電液伺服閥原理

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上 電液伺服閥    電液伺服閥既是電液轉換元件，又是功率放大元件，它能夠把微小的電氣信號轉換成大功率的液壓能（流量和壓力）輸出。它的性能的優(yōu)劣對系統(tǒng)的影響很大。因此，它是電液控制系統(tǒng)的核心和關鍵。為了能夠正確設計和使用電液控制系統(tǒng)，必須掌握不同類型和性能的電液伺服閥。    伺服閥輸入信號是由電氣元件來完成的。電氣元件在傳輸、運算和參量的轉換等方面既快速又簡便，而且可以把各種物理量轉換成為電量。所以在自動控制系統(tǒng)中廣泛使用電氣裝置作為電信號的比較、放大、反饋檢測等元件；而液壓元件

2、具有體積小，結構緊湊、功率放大倍率高，線性度好，死區(qū)小，靈敏度高，動態(tài)性能好，響應速度快等優(yōu)點，可作為電液轉換功率放大的元件。因此，在一控制系統(tǒng)中常以電氣為“神經(jīng)”，以機械為“骨架”，以液壓控制為“肌肉”最大限度地發(fā)揮機電、液的長處。     由于電液伺服閥的種類很多，但各種伺服閥的工作原理又基本相似，其分析研究的方法也大體相同，故今以常用的力反饋兩級電液伺服閥和位置反饋的雙級滑閥式伺服閥為重點，討論它的基本方程、傳遞函數(shù)、方塊圖及其特性分析。其它伺服閥只介紹其工作原理，同時也介紹伺服閥的性能參數(shù)及其測試方法。 電液伺服閥的組成

3、60;   電液伺服閥在電液控制系統(tǒng)中的地位如圖27所示。電液伺服閥包括電力轉換器、力位移轉換器、前置級放大器和功率放大器等四部分。    3.1.1 電力轉換器    包括力矩馬達（轉動）或力馬達（直線運動），可把電氣信號轉換為力信號。    3.1.2 力位移轉換器    包括鈕簧、彈簧管或彈簧，可把力信號變?yōu)槲灰菩盘柖敵觥?#160;   3.1.3 前置級放大器

4、60;   包括滑閥放大器、噴嘴擋板放大器、射流管放大器。    3.1.4 功率放大器滑閥放大器    由功率放大器輸出的液體流量則具有一定的壓力，驅動執(zhí)行元件進行工作。 圖27 電液控制系統(tǒng)方塊圖電液伺服閥的分類    電液伺服閥的分類    電液伺服閥的種類很多，根據(jù)它的結構和機能可作如下分類：    1）按液壓放大級數(shù)，可分為單級伺服閥、兩級伺服閥和

5、三級伺服閥，其中兩級伺服閥應用較廣。    2）按液壓前置級的結構形式，可分為單噴嘴擋板式、雙噴嘴擋板式、滑閥式、射流管式和偏轉板射流式。    3）按反饋形式可分為位置反饋、流量反饋和壓力反饋。    4）按電-機械轉換裝置可分為動鐵式和動圈式。    5）按輸出量形式可分為流量伺服閥和壓力控制伺服閥。    6）按輸入信號形式可分為連續(xù)控制式和脈寬調制式。伺服閥的工作原理  

6、;  伺服閥的工作原理    下面介紹兩種主要的伺服閥工作原理。    3.3.1力反饋式電液伺服閥         力反饋式電液伺服閥的結構和原理如圖28所示，無信號電流輸入時，銜鐵和擋板處于中間位置。這時噴嘴4二腔的壓力pa=pb，滑閥7二端壓力相等，滑閥處于零位。輸入電流后，電磁力矩使銜鐵2連同擋板偏轉角。設為順時針偏轉，則由于擋板的偏移使papb，滑閥向右移動?；y的移動，通過反饋彈簧片又帶動擋板和銜鐵反方向

7、旋轉（逆時針），二噴嘴壓力差又減小。在銜鐵的原始平衡位置（無信號時的位置）附近，力矩馬達的電磁力矩、滑閥二端壓差通過彈簧片作用于銜鐵的力矩以及噴嘴壓力作用于擋板的力矩三者取得平衡，銜鐵就不再運動。同時作用于滑閥上的油壓力與反饋彈簧變形力相互平衡，滑閥在離開零位一段距離的位置上定位。這種依靠力矩平衡來決定滑閥位置的方式稱為力反饋式。如果忽略噴嘴作用于擋板上的力，則馬達電磁力矩與滑閥二端不平衡壓力所產(chǎn)生的力矩平衡，彈簧片也只是受到電磁力矩的作用。因此其變形，也就是滑閥離開零位的距離和電磁力矩成正比。同時由于力矩馬達的電磁力矩和輸入電流成正比，所以滑閥的位移與輸入的電流成正比，也就是通過滑閥的流量與

8、輸入電流成正比，并且電流的極性決定液流的方向，這樣便滿足了對電液伺服閥的功能要求。 圖28  力反饋式伺服閥的工作原理1永久磁鐵；2銜鐵；3扭軸；4噴嘴；5彈簧片；6過濾器；7滑閥；8線圈；9軛鐵    由于采用了力反饋，力矩馬達基本上在零位附近工作，只要求其輸出電磁力矩與輸入電流成正比（不象位置反饋中要求力矩馬達銜鐵位移和輸入電流成正比），因此線性度易于達到。另外滑閥的位移量在電磁力矩一定的情況下，決定于反饋彈簧的剛度，滑閥位移量便于調節(jié)，這給設計帶來了方便。    采用了銜鐵式力矩馬達和噴嘴

9、擋板使伺服閥結構極為緊湊，并且動特性好。但這種伺服閥工藝要求高，造價高，對于油的過濾精度的要求也較高。所以這種伺服閥適用于要求結構緊湊，動特性好的場合。    力反饋式電液伺服閥的方框圖如圖29。 圖29  力反饋式伺服閥方框圖    3.3.2 位置反饋式伺服閥    圖30為二級滑閥式位置反饋伺服閥結構。該類型電液伺服閥由電磁部分，控制滑閥和主滑閥組成。    電磁部分是一只力馬達，原理如前所述。動圈靠彈簧定位。

10、前置放大器采用滑閥式（一級滑閥）。    如圖所示，在平衡位置（零位）時，壓力油從P腔進入，分別通過P腔槽，閥套窗口，固定節(jié)流孔3、5到達上、下控制窗口，然后再通過主閥（二級閥芯）的回油口回油箱。    輸入正向信號電流時，動圈向下移動，一級閥芯隨之下移。這時，上控制窗口的過流面積減小，下控制窗口的過流面積增大。所以上控制腔壓力升高而下控制腔的壓力降低，使作用在主閥芯（二級閥芯）兩端的液壓力失去平衡。主閥芯在這一液壓力作用下向下移動。主閥芯下移，使上控制窗口的過流面積逐漸增大，下控制窗口的過流面積逐漸縮小。當主閥芯

11、移動到上、下控制窗口過流面積重新相等的位置時，作用于主閥芯兩端的液壓力重新平衡。主閥芯就停留在新的平衡位置上，形成一定的開口。這時，壓力油由P腔通過主閥芯的工作邊到A腔而供給負載?；赜蛣t通過B腔，主閥芯的工作邊到T腔回油箱。    輸入信號電流反向時，閥的動作過程與此相反。油流反向為PB，AT。    上述工作過程中，動圈的位移量，一級閥芯（先導閥芯）的位移量與主閥芯的位移量均相等。因動圈的位移量與輸入信號電流成正比，所以輸出的流量和輸入信號電流成正比。 圖30 位置反饋伺服閥結構1閥體；2閥套；3固定節(jié)

12、流口；4二級閥芯；5固定節(jié)流口；6一級閥芯；7線圈；8下彈簧；9上彈簧；10磁鋼    二級滑閥型位置反饋式伺服閥的方框圖如圖31所示。    該型電液伺服閥具有結構簡單，工作可靠，容易維護，可在現(xiàn)場進行調整，對油液清潔度要求不太高。 圖31 位置反饋式電液伺服閥方框圖 電液伺服閥的基本特性    3.4.1輸入電流-輸出流量特性    空載時輸出流量和輸入信號電流之間的關系，常用空載流量特性曲線來表示（圖32）。由

13、這一曲線可得到該閥的額定值、線性度、滯環(huán)、流量增益等特性。    額定電流IR在這一電流范圍內，閥的輸出流量與輸入信號電流成正比。    額定空載流量在額定壓力與額定電流下閥的空載流量。    線性度q-I曲線直線性的度量。 圖32  空載流量特性曲線IR額定電流；q0最大空載流量；tan流量增益    滯環(huán)主要用來表明信號電流改變方向時，由摩擦力、磁滯等原因使I-q曲線不重合的程度。常以曲線上同一流量下電流最大差值

14、Imax與閥的額定電流IR之比來表示。    流量增益qL與I之比值，即q-I曲線的平均斜率。    3.4.2 壓力增益特性    在一定供油壓力下，在輸入電流I和負載壓力pL=p1p2曲線上，比值pL/I稱為壓力增益。當負載流量保持為零時，在零位（中間平衡位置）附近的壓力增益稱為零位壓力增益。零位壓力增益與主滑閥的開口形式有關，以零開口形式最高。提高供油壓力ps也可提高零位壓力增益。但這一特性主要與閥的制造質量有關。提高零位壓力增益，對于減小不靈敏區(qū)、提高精度有作用，但對

15、穩(wěn)定性起相反的作用。圖33是零開口伺服閥的零位壓力增益特性曲線。 圖33 零位壓力增益特性曲線    3.4.3 負載壓力、流量特性    這一特性往往是選用伺服閥的主要依據(jù)。圖34即為負載壓力-流量特性曲線。    3.4.4 對數(shù)頻率特性    它表示電液伺服閥的動態(tài)特性。幅頻曲線中一3dB時頻率為該閥的頻寬。其值越大則該閥的工作頻率范圍越大。對數(shù)頻率特性也是分析伺服系統(tǒng)動特性以及設計、綜合電液伺服系統(tǒng)的依據(jù)。圖35即為閥

16、的對數(shù)頻率特性曲線。    3.4.5 零飄與零偏    伺服閥由于供油壓力的變化和工作油溫度的變化而引起的零位（QL=pL=0的幾何位置）變化稱為零飄。零飄一般用使其恢復位所需加的電流值與額定電流值之比來衡量。這一比值越小越好。另外，由于制造、調整、裝配的差別，控制線圈中不加電流時，滑閥不一定位于中位。有時必須加一定的電流才能使其恢復中位（零位）。這一現(xiàn)象稱為零偏。零偏以使閥恢復零位所需加之電流值與額定電流值之比來衡量。 圖34  負載壓力-流量特性曲線 圖35  對數(shù)頻率

17、特性曲線    3.4.6 不靈敏度    由于不靈敏區(qū)的存在，伺服閥只有在輸入信號電流達一定值時才會改變狀態(tài)。使伺服閥發(fā)生狀態(tài)變化的最小電流與額定電流之比稱為不靈敏度。其值愈小愈好。 液壓伺服系統(tǒng)設計    液壓伺服系統(tǒng)設計    在液壓伺服系統(tǒng)中采用液壓伺服閥作為輸入信號的轉換與放大元件。液壓伺服系統(tǒng)能以小功率的電信號輸入，控制大功率的液壓能（流量與壓力）輸出，并能獲得很高的控制精度和很快的響應速度。位置控制、速度控制、力

18、控制三類液壓伺服系統(tǒng)一般的設計步驟如下：    1）明確設計要求：充分了解設計任務提出的工藝、結構及時系統(tǒng)各項性能的要求，并應詳細分析負載條件。    2）擬定控制方案，畫出系統(tǒng)原理圖。    3）靜態(tài)計算：確定動力元件參數(shù)，選擇反饋元件及其它電氣元件。    4）動態(tài)計算：確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，繪制開環(huán)波德圖，分析穩(wěn)定性，計算動態(tài)性能指標。    5）校核精度和性能指標，選擇校正方式和設計校正元件

19、。    6）選擇液壓能源及相應的附屬元件。    7）完成執(zhí)行元件及液壓能源施工設計。    本章的內容主要是依照上述設計步驟，進一步說明液壓伺服系統(tǒng)的設計原則和介紹具體設計計算方法。由于位置控制系統(tǒng)是最基本和應用最廣的系統(tǒng)，所以介紹將以閥控液壓缸位置系統(tǒng)為主。    4.1 全面理解設計要求    4.1.1 全面了解被控對象    液壓伺服控制系統(tǒng)是被

20、控對象主機的一個組成部分，它必須滿足主機在工藝上和結構上對其提出的要求。例如軋鋼機液壓壓下位置控制系統(tǒng)，除了應能夠承受最大軋制負載，滿足軋鋼機軋輥輥縫調節(jié)最大行程，調節(jié)速度和控制精度等要求外，執(zhí)行機構壓下液壓缸在外形尺寸上還受軋鋼機牌坊窗口尺寸的約束，結構上還必須保證滿足更換軋輥方便等要求。要設計一個好的控制系統(tǒng)，必須充分重視這些問題的解決。所以設計師應全面了解被控對象的工況，并綜合運用電氣、機械、液壓、工藝等方面的理論知識，使設計的控制系統(tǒng)滿足被控對象的各項要求。    4.1.2 明角設計系統(tǒng)的性能要求    

21、1）被控對象的物理量：位置、速度或是力。    2）靜態(tài)極限：最大行程、最大速度、最大力或力矩、最大功率。    3）要求的控制精度：由給定信號、負載力、干擾信號、伺服閥及電控系統(tǒng)零飄、非線性環(huán)節(jié)（如摩擦力、死區(qū)等）以及傳感器引起的系統(tǒng)誤差，定位精度，分辨率以及允許的飄移量等。    4）動態(tài)特性：相對穩(wěn)定性可用相位裕量和增益裕量、諧振峰值和超調量等來規(guī)定，響應的快速性可用載止頻率或階躍響應的上升時間和調整時間來規(guī)定；    5）工作環(huán)

22、境：主機的工作溫度、工作介質的冷卻、振動與沖擊、電氣的噪聲干擾以及相應的耐高溫、防水防腐蝕、防振等要求；    6）特殊要求；設備重量、安全保護、工作的可靠性以及其它工藝要求。    4.1.3 負載特性分析    正確確定系統(tǒng)的外負載是設計控制系統(tǒng)的一個基本問題。它直接影響系統(tǒng)的組成和動力元件參數(shù)的選擇，所以分析負載特性應盡量反映客觀實際。液壓伺服系統(tǒng)的負載類型有慣性負載、彈性負載、粘性負載、各種摩擦負載（如靜摩擦、動摩擦等）以及重力和其它不隨時間、位置等參數(shù)變化的恒值負載

23、等。    4.2 擬定控制方案、繪制系統(tǒng)原理圖    在全面了解設計要求之后，可根據(jù)不同的控制對象，按表6所列的基本類型選定控制方案并擬定控制系統(tǒng)的方塊圖。如對直線位置控制系統(tǒng)一般采用閥控液壓缸的方案，方塊圖如圖36所示。 圖36  閥控液壓缸位置控制系統(tǒng)方塊圖表6  液壓伺服系統(tǒng)控制方式的基本類型伺服系統(tǒng)控制信號控制參數(shù)運動類型元件組成機液電液氣液電氣液模擬量數(shù)字量位移量位置、速度、加速度、力、力矩、壓力直線運動擺動運動旋轉運動1.閥控制：閥-液壓缸，閥-液壓馬達2.容積控制：變量

24、泵-液壓缸；變量泵-液壓馬達；閥-液壓缸-變量泵-液壓馬達3.其它：步近式力矩馬達    4.3 動力元件參數(shù)選擇    動力元件是伺服系統(tǒng)的關鍵元件。它的一個主要作用是在整個工作循環(huán)中使負載按要求的速度運動。其次，它的主要性能參數(shù)能滿足整個系統(tǒng)所要求的動態(tài)特性。此外，動力元件參數(shù)的選擇還必須考慮與負載參數(shù)的最佳匹配，以保證系統(tǒng)的功耗最小，效率高。    動力元件的主要參數(shù)包括系統(tǒng)的供油壓力、液壓缸的有效面積（或液壓馬達排量）、伺服閥的流量。當選定液壓馬達作執(zhí)行元件時，還應包

25、括齒輪的傳動比。    4.3.1 供油壓力的選擇    選用較高的供油壓力，在相同輸出功率條件下，可減小執(zhí)行元件液壓缸的活塞面積（或液壓馬達的排量），因而泵和動力元件尺寸小重量輕，設備結構緊湊，同時油腔的容積減小，容積彈性模數(shù)增大，有利于提高系統(tǒng)的響應速度。但是隨供油壓力增加，由于受材料強度的限制，液壓元件的尺寸和重量也有增加的趨勢，元件的加工精度也要求提高，系統(tǒng)的造價也隨之提高。同時，高壓時，泄漏大，發(fā)熱高，系統(tǒng)功率損失增加，噪聲加大，元件壽命降低，維護也較困難。所以條件允許時，通常還是選用較低的供油壓力。&#

26、160;   常用的供油壓力等級為7MPa到28MPa，可根據(jù)系統(tǒng)的要求和結構限制條件選擇適當?shù)墓┯蛪毫Α?#160;   4.3.2 伺服閥流量與執(zhí)行元件尺寸的確定    如上所述，動力元件參數(shù)選擇除應滿足拖動負載和系統(tǒng)性能兩方面的要求外，還應考慮與負載的最佳匹配。下面著重介紹與負載最佳匹配問題。    （1）動力元件的輸出特性 將伺服閥的流量壓力曲線經(jīng)坐標變換繪于FL平面上，所得的拋物線即為動力元件穩(wěn)態(tài)時的輸出特性，見圖37。 圖3

27、7  參數(shù)變化對動力機構輸出特性的影響a）供油壓力變化；b）伺服閥容量變化；c）液壓缸面積變化    圖中 FL負載力，F(xiàn)L=pLA；         pL伺服閥工作壓力；         A液壓缸有效面積；        液壓缸活塞速度，；     

28、0;  qL伺服閥的流量；        q0伺服閥的空載流量；        ps供油壓力。    由圖37可見，當伺服閥規(guī)格和液壓缸面積不變，提高供油壓力，曲線向外擴展，最大功率提高，最大功率點右移，如圖37a。    當供油壓力和液壓缸面積不變，加大伺服閥規(guī)格，曲線變高，曲線的頂點A ps不變，最大功率提高，最大功率點不變，如圖37b。  &

29、#160; 當供油壓力和伺服閥規(guī)格不變，加大液壓缸面積A，曲線變低，頂點右移，最大功率不變，最大功率點右移，如圖37c。    （2）負載最佳匹配圖解法    在負載軌跡曲線FL平面上，畫出動力元件輸出特性曲線，調整參數(shù)，使動力元件輸出特性曲線從外側完全包圍負載軌跡曲線，即可保證動力元件能夠拖動負載。在圖38中，曲線1、2、3代表三條動力元件的輸出特性曲線。曲線2與負載軌跡最大功率點c相切，符合負載最佳匹配條件，而曲線1、3上的工作點和b，雖能拖動負載，但效率都較低。   &

30、#160;（3）負載最佳匹配的解析法    參見液壓動力元件的負載匹配。    （4）近似計算法在工程設計中，設計動力元件時常采用近似計算法，即按最大負載力FLmax選擇動力元件。在動力元件輸出特性曲線上，限定     FLmaxpLA= ，并認為負載力、最大速度和最大加速度是同時出現(xiàn)的，這樣液壓缸的有效面積可按下式計算：       （37） 圖38  動力元件與負載匹配圖形 

31、0;  按式37求得A值后，可計算負載流量qL，即可根據(jù)閥的壓降從伺服閥樣本上選擇合適的伺服閥。近似計算法應用簡便，然而是偏于保守的計算方法。采用這種方法可以保證系統(tǒng)的性能，但傳遞效率稍低。    （5）按液壓固有頻率選擇動力元件    對功率和負載很小的液壓伺服系統(tǒng)來說，功率損耗不是主要問題，可以根據(jù)系統(tǒng)要求的液壓固有頻率來確定動力元件。    四邊滑閥控制的液壓缸，其活塞的有效面積為（38）    二邊滑閥控制的

32、液壓缸，其活塞的有效面積為（39）    液壓固有頻率h可以按系統(tǒng)要求頻寬的（510）倍來確定。對一些干擾力大，負載軌跡形狀比較復雜的系統(tǒng)，不能按上述的幾種方法計算動力元件，只能通過作圖法來確定動力元件。    計算閥控液壓馬達組合的動力元件時，只要將上述計算方法中液壓缸的有效面積A換成液壓馬達的排量D，負載力FL換成負載力矩TL，負載速度換成液壓馬達的角速度，就可以得到相應的計算公式。當系統(tǒng)采用了減速機構時，應注意把負載慣量、負載力、負載的位移、速度、加速度等參數(shù)都轉換到液壓馬達的軸上才能作為計算的參數(shù)。減速機構

33、傳動比選擇的原則是：在滿足液壓固有頻率的要求下，傳動比最小，這就是最佳傳動比。    4.3.3 伺服閥的選擇    根據(jù)所確定的供油壓力ps和由負載流量qL（即要求伺服閥輸出的流量）計算得到的伺服閥空載流量q0，即可由伺服閥樣本確定伺服閥的規(guī)格。因為伺服閥輸出流量是限制系統(tǒng)頻寬的一個重要因素，所以伺服閥流量應留有余量。通?？扇?5%左右的負載流量作為伺服閥的流量儲備。    除了流量參數(shù)外，在選擇伺服閥時，還應考慮以下因素：    1

34、）伺服閥的流量增益線性好。在位置控制系統(tǒng)中，一般選用零開口的流量閥，因為這類閥具有較高的壓力增益，可使動力元件有較大的剛度，并可提高系統(tǒng)的快速性與控制精度。    2）伺服閥的頻寬應滿足系統(tǒng)頻寬的要求。一般伺服閥的頻寬應大于系統(tǒng)頻寬的5倍，以減小伺服閥對系統(tǒng)響應特性的影響。    3）伺服閥的零點漂移、溫度漂移和不靈敏區(qū)應盡量小，保證由此引起的系統(tǒng)誤差不超出設計要求。    4）其它要求，如對零位泄漏、抗污染能力、電功率、壽命和價格等，都有一定要求。  &

35、#160; 4.3.4 執(zhí)行元件的選擇    液壓伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件是整個控制系統(tǒng)的關鍵部件，直接影響系統(tǒng)性能的好壞。執(zhí)行元件的選擇與設計，除了按本節(jié)所述的方法確定液壓缸有效面積A（或液壓馬達排量D）的最佳值外，還涉及密封、強度、摩擦阻力、安裝結構等問題。    4.4 反饋傳感器的選擇    根據(jù)所檢測的物理量，反饋傳感器可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器和力（或壓力）傳感器。它們分別用于不同類型的液壓伺服系統(tǒng)，作為系統(tǒng)的反饋元件。閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度主

36、要決定于系統(tǒng)的給定元件和反饋元件的精度，因此合理選擇反饋傳感器十分重要。    傳感器的頻寬一般應選擇為控制系統(tǒng)頻寬的510倍，這是為了給系統(tǒng)提供被測量的瞬時真值，減少相位滯后。傳感器的頻寬對一般系統(tǒng)都能滿足要求，因此傳感器的傳遞函數(shù)可近似按比例環(huán)節(jié)來考慮。    4.5 確定系統(tǒng)方塊圖    根據(jù)系統(tǒng)原理圖及系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，即可構成系統(tǒng)的方塊圖。根據(jù)系統(tǒng)的方塊圖可直接寫出系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)。閥控液壓缸和閥控液壓馬達控制系統(tǒng)二者的傳遞函數(shù)具有相同的結構形式，只要把相應的符