2.1 典型增量式数字阀结构形式
增量式数字阀按其结构可以分为滑阀式、锥阀式、转阀式和喷嘴挡板式，按其功能又可分为数字溢流阀、数字流量阀、数字方向流量阀。目前在国内还处在开发研制阶段，也可见到不少的产品和种类，但尚未形成系列化，而国外已有系列化的数字流量阀、压力阀和方向流量阀等。日本液压技术基础雄厚，开展数字阀的相关研究也较早，在增量式数字阀的研制和生产上优势明显，较为著名的数字阀生产厂商主要有东京计器公司、内田油压公司、油研公司和丰兴工业公司等，产品涵盖数字流量阀、数字压力阀和数字换向阀等，资料显示上述公司生产的数字阀工作压力可达21MPa，流量最大可达500L/min，滞环精度和重复控制精度小于0.1%。此外美国、英国、加拿大、法国、德国和丹麦等发达国家也开展了增量式数字阀的相关研究工作。
我国自20世纪80年代开始了数字阀的研制工作，广州机械科学研究院在增量式数字阀的研究上成果丰硕，先后研制了数字调速阀、数字先导溢流阀和数字换向阀等产品，并且成功投放市场。上海豪高机电科技有限公司于2008年研制成功增量式水液压流量阀，该阀自带位置反馈功能，且以水为工作介质，对环境污染小。浙江工业大学研制出了2D数字伺服阀，并对该数字阀的特性进行了深入研究。邱法维等人研制了双步进电动机驱动数字液压阀，该阀工作压力为28～40MPa，流量可达1000L/min以上。增量式数字阀由于采用步进电动机作为控制元件，步进电动机的工作特性对数字阀性能的影响很大，这类数字阀的主要缺点有：元件惯性大，阀的频响不高；步进电动机的分辨率有限，系统控制精度受到限制；受步进电动机矩频特性的影响，阀的工作频率范围较窄；步进电动机驱动力矩有限，应用于高压大流量场合较为困难。
常见的增量式数字阀主要有单步进电动机数字阀、双步进电动机数字阀和2D数字阀等。下面将结合这几种典型的增量式数字阀进行具体说明。
2.1.1 单步进电动机数字阀
图2-1和图2-2所示为美国Victory Control公司推出的增量式数字阀及与液压作动器集成的相关成品。
图2-1 单步进电动机增量式数字阀
图2-2 增量式数字阀控液压作动器
单步进电动机增量式数字阀控液压作动器由控制器、增量式数字阀、液压作动器、光电编码器等元件组成，系统结构如图2-3所示。
图2-3 增量式数字阀控液压作动器结构（油源、过滤器、蓄能器等部件省略）
基于单步进电动机增量式数字阀控液压作动器工作原理如图2-4所示，系统控制过程为：由上位机输入信号给控制器，控制器根据反馈信号基于相应的控制策略输出脉冲信号，阀内的步进电动机产生旋转并通过丝杠螺母使阀芯产生轴向位移，阀芯打开后压力油进入液压作动器一侧工作腔推动活塞杆运动，活塞杆内部的滚珠丝杠将位移信号转化为旋转角度信号，经光电编码器采集后转化为脉冲信号，输入控制器形成负反馈回路。液压作动器逐渐接近目标位移时，控制器根据反馈信号，输出反向脉冲信号，控制步进电动机反转使阀芯逐渐关闭，当输入位移等于反馈位移时，阀芯达到零位。其控制过程与比例阀控液压伺服系统类似，仅是滑阀的电-机转换环节不同。
图2-4 增量式数字阀控液压作动器工作原理
基于单步进电动机增量式数字阀的液压伺服系统属于阀控液压缸系统，可模拟电液伺服的控制方式，控制信号与反馈信号完全采用数字信号代替模拟量，解决了微小信号易受干扰的问题。用光电编码器作为位移检测装置，提高了伺服系统精度，实现了系统闭环控制，便于利用先进的控制策略对步进电动机进行实时控制，实现阀芯开启与关闭以精确控制液压作动器的位移，提高液压伺服系统的动态品质。
单步进电动机增量式数字阀以步进电动机作为执行元件，电动机旋转角度与输入脉冲数成正比，阀芯产生相应的开度。数字阀具有重复精度高、无滞环、无需采用D/A转换和线性放大等优点，其对液压阀部分无特殊要求，对液流的控制也与比例阀类似。具有控制准确、结构简单和抗污染能力强等优点，其结构如图2-5所示。
图2-5 单步进电动机增量式数字阀结构
在控制器发出的数字控制脉冲信号的作用下，细分驱动器驱动步进电动机顺时针旋转，电动机轴通过花键、万向联轴器与阀芯连接，带动滑阀阀芯旋转。在阀芯螺杆螺母副的作用下，阀芯向左产生直线位移。本数字阀结构为负开口三位四通形式，存在一定的死区。起初，阀芯产生的短距离位移并不能使P口处的高压油与A口或B口接通。当阀芯通过死区后，阀口打开，P口处的高压油与A口连通，压力油进入无杆腔一侧，活塞杆外伸，与此同时，有杆腔回油经B口与T口流回油箱。反之，步进电动机逆时针旋转，阀芯向右产生直线位移，从而使阀口关闭，进回油油路切断，液压缸活塞杆停止运动。若步进电动机继续逆时针旋转，阀芯继续向右运动，通过死区后使阀口反向打开，此时P口处的高压油与B口连通，压力油进入有杆腔一侧，活塞杆缩回，与此同时，无杆腔回油经A口与T口流回油箱。在这种控制方式作用下，阀芯的打开与关闭都是由同一个步进电动机驱动实现的。
图2-6所示为根据控制策略设计的一次完整控制过程各参数曲线变化规律。脉冲控制量由输入值与反馈值之间的差值决定，随着差值增大，脉冲控制量逐渐增大，阀芯开口也随之增大；当差值过大，脉冲控制量达到最大值ΔNm，则阀芯开口也达到最大开度δmax。当反馈脉冲值逐渐增大时，其变化曲线过程与上相反。因此，可以得出：阀芯开度始终与脉冲控制量成比例，当有输入脉冲时，阀口打开，当反馈脉冲数值逐渐增大，阀芯开始往相反方向移动，当反馈值等于输入值时，阀芯正好关闭。
图2-6 输入、反馈及发送脉冲数与阀芯开度曲线变化
单步进电动机增量式数字阀采用类似于比例阀的控制方式，其特点是便于对阀芯位移及开闭方式进行合理规划，以满足液压缸对响应速度和控制精度的要求。同时，单步进电动机增量式数字阀开闭均由步进电动机通过一端固定的机械螺纹伺服机构控制，由于机械结构不可避免地存在游隙，使得单步进电动机增量式数字容易发生阀芯及油路不易对位和对位不准等问题。
2.1.2 双步进电动机数字阀
双电动机增量式数字阀主要由主动步进电动机、反馈步进电动机、丝杠螺母套、滑动套等部件、阀芯、阀套和阀体等部件组成，其结构与比例阀类似，但两者的阀芯驱动机构不同，双步进电动机数字阀的具体结构如图2-7所示。
图2-7双步进电动机数字阀结构
1—反馈电动机 2—阀套 3—阀芯 4—主动电动机 5—滑动套 6—阀体 7—丝杠螺母套
数字阀的工作原理为：主动步进电动机在正向脉冲的作用下旋转，由于阀芯与步进电动机之间通过滑动套构成滑动连接，阀芯随主动步进电动机旋转的同时可轴向滑动。阀芯左端为滚珠丝杠，阀芯的旋转运动在丝杠螺母套的作用下转换为轴向左移的直线运动，此时阀口打开，进油口P和负载A口连通，回油口T和负载B口连通，压力油自A口进入液压缸无杆腔内，有杆腔内油液经B口回油，此时活塞外伸。活塞的运动会驱动液压缸上安装的位移传感器（编码器或光栅尺）产生反馈脉冲，反馈脉冲又驱动反馈步进电动机带动丝杠螺母套旋转，在丝杠螺母套的作用下，丝杠螺母套的旋转运动转换为阀芯轴向右移的直线运动，此时阀口逐渐关小直至关闭，实现了液压缸速度和位置的负反馈。实质上阀口打开和关闭是同时进行的，阀口的实际开度是由两者的复合运动产生的。当连续输入正向脉冲时，主动步进电动机正向连续旋转，阀芯左移打开阀口，此时活塞外伸。反之，输入反向脉冲，主动步进电动机反转，阀芯右移打开阀口，活塞缩回。此双电动机数字阀除具有普通数字阀的典型优点外，还自带反馈装置（即反馈步进电动机+螺母套），只需接入反馈脉冲信号即可快速实现简单的闭环控制。
先前设计的液压伺服反馈系统都是内置式的局部反馈，在阀芯处设置两个步进电动机，一个用于接收上位机的脉冲信号进行开阀控制，另一个步进电动机接收活塞杆位移经光电编码器采集转化的反馈脉冲信号，实现关阀控制。这种关阀控制方式由于控制简单、内部闭环的特性，在实际应用中取得了不错的效果，但同时也存在着阀芯结构较为复杂，机械加工精度要求较高等缺点。
双步进电动机数字阀控液压系统工作原理如图2-8所示，该系统的控制核心为双步进电动机数字阀。系统的工作原理可简述为：在输入脉冲序列作用下，细分驱动器驱动主动步进电动机旋转，打开数字阀阀口，此时液压缸动作，液压缸的位移量经拉线位移传感器转化为脉冲信号，驱动反馈步进电动机旋转，逐渐关小阀口，实现位置负反馈。当液压缸到达目标位置时，输入脉冲数与反馈脉冲数相等，阀口彻底关闭，实现了系统的位置伺服控制。
图2-8 双步进电动机数字阀控液压系统工作原理
2.1.3 2D数字阀（液压螺旋伺服式数字阀）
2D数字阀的结构如图2-9所示，它由阀体、电-机械转换器（步进电动机）、传动机构和角位移传感器等组成。传动机构主要用来连接电-机械转换器与阀芯，实现运动的传递和力矩的放大。角位移传感器实时检测步进电动机转子的角位移，以实现对步进电动机转子角位移的闭环连续跟踪控制。
图2-9 2D数字阀的结构
a）整体结构示意图 b）阀芯结构剖视图
由图2-9b阀芯结构剖视图可以看出，P口为进油口，T1口和T2口为回油口，A口和B口为负载口。2D数字阀体右腔通过小孔b、阀芯杆内通道和小孔a与P口相通，右腔压力为进油口的压力（系统压力），右腔截面面积为左敏感腔截面面积的一半。在阀芯左端台肩上有一对高低压孔，在阀芯孔左端有一螺旋槽。螺旋槽和高低压孔相交构成一液压阻尼半桥，该液压阻尼半桥控制了左敏感腔的压力。这是实现2D数字阀阀芯转角与轴向位移转换的关键，这种结构也称为液压伺服螺旋机构。
带液压伺服螺旋机构的2D数字阀工作原理如图2-10所示。静态时，若不考虑摩擦力及阀口液动力的影响，左敏感腔压力为入口压力的一半，阀芯在轴向保持静压平衡，此时，高低压孔与螺旋槽相交的弓形面积相等。当阀芯逆时针转动时（见图2-10a），高压孔与螺旋槽相交的弓形面积增大，低压孔与螺旋槽相交的弓形面积减小，于是，左敏感腔的压力升高。左敏感腔的压力升高后，推动阀芯右移。阀芯右移的结果是高低压孔又回到螺旋槽的两侧，高低压孔和螺旋槽的相交面积又重新相等，左敏感腔的压力恢复为入口压力的一半，阀芯重新保持轴向力的平衡。若阀芯顺时针转动时（见图2-10b），高低压孔与螺旋槽相交的弓形面积变化正好相反，左敏感腔的压力降低，阀芯在左右两侧压力差的作用下左移至高低压孔和螺旋槽相交面积重新相等，阀芯轴向力重新平衡。可以看出，带液压伺服螺旋机构的2D数字阀与带机械螺旋转换机构的数字阀阀芯运动方式一样，都同时存在转动和平动两种运动方式。不同之处在于带机械螺旋转换机构数字阀阀芯的轴向运动是由机械力驱动的，而带液压伺服螺旋机构的2D数字阀阀芯的轴向运动是由液压力驱动的。从结构和工作原理可以看出，2D数字阀为双级位置反馈液压流量伺服阀。两个运动自由度之间不相互干涉，因而可以实现双级阀的导阀级和主阀的功能。阀芯的旋转自由度实现导阀的功能，而阀芯的轴向运动自由度则实现主阀的功能。
图2-10 2D数字阀工作原理图
a）阀芯逆时针旋转，在液压力作用下右移 b）阀芯顺时针旋转，在液压力作用下阀芯左移
为深入研究增量式数字阀的阀芯特性及控制特性，下面以单步进电动机数字阀和双步进电动机数字阀等机械螺旋伺服式数字阀及其阀控液压伺服系统为对象进行建模，为进一步的仿真分析奠定基础。