第5章電液伺服閥

1、本章摘要 電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。它能夠?qū)⑤斎氲奈⑿‰姎庑盘栟D(zhuǎn)換為大功率的液壓信號它能夠?qū)⑤斎氲奈⑿‰姎庑盘栟D(zhuǎn)換為大功率的液壓信號(流流量與壓力量與壓力)輸出。根據(jù)輸出液壓信號的不問，電液伺服閥和輸出。根據(jù)輸出液壓信號的不問，電液伺服閥和比例閥可分為電液流量控制伺服閥和比例閥和電液壓力控比例閥可分為電液流量控制伺服閥和比例閥和電液壓力控制伺服閥和比例閥兩大類。制伺服閥和比例閥兩大類。 電液伺服閥控制精度高、響應(yīng)速度快，是一種高性能電液伺服閥控制精度高、響應(yīng)速度快，是一種高性能的電液控制元件，在液壓伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。的

2、電液控制元件，在液壓伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 又是實現(xiàn)又是實現(xiàn)的放大元件。的放大元件。電液流量控制電液流量控制、電液壓力控制電液壓力控制。，是一種高性，是一種高性能的電液控制元件，在液壓伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。能的電液控制元件，在液壓伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。一、電液伺服閥的組成一、電液伺服閥的組成電液伺服閥通常由電液伺服閥通常由電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換器、液壓放大器、檢測反饋機(jī)構(gòu)電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換器、液壓放大器、檢測反饋機(jī)構(gòu)(或平或平衡機(jī)構(gòu)衡機(jī)構(gòu))三部分組成。三部分組成。二、電液伺服閥的分類二、電液伺服閥的分類按液壓放大級數(shù)分為：按液壓放大級數(shù)分為：單級伺服閥：單級伺服閥：此類閥結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，

3、但由于力矩馬達(dá)或力馬達(dá)此類閥結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，但由于力矩馬達(dá)或力馬達(dá)輸出力矩或力小、定位剛度低，使閥的輸出流量有限，對負(fù)裁動態(tài)變化敏感，輸出力矩或力小、定位剛度低，使閥的輸出流量有限，對負(fù)裁動態(tài)變化敏感，閥的穩(wěn)定性在很大程度上取決于負(fù)載動態(tài)，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。閥的穩(wěn)定性在很大程度上取決于負(fù)載動態(tài)，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。只適用于只適用于低壓、小流量和負(fù)載動態(tài)變化不大的場合。低壓、小流量和負(fù)載動態(tài)變化不大的場合。兩級伺服閥兩級伺服閥：此類閥克服了單級伺服閥缺點，是最常用的型式。此類閥克服了單級伺服閥缺點，是最常用的型式。三級伺服閥三級伺服閥：由一個：由一個功率級功率級滑閥閥芯位移通過電氣反饋形成

4、閉環(huán)控制，實現(xiàn)功率級滑閥閥芯的定位?；y閥芯位移通過電氣反饋形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)功率級滑閥閥芯的定位。三三級伺服閥通常只用在大流量的場合。級伺服閥通常只用在大流量的場合?；y、單噴嘴擋板閥、雙噴嘴擋板閥滑閥、單噴嘴擋板閥、雙噴嘴擋板閥 射流管閥和偏轉(zhuǎn)板射流閥。射流管閥和偏轉(zhuǎn)板射流閥。可分為滑閥可分為滑閥三種。三種。濕式：濕式：可使力矩馬達(dá)受到油液的冷卻，但油液中存在的鐵污物使力可使力矩馬達(dá)受到油液的冷卻，但油液中存在的鐵污物使力短馬達(dá)持性變壞；短馬達(dá)持性變壞；干式干式：則可使力矩馬達(dá)不受油液污染的影響，目前的伺服閥都采用：則可使力矩馬達(dá)不受油液污染的影響，目前的伺服閥都采用干式的。干式的。 電氣

5、電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換器：機(jī)械轉(zhuǎn)換器：利用電磁原理工作的。它由永久磁鐵或激磁利用電磁原理工作的。它由永久磁鐵或激磁線圈產(chǎn)生極化磁場。線圈產(chǎn)生極化磁場。通過控制線圈產(chǎn)生控制磁場，兩個磁場通過控制線圈產(chǎn)生控制磁場，兩個磁場之間相互作用產(chǎn)生與控制信號成比例并能反應(yīng)控制信號極性的力或力矩，之間相互作用產(chǎn)生與控制信號成比例并能反應(yīng)控制信號極性的力或力矩，從而使其運(yùn)動部分從而使其運(yùn)動部分，因而也稱為力矩馬，因而也稱為力矩馬達(dá)。達(dá)。 1)根據(jù)可動件運(yùn)動：直線位移式和角位移式（根據(jù)可動件運(yùn)動：直線位移式和角位移式（力馬達(dá)、力矩馬達(dá)力馬達(dá)、力矩馬達(dá)）。）。 2)按可動件結(jié)構(gòu)：動鐵式和動圈式（可動件是銜鐵、控制線圈）。按可

6、動件結(jié)構(gòu)：動鐵式和動圈式（可動件是銜鐵、控制線圈）。 3)按極化磁場：按極化磁場：非激磁式、固定電流激磁和永磁式非激磁式、固定電流激磁和永磁式三種。三種。 要求：要求： 作為閥的驅(qū)動裝置，對它提出以下要求： 1)能夠產(chǎn)生足夠的輸出力和行程，要求體積小、重量輕。 2)動態(tài)性能好、響應(yīng)速度快。 3)直線件好、死區(qū)小、靈敏度高和磁滯小。 4)在某些使用情況下，還要求它抗振、抗沖擊、不受環(huán)境溫度和壓力等影響。 組成：組成：永久磁鐵、上導(dǎo)磁體、下永久磁鐵、上導(dǎo)磁體、下導(dǎo)磁體、銜鐵、控制線圈、彈簧管導(dǎo)磁體、銜鐵、控制線圈、彈簧管等組成。等組成。 原理：原理：銜鐵固定在彈簧管上端，銜鐵固定在彈簧管上端，由彈

7、簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置，可繞彈簧管（扭軸）的轉(zhuǎn)間位置，可繞彈簧管（扭軸）的轉(zhuǎn)動中心作微小的轉(zhuǎn)動。銜鐵兩端與動中心作微小的轉(zhuǎn)動。銜鐵兩端與上、下導(dǎo)磁體上、下導(dǎo)磁體( (磁極磁極) )形成四個工作形成四個工作氣隙、。兩個控制線氣隙、。兩個控制線圈套在銜鐵之上。上、下導(dǎo)磁體除圈套在銜鐵之上。上、下導(dǎo)磁體除作為磁極外，還為永久磁鐵產(chǎn)生的作為磁極外，還為永久磁鐵產(chǎn)生的極化磁通和控制線圈產(chǎn)生的控制磁極化磁通和控制線圈產(chǎn)生的控制磁通提供磁路。通提供磁路。 左右永久磁鐵使上下導(dǎo)磁體的氣隙左右永久磁鐵使上下導(dǎo)磁體的氣隙中產(chǎn)生相同方向的極化磁場。沒有輸中產(chǎn)生相同方向的極化磁

8、場。沒有輸入信號時，銜鐵與上下導(dǎo)磁體之間的入信號時，銜鐵與上下導(dǎo)磁體之間的四個工作氣隙距離相等，銜鐵受到的四個工作氣隙距離相等，銜鐵受到的電磁力相互抵消而使銜鐵處于中間平電磁力相互抵消而使銜鐵處于中間平衡狀態(tài)。衡狀態(tài)。 當(dāng)輸入電流時，產(chǎn)生相應(yīng)的控制磁當(dāng)輸入電流時，產(chǎn)生相應(yīng)的控制磁場，它在上下氣隙中的方向相反，因場，它在上下氣隙中的方向相反，因此打破了原有的平衡，使銜鐵產(chǎn)生與此打破了原有的平衡，使銜鐵產(chǎn)生與控制電流大小和方向相對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，控制電流大小和方向相對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，并且使銜鐵轉(zhuǎn)動，直到力矩與負(fù)載力并且使銜鐵轉(zhuǎn)動，直到力矩與負(fù)載力矩和彈簧反力矩等相平衡。矩和彈簧反力矩等相平衡。 但轉(zhuǎn)角是很小的

9、，可以看成是微小但轉(zhuǎn)角是很小的，可以看成是微小的直線位移（通常小于的直線位移（通常小于0.2mm0.2mm）。）。 通過力矩馬達(dá)的磁路分析可以求出電磁通過力矩馬達(dá)的磁路分析可以求出電磁力矩的計算公式。從磁路分析知電磁力力矩的計算公式。從磁路分析知電磁力矩是非線性的，因此為保證輸出曲線的矩是非線性的，因此為保證輸出曲線的線性，往往設(shè)計成可動位移和氣隙長度線性，往往設(shè)計成可動位移和氣隙長度比小于三分之一，控制磁通遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于極比小于三分之一，控制磁通遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于極化磁通。化磁通。應(yīng)用應(yīng)用 ：動鐵式力矩馬達(dá)輸出力矩較小，適動鐵式力矩馬達(dá)輸出力矩較小，適合控制噴嘴擋板之類的先導(dǎo)級閥。合控制噴嘴擋板之類的先導(dǎo)級

10、閥。優(yōu)點：優(yōu)點：自振頻率較高，動態(tài)響應(yīng)快，功率、自振頻率較高，動態(tài)響應(yīng)快，功率、重量比較大，抗加速度零漂性好。重量比較大，抗加速度零漂性好。缺點：缺點：限于氣隙的形式，其轉(zhuǎn)角和工作行限于氣隙的形式，其轉(zhuǎn)角和工作行程小，材料性能及制造精度要求高，價程小，材料性能及制造精度要求高，價格昂貴；此外，它的控制電流小，故抗格昂貴；此外，它的控制電流小，故抗干擾能力較差。干擾能力較差。當(dāng)銜鐵處于中位時，每個工作氣隙的磁阻為0ggglRA式中 磁鐵在中位時每個氣隙的長度；磁極面的面積；空氣導(dǎo)磁率，。glgA0101gggglxxRRAl201gggglxxRRAl氣隙、的磁阻: 氣隙、的磁阻 : 、的合成磁

11、通為 : 11221/pcipcggMNMNiRRx l22221/pcpcggMNiMNiRRx l對氣隙、可得合成磁通為 力馬達(dá)的可動線圈懸置于工作氣力馬達(dá)的可動線圈懸置于工作氣隙中，永久磁鐵在工作氣隙中形隙中，永久磁鐵在工作氣隙中形成極化磁通，當(dāng)控制電流加到線成極化磁通，當(dāng)控制電流加到線圈上時，線圈就會受到電磁力的圈上時，線圈就會受到電磁力的作用而運(yùn)動。作用而運(yùn)動。 線圈的運(yùn)動方向可根據(jù)磁通方向線圈的運(yùn)動方向可根據(jù)磁通方向和電流方向按左手定則判斷。和電流方向按左手定則判斷。 線圈上的電磁力克服彈簧力和負(fù)線圈上的電磁力克服彈簧力和負(fù)載力，使線圈產(chǎn)生一個與控制電載力，使線圈產(chǎn)生一個與控制電流

12、成比例的位移。流成比例的位移。三、三、 永磁動圈式力馬達(dá)永磁動圈式力馬達(dá)1)因磁滯影響而引起的。2)。因此動圈式力馬達(dá)的工作行程大，而動鐵式力矩馬達(dá)的工作行程小。3)在。動鐵式力矩馬達(dá)因輸出力矩大，支承彈簧剛度可以取得大，銜鐵組件的固有頻率高，而力馬達(dá)的彈簧剛度小，動圈組件的固有頻率低。4)減小工作氣隙的長度可提高動圈式力馬達(dá)和動鐵式力矩馬達(dá)的靈敏度。但。5)動鐵式單級電液伺服閥原理圖1永久磁鐵 2銜鐵 3扭軸 4導(dǎo)磁體vxr當(dāng)信號電流通過控制線圈時，載流線圈在磁場中產(chǎn)生的電磁力，動圈式單級電液伺服閥原理圖1磁鐵 2導(dǎo)磁體 3十字彈簧 4 控制桿 5滑閥閥心 6閥體 7控制線圈 8框架載流控制

13、線圈在磁場中所受的電磁力方程為：gctFB DN iK i載流可動控制線圈的力平衡方程為22vvcccvLd xdxFMBk xFdtdt對上式進(jìn)行拉氏變換，并合并得2( )()( )( )tcccvLK I sM sB skXsF s()vgaccddxdiei rrLKdtdt線圈的電路方程為( )( )()( )( )gaccdvESI s rrL sI sK sXs對上式進(jìn)行拉氏變換通常，慣性環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)角頻率可以略去，則動圈式力馬達(dá)的傳遞函數(shù)可寫成： 動圈式力矩馬達(dá)方框圖 221( )( )()21( )()1ctLvcaccctdgcaccKF sXsk rrkK KsEsssrrk五

14、 力反饋兩級電液伺服閥1），銜鐵由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置，擋板也處于兩個噴嘴的中間位置，滑閥，。2）當(dāng)輸入時在銜鐵上產(chǎn)生逆時針方向的電磁力矩，使。這時，噴嘴擋板閥右間隙減小而左間隙增大，引起滑閥左腔控制壓力增大，右腔控制壓力減小，推動滑閥閥芯左移。同時帶動反饋桿端部小球左移，。 當(dāng)。在反饋桿端部左移進(jìn)一步變形時，使擋板的偏移減小，趨于中位。這使左腔控制壓力又降低，右腔控制壓力增高，當(dāng)閥芯兩端的液壓力與反饋桿變形對閥芯產(chǎn)生的反作用力以及滑芯的液動力相平衡時，閥芯停止運(yùn)動，其位移與控制電流成比例。3）在，閥的輸。所以這是一種流量控制伺服閥。5.3 力反饋兩級電液伺服閥每個線圈的自感系數(shù)

15、常數(shù)每個線圈的反電動勢力cbcbpcguLKIsLsKirRUK222上述為基本電壓方程：上述為基本電壓方程： 方程的左邊為左邊為放大器加在線圈上的總控總控制電壓制電壓; 右邊第一項為電阻上的電壓降電阻上的電壓降; 第二項為銜鐵運(yùn)動時在線圈內(nèi)產(chǎn)生的反線圈內(nèi)產(chǎn)生的反電動勢電動勢; 第三項是線圈內(nèi)電流變化所引起的感應(yīng)電流變化所引起的感應(yīng)電動勢電動勢;(包括線圈的自感和互感)，由于串聯(lián)線圈，互感等于自感，所以每個線圈的總電感為2Lc5.3 力反饋兩級電液伺服閥每個線圈的自感系數(shù)常數(shù)每個線圈的反電動勢力cbcbpcguLKIsLsKirRUK222控制線圈的轉(zhuǎn)折頻率上述方程可寫為：,21212CPCa

16、aPcbaPcgULrRsrRsKsrRUKI基本電壓方程：基本電壓方程： 5.3 力反饋兩級電液伺服閥矩力矩馬達(dá)輸出的電磁力2122LLaaadTTKdtdBdtdJT銜鐵擋板組件的運(yùn)動方程：銜鐵擋板組件的運(yùn)動方程： MtdKiKT；板組件產(chǎn)生的負(fù)載力矩反饋桿變形對銜鐵擋生的負(fù)載力矩；噴嘴對擋板的液流力產(chǎn)21LLTT的運(yùn)動方程為作用下，銜鐵擋板組件在電磁力矩dT銜鐵近一步偏離中位。的附加電磁力矩，它使氣隙發(fā)生變化而產(chǎn)生銜鐵偏離中位時，產(chǎn)生的電磁力矩；流銜鐵中位時，由控制電MtKiiK5.3 力反饋兩級電液伺服閥尼比力矩馬達(dá)的機(jī)械阻力矩馬達(dá)的固有頻率；上式可寫為：合剛度），力矩馬達(dá)的總剛度（綜

17、矩：力矩馬達(dá)輸出的電磁力mfmfLPNvftmfmfmfmffsdfmaanfanmfmfNLPvfmfaatprAXbrKIKssKrxpCKKKKbrKKKArpXKbrKsBsJIK12182220222銜鐵擋板組件的運(yùn)動方程：銜鐵擋板組件的運(yùn)動方程： 擋板位移與銜鐵轉(zhuǎn)角的關(guān)系：擋板位移與銜鐵轉(zhuǎn)角的關(guān)系： rXf5.3 力反饋兩級電液伺服閥阻尼比；滑閥的液壓固有頻率和、力和反饋彈簧力：粘性阻尼力、穩(wěn)態(tài)液動忽略閥芯移動所受到的hphphphphpvqpfvsssAKXX) 12(22噴嘴擋板到滑閥的傳遞函數(shù)：噴嘴擋板到滑閥的傳遞函數(shù)：閥控液壓缸傳遞函數(shù)：閥控液壓缸傳遞函數(shù)： ；液壓固有頻率

18、和阻尼比、hhhhhpqvpsssAKXX) 12(225.3 力反饋兩級電液伺服閥力為：則噴嘴擋板閥的負(fù)載壓穩(wěn)態(tài)液動力，只考慮閥芯的慣性力和簧力，粘性阻尼力和反饋桿彈忽略閥芯移動所受到的作用在擋板上的壓力反饋：作用在擋板上的壓力反饋：vLstvvVLPxppdxdmAp43. 0122力矩馬達(dá)的運(yùn)動方程包括： 基本電壓方程；銜鐵和擋板組件的運(yùn)動方程； 擋板位移與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系； 噴嘴擋板至滑閥的傳遞函數(shù)、閥控液壓缸的傳遞函數(shù)；作用在擋板上的壓力反饋方程。根據(jù)這些方程可以畫出電液伺服閥的方框圖。電磁阻尼產(chǎn)生的阻尼比機(jī)械阻尼與的固有頻率；銜鐵擋板組件mfmf三、力反饋伺服閥的傳遞函數(shù)三、力反饋伺

19、服閥的傳遞函數(shù)fqtSVSVmfmfmfVfsvftXVXVpCuaamfmfmfSVXVagVKbrKKKKsKsKIQKbrKKKrRKKKsKsKKUX伺服閥的流量增益，伺服閥的傳遞函數(shù)伺服閥增益，伺服放大器增益121212122022給出的傳遞函數(shù)是一個慣性慣性加振蕩振蕩的環(huán)節(jié)。重點介紹近似的傳遞函數(shù)： 1）在大多數(shù)電液伺服系統(tǒng)中，伺服閥的動態(tài)響應(yīng)往往高于動力元件的動態(tài)響應(yīng)。因此伺服閥的傳遞函數(shù)可以進(jìn)一步簡化，一般可用二階振蕩環(huán)節(jié)表示。 2）如果伺服閥二階環(huán)節(jié)的固有頻率高于動力元件的固有頻率，伺服閥傳遞函數(shù)還可用一階慣性環(huán)節(jié)表示。 3）當(dāng)伺服閥的固有頻率遠(yuǎn)大于動力元件的固有頻率，伺服閥

20、可看成比例環(huán)節(jié)。12220mfmfmfsvsKIQ5.5 其它型式的電液伺服閥簡介一、彈簧對中式兩級電液伺服閥一、彈簧對中式兩級電液伺服閥 彈簧對中式伺服閥是早期伺服閥的結(jié)構(gòu)型式，它的第級是雙噴嘴擋板閥，第二級是滑閥，閥芯兩端各有一根對中彈簧。當(dāng)控制電流輸入時，閥芯在對中彈簧作用下處于中位。當(dāng)有控制電流輸入時，對中彈簧力與噴嘴擋板閥輸出的液壓力相平衡，使閥芯取得一個相應(yīng)的位移，輸出相應(yīng)的流量。 特點：1）這種伺服閥屬于開環(huán)控制、其性能受溫度、壓力及閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的影響較大；2）銜鐵及擋板的位移都較大對力矩馬達(dá)的線件要求較高；對中彈簧要求體積小、剛度大、抗疲勞好，因此制造困難；3）兩端對中彈

21、簧由于制造和安裝的誤差易對閥芯產(chǎn)生側(cè)向卡緊力增加閥芯摩擦力使閥的滯環(huán)增大，分辨率降低。應(yīng)用：應(yīng)用：由于結(jié)構(gòu)簡單、造價低，可適用于般的、性能要求不高的電液伺服系統(tǒng)。二、射流管式兩級電液伺服閥射流管式伺服閥的原理射流管式伺服閥的原理：射流管由力矩馬達(dá)帶動偏轉(zhuǎn)。射流管焊接于銜鐵上，并由薄壁彈簧片支承。液壓油通過柔性的供壓管進(jìn)入射流管從射流管噴射出的液壓油進(jìn)入與滑閥兩端控制腔分別相通的兩個接收孔中，推動閥芯移動。射流管的側(cè)面裝有彈簧板板及反饋彈簧絲共末端插入閥從中的小槽內(nèi)，閥芯移動推動反饋彈簧絲構(gòu)成對力矩馬達(dá)的力反饋。力矩馬達(dá)借助于薄壁彈簧片實現(xiàn)對液壓部分的密封隔離。三、動壓反饋伺服閥壓力流量伺服閥雖然增加了系統(tǒng)的阻尼，但降低了系統(tǒng)的靜剛度，為了克服這個缺點出現(xiàn)了動壓反饋伺服閥，與壓力流量伺服閥相比。它增加了由