置级是伺服阀的关键部分，伺服阀工作中产生的前置级液动力能够决定整个伺服阀的性能。因此，前置级液动力的精确测量对于充分了解伺服阀性能与前置级关系乃至整阀特性的研究具有重要意义，为伺服阀的设计与性能优化提供重要依据。
中国专利cn107327591a公开了一种耐高压双向比例电磁铁驱动双弹簧结构比例伺服阀,包括四通伺服阀本体、耐高压双向比例电磁铁、霍尔位移传感器和数字式伺服控制器。但这种采用电磁铁中间一段行程作为工作区间，推力与压紧弹簧平衡，构成弹簧-质量块系统，受制于固有频率特性，稳定性差，控制算法复杂，而且又设置一个安全位，使得阀芯结构偏大，行程过长，控制复杂。中国专利cn106644213a公开了一种喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试装置，包括喷嘴挡板式伺服阀、十字型测杆、x轴激光位移传感器、x轴力传感器和x轴微位移直线推杆，该现有技术解决了无法测量伺服阀前置级液动力的难题；中国专利cn106762925a公开了一种双主控阀集成射流管伺服阀，两个两级伺服阀的两个阀芯通过联轴器连接在一起构成集成伺服阀；两级伺服阀上对称装有两个先导级组件，该伺服阀具有电气四余度、液压两余度特性，以及机械备份能力；但上述现有技术，通常采用喷嘴挡板或射流角式结构，抗污染能力较差，维护成本高。
基于上述情况，设计出一种结构简单、算法简单、动态响应高、抗污染能力强的伺服阀，已成为当务之急。
技术实现要素：
本发明的目的是解决伺服阀存在的结构复杂稳定性差、控制算法复杂、抗污染能力较差、维护成本高的技术难题，本发明提供了一种耐高压数字式旋转电机驱动伺服阀，本发明的伺服阀具有高性能、高响应、可靠性强、维护简单的特点。
本发明采用的技术方案是：一种耐高压数字式旋转电机驱动伺服阀，其特征在于：包括四通伺服阀本体、高响应旋转伺服电机、lvdt位移传感器、角位移传感器、偏心机构和数字式伺服控制器；所述四通伺服阀本体包括阀体、阀芯、阀套、端盖,所述阀芯为轻质四台肩带高精度光滑平槽的阀芯，所述阀套为带有节流窗口的阀套；所述高响应旋转伺服电机包括定子组件、转子组件、刚件、线圈；所述lvdt位移传感器连接在所述阀芯尾部，所述lvdt位移传感器包括调制解调电路、位置反馈杆；所述角位移传感器连接在所述转子组件的旋转轴尾部；所述偏心机构与旋转轴呈一体连接结构，所述偏心机构位于所述旋转轴的头部；所述数字式伺服控制器安装在罩壳上并通过电缆与lvdt位移传感器、角位移传感器和电机相连。
进一步地，所述阀芯套装与所述阀套内，然后再一起套装于阀体中，所述阀体的一端连接有端盖、所述端盖与所述阀体之间还具有密封圈；所述阀体的另一端具有与所述阀芯呈一体连接结构且伸出所述阀套及所述阀体的延伸轴，所述延伸轴的末端具有用于嵌套偏心机构的凹槽；所述延伸轴与所述旋转轴垂直，所述阀体的另一端呈还固定连接电机安装块，所述电机安装块与所述阀体之间还具有密封圈，所述延伸轴伸入电机安装块内，所述电机安装块与所述旋转轴之间设置有密封衬套；所述刚件套装于所述转子组件外部，所述定子组件及线圈位于所述刚件的外部；所述lvdt位移传感器的反馈杆与所述延伸轴紧密连接。
进一步地，所述延伸轴上的凹槽段的直径大于所述延伸轴的直径；所述凹槽为圆柱形轴中间部位除去上多半部分而形成凹陷槽，所述凹陷槽包括两个与延伸轴垂直的圆形端面及与两圆形端面呈一体连接结构的底面，其中外端面的外侧中心位置还具有尾段，所述尾段中心具有用以连接所述位置反馈杆的连接孔。
进一步地，所述偏心机构位于阀芯的外侧一端，所述偏心机构将所述转子组件的旋转角度转化为阀芯在水平方向的直线位移，所述lvdt位移传感器精确测量阀芯的直线位移并根据测量结果实时反馈调节所述转子组件的旋转角度。
进一步地，数字式伺服控制器与上位机连接，所述上位机的输入信号经数字式伺服控制器的pid控制程序转换为对应的电流输入到旋转电机的线圈中，当输入信号为零时，所述转子组件的转轴带动偏心轮处于中位，进而驱动轻质四台肩带高精度光滑平槽的阀芯停在中位，此时a、b油口均为关闭或零遮盖状态，无流量输出；当输入信号为正时，转子组件的转轴带动偏心轮处于左工位，进而驱动轻质四台肩带高精度光滑平槽的阀芯克服摩擦力和液动力，阀芯向左运动，阀口流通方向p→a、b→t，输出流量和压力；当输入信号为负时，转子组件的转轴带动偏心轮处于右工位，推动阀芯克服摩擦力和液动力，阀芯向右运动，阀口流通方向p→b、a→t，输出流量和压力。
进一步地，所述偏心机构与所述旋转轴连接的部位还具有与偏心机构和旋转轴呈一体结构的加强环。
进一步地，作为本发明一种可选的实施方式，所述偏心机构为由大圆端和小圆端平滑连接的凸轮结构，所述凸轮连接与所述旋转轴的一端，所述大圆端的直径等于凹陷槽内两圆形端面的径向距离，所述旋转轴偏置于所述凹陷槽内，所述大圆端至少有1/2圆弧段位于凹陷槽外；所述小圆端及平滑连接段全部位于凹陷槽内。所述小圆端与旋转轴连接部位具有环形的加强环，所述加强环表面为连接小圆端的端面及旋转轴侧面的弧面结构,位于小圆端的旋转轴侧面的加强环组成大于位于大圆端的旋转轴侧面的加强环组成。
进一步地，作为本发明一种优选的实施方式，所述偏心机构为旋转轴与圆球体呈偏心连接的偏心球结构，所述凹陷槽内两圆形端面的径向距离等于所述为偏心球的外径；所述偏心球与所述凹陷槽的底面不接触，所述偏心球转动过程中与两圆形端面呈点接触。所述偏心球与旋转轴连接部位具有环形的加强环，所述加强环表面为连接偏心球及旋转轴侧面的弧面结构。
进一步地，所述凹陷槽的最大深度为所述圆形端面直径的70-80％，优选为75％。
进一步地，所述高响应旋转伺服电机、lvdt位置传感器及偏心球机构安装在阀体的低压腔压力干扰小，密封简单。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的耐高压数字式旋转电机驱动伺服阀，高响应旋转伺服电机步距较小，响应速度快，力矩大，转子尾部固接角位移传感器，能精确测量电机的旋转角度，转子头部固接偏心机构，能将电机的旋转角度转化为阀芯在水平方向的直线位移，再利用lvdt位移传感器精确测量阀芯的直线位移，并根据测量结果实时反馈调节电机转子组件的旋转角度。而现有技术中，对阀芯的位移测量控制需将直线位移转量转化为圆弧位移量，然后再反馈称直线位移量，如此经过两级位移传递，则会传递和放大误差，造成伺服阀控制精度降低；而本发明中则采用lvdt位移传感器和阀芯直接连接，阀芯的位移可以直接测量出来，不需要再进行中间转化，因此本发明的结构、控制算法简单，响应速度快，控制精度高，可靠性强，结构简单，维护成本低。
(2)本发明的耐高压数字式旋转电机驱动伺服阀，偏心机构固接在转子头部，与偏心机构连接的凹槽位移阀芯的一端外部，且和整体加工，如此设计，伺服阀的体积较小，部件排布比较紧凑，阀芯采用轻质材料，刚度强，而且偏心机构和光滑的凹槽采用刚性接触，可减小摩擦阻力，传动精度也很高，进一步提升了伺服阀的精度和稳定性。
(3)本发明的耐高压数字式旋转电机驱动伺服阀，高响应旋转伺服电机、lvdt位置传感器及偏心机构安装在阀体低压腔，压力干扰小，密封简单，抗污能力强，而且拆装和维修比较方便，维护成本低。
(4)本发明的耐高压数字式旋转电机驱动伺服阀，结构动态特性优于传统伺服阀，数字式伺服控制器可调整不同系统参数，针对性强，适用场合广，可作为先导级驱动其他主级。
(5)本发明的耐高压数字式旋转电机驱动伺服阀，相比于比例电磁铁驱动的直动式伺服阀和传统伺服阀，结构简单，无安全位，抗污染能力强，维护成本低，控制算法简单。
(6)本发明的耐高压数字式旋转电机驱动伺服阀，偏心机构与旋转轴连接的部位还具有加强环，进一步增加了偏心机构和旋转轴之间的连接刚度和抗疲劳强度，进一步增加伺服阀长时间的运行精度。
附图说明
图1为本发明的伺服阀的结构示意图；
图2为本发明的伺服阀的主要部件的装配示意图；
图3为本发明的伺服阀偏心机构在中位时的结构示意图；
图4为本发明的伺服阀偏心机构在左工位时的结构示意图；
图5为本发明的伺服阀偏心机构在右工位时的结构示意图；
图6为本发明的伺服阀的阀芯的结构示意图；
图7为本发明中偏心机构为偏心球时的左、中、右工位的正视及俯视图；
图8为本发明中偏心机构为凸轮时的结构示意图；
图9为本发明中偏心机构为偏心球时的加强环的结构示意图；
图10为本发明中偏心机构为凸轮时的加强环的结构示意图；
附图标记如下：1、端盖，2、密封圈，3、阀芯，4、阀套，5、阀体，6、偏心机构，7、电机安装块，8、密封衬套，9、刚件，10、定子组件，11、转子组件，12、线圈，13、角位移传感器，14、lvdt位移传感器，15、位置反馈杆，16、数字式伺服控制器，17、罩壳。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1、图2所示，一种耐高压数字式旋转电机驱动伺服阀，其特征在于：包括四通伺服阀本体、高响应旋转伺服电机、lvdt位移传感器14、角位移传感器13、偏心机构和数字式伺服控制器；四通伺服阀本体包括阀体5、阀芯3、阀套4、端盖1,阀芯3为轻质四台肩带高精度光滑平槽的阀芯，阀套4为带有节流窗口的阀套；高响应旋转伺服电机包括定子组件10、转子组件11、刚件9、线圈12；lvdt位移传感器14连接在阀芯3尾部，lvdt位移传感器14包括调制解调电路、位置反馈杆15；角位移传感器13连接在转子组件11的旋转轴尾部；偏心机构与旋转轴呈一体连接结构，偏心机构6位于旋转轴的头部；数字式伺服控制器16安装在罩壳17上并通过电缆与lvdt位移传感器14、角位移传感器13和电机相连。
阀芯3套装与阀套4内，然后再一起套装于阀体5中，阀体5的一端连接有端盖1、端盖1与阀体5之间还具有密封圈2；阀体5的另一端具有与阀芯3呈一体连接结构且伸出阀套4及阀体5的延伸轴，延伸轴的末端具有用于嵌套偏心机构6的凹槽；延伸轴与旋转轴垂直，阀体5的另一端呈还固定连接电机安装块7，电机安装块7与阀体5之间还具有密封圈，延伸轴伸入电机安装块7内，电机安装块7与旋转轴之间设置有密封衬套8；刚件9套装于转子组件11外部，定子组件10及线圈12位于刚件9的外部；lvdt位移传感器14的反馈杆15与延伸轴紧密连接。
如图6所示，延伸轴上的凹槽段的直径大于延伸轴的直径；凹槽为圆柱形轴中间部位除去上多半部分而形成凹陷槽，凹陷槽包括两个与延伸轴垂直的圆形端面及与两圆形端面呈一体连接结构的底面，其中外端面的外侧中心位置还具有尾段，尾段中心具有用以连接位置反馈杆15的连接孔。
偏心机构6位于阀芯3的外侧一端，偏心机构6将转子组件11的旋转角度转化为阀芯3在水平方向的直线位移，lvdt位移传感器14精确测量阀芯3的直线位移并根据测量结果实时反馈调节转子组件11的旋转角度。
数字式伺服控制器16与上位机连接，上位机的输入信号经数字式伺服控制器16的pid控制程序转换为对应的电流输入到旋转电机的线圈12中，当输入信号为零时，转子组件11的转轴带动偏心轮6处于中位，进而驱动轻质四台肩带高精度光滑平槽的阀芯3停在中位，此时a、b油口均为关闭或零遮盖状态，无流量输出，如图3及图7所示；当输入信号为正时，转子组件11的转轴带动偏心轮6处于左工位，进而驱动轻质四台肩带高精度光滑平槽的阀芯3克服摩擦力和液动力，阀芯向左运动，b-t阀口打开，阀口流通方向p→a、b→t，输出流量和压力，如图4及图7所示；当输入信号为负时，转子组件11的转轴带动偏心轮6处于右工位，推动阀芯克服摩擦力和液动力，阀芯向右运动，p-b，a-t阀口打开，阀口流通方向p→b、a→t，输出流量和压力，如图5及图7所示。
此外，凹陷槽的最大深度为圆形端面直径的70-80％，优选为75％。
高响应旋转伺服电机、lvdt位置传感器及偏心球机构安装在阀体的低压腔压力干扰小，密封简单。
本发明的耐高压数字式旋转电机驱动伺服阀，高响应旋转伺服电机步距较小，响应速度快，力矩大，转子尾部固接角位移传感器，能精确测量电机的旋转角度，转子头部固接偏心机构，能将电机的旋转角度转化为阀芯在水平方向的直线位移，再利用lvdt位移传感器精确测量阀芯的直线位移，并根据测量结果实时反馈调节电机转子组件的旋转角度。控制算法简单、响应速度快，控制精度高，可靠性强，结构简单，维护成本低。偏心机构固接在转子头部，与偏心机构连接的凹槽位移阀芯的一端外部，且和整体加工，如此设计，伺服阀的体积较小，部件排布比较紧凑，阀芯采用轻质材料，刚度强，而且偏心机构和光滑的凹槽采用刚性接触，可减小摩擦阻力，传动精度也很高，进一步提升了伺服阀的精度和稳定性。
实施例2
如图1、图2所示，一种耐高压数字式旋转电机驱动伺服阀，其特征在于：包括四通伺服阀本体、高响应旋转伺服电机、lvdt位移传感器14、角位移传感器13、偏心机构和数字式伺服控制器；四通伺服阀本体包括阀体5、阀芯3、阀套4、端盖1,阀芯3为轻质四台肩带高精度光滑平槽的阀芯，阀套4为带有节流窗口的阀套；高响应旋转伺服电机包括定子组件10、转子组件11、刚件9、线圈12；lvdt位移传感器14连接在阀芯3尾部，lvdt位移传感器14包括调制解调电路、位置反馈杆15；角位移传感器13连接在转子组件11的旋转轴尾部；偏心机构与旋转轴呈一体连接结构，偏心机构6位于旋转轴的头部；数字式伺服控制器16安装在罩壳17上并通过电缆与lvdt位移传感器14、角位移传感器13和电机相连。具体部件的结构功能同实施例1。
与实施例1的不同之处在于：偏心机构6与旋转轴连接的部位还具有与偏心机构和旋转轴呈一体结构的加强环。偏心机构6为由大圆端和小圆端平滑连接的凸轮结构，凸轮连接与旋转轴的一端，大圆端的直径等于凹陷槽内两圆形端面的径向距离，旋转轴偏置于凹陷槽内，大圆端至少有1/2圆弧段位于凹陷槽外；小圆端及平滑连接段全部位于凹陷槽内。小圆端与旋转轴连接部位具有环形的加强环，加强环表面为连接小圆端的端面及旋转轴侧面的弧面结构,位于小圆端的旋转轴侧面的加强环组成大于位于大圆端的旋转轴侧面的加强环组成。
实施例3
如图1、图2所示，一种耐高压数字式旋转电机驱动伺服阀，其特征在于：包括四通伺服阀本体、高响应旋转伺服电机、lvdt位移传感器14、角位移传感器13、偏心机构和数字式伺服控制器；四通伺服阀本体包括阀体5、阀芯3、阀套4、端盖1,阀芯3为轻质四台肩带高精度光滑平槽的阀芯，阀套4为带有节流窗口的阀套；高响应旋转伺服电机包括定子组件10、转子组件11、刚件9、线圈12；lvdt位移传感器14连接在阀芯3尾部，lvdt位移传感器14包括调制解调电路、位置反馈杆15；角位移传感器13连接在转子组件11的旋转轴尾部；偏心机构与旋转轴呈一体连接结构，偏心机构6位于旋转轴的头部；数字式伺服控制器16安装在罩壳17上并通过电缆与lvdt位移传感器14、角位移传感器13和电机相连。具体部件的结构功能同实施例1。
与实施例1的不同之处在于：偏心机构6与旋转轴连接的部位还具有与偏心机构和旋转轴呈一体结构的加强环。偏心机构6为旋转轴与圆球体呈偏心连接的偏心球结构，凹陷槽内两圆形端面的径向距离等于为偏心球的外径；偏心球与凹陷槽的底面不接触，偏心球转动过程中与两圆形端面呈点接触。偏心球与旋转轴连接部位具有环形的加强环，加强环表面为连接偏心球及旋转轴侧面的弧面结构。
本发明的耐高压数字式旋转电机驱动伺服阀，高响应旋转伺服电机、lvdt位置传感器及偏心机构安装在阀体低压腔，压力干扰小，密封简单，拆装和维修比较方便，维护成本低。偏心机构与旋转轴连接的部位还具有加强环，进一步增加了偏心机构和旋转轴之间的连接刚度和抗疲劳强度，进一步增加伺服阀长时间的运行精度。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。