液壓伺服與比例控制系統(tǒng) 第五部分 電液伺服閥

1、燕燕 山山 大大 學(xué)學(xué)液壓伺服與比例控制系統(tǒng)課程組課程組 歡歡 迎迎 使使 用用 液壓伺服與比例控制系統(tǒng) 多媒體授課系統(tǒng)多媒體授課系統(tǒng)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

2、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。的電液控制元件，在液壓伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。5.1 電液伺服閥的組成與分類電液伺服閥的組成與分類一、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力矩馬達電液伺服閥通常由力矩馬達(或力馬達或力馬達)、液壓放大器、液壓放大器、反饋機構(gòu)反饋機構(gòu)(或平衡機構(gòu)或平衡機構(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，但由于力矩此類閥結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，但由

3、于力矩馬達或力馬達輸出力矩或力小、定位剛度低，使閥的輸馬達或力馬達輸出力矩或力小、定位剛度低，使閥的輸出流量有限，對負裁動態(tài)變化敏感，閥的穩(wěn)定性在很大出流量有限，對負裁動態(tài)變化敏感，閥的穩(wěn)定性在很大程度上取決于負載動態(tài)，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。只適用程度上取決于負載動態(tài)，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。只適用于低壓、小流量和負載動態(tài)變化不大的場合。于低壓、小流量和負載動態(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，是最常用此類閥克服了單級伺服閥缺點，是最常用的型式。的型式。三級伺服閥三級伺服閥 此類閥通常是由一個兩級伺服閥作前置級此類閥通常是由一個兩級伺服閥作前置級控制第三級功率滑閥功率

4、級滑閥閥芯位移通過電氣反饋控制第三級功率滑閥功率級滑閥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。三級伺服閥形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)功率級滑閥閥芯的定位。三級伺服閥通常只用在大流量的場合。通常只用在大流量的場合。按第一級閥的結(jié)構(gòu)形式分類：按第一級閥的結(jié)構(gòu)形式分類：可分為：滑閥、單噴嘴擋板閥、雙噴嘴擋板閥可分為：滑閥、單噴嘴擋板閥、雙噴嘴擋板閥 射流管射流管閥和偏轉(zhuǎn)板射流閥。閥和偏轉(zhuǎn)板射流閥。按反饋形式分類：按反饋形式分類：可分為滑閥位置反嫂、負載流量反饋和負載壓力反饋三可分為滑閥位置反嫂、負載流量反饋和負載壓力反饋三種。種。按力矩馬達是否浸泡在油中分類：按力矩馬達是否浸泡在油中分類：

5、濕式的可使力矩馬達受到油液的冷卻，但油液中存在的濕式的可使力矩馬達受到油液的冷卻，但油液中存在的鐵污物使力短馬達持性變壞，干式的則可使力矩馬達不受鐵污物使力短馬達持性變壞，干式的則可使力矩馬達不受油液污染的影響，目前的伺服閥都采用干式的。油液污染的影響，目前的伺服閥都采用干式的。5.2 力矩馬達力矩馬達在電液伺服閥中力矩馬達的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為機械運動，因而是一個電氣機械轉(zhuǎn)換器。電氣機械轉(zhuǎn)換器是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。電氣控制信號通過控制線圈產(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，從而使其運動部分產(chǎn)直線位移或角位移

6、的機械運動。一、力矩馬達的分類及要求1、力矩馬達的分類 1)根據(jù)可動件的運動形式可分為：直線位移式和角位移式，前者稱力馬達，后者稱力矩馬達。 2)按可動件結(jié)構(gòu)形式可分為：動鐵式和動圈式兩種。前者可動件是銜鐵，后者可動件是控制線圈。 3)按極化磁場產(chǎn)生的方式可分為：非激磁式、固定電流激磁和永磁式三種。2、對力矩馬達的要求 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，問時體積小、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。二、永磁力矩馬達 1、力矩馬達的工作原理 圖

7、2所示為一種常用的永磁動鐵式力矩馬達工作原理圖，它由永久磁鐵、上導(dǎo)磁體、下導(dǎo)磁體、銜鐵、控制線圈、彈簧管等組成。銜鐵固定在彈簧管上端，由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置，可繞彈簧管的轉(zhuǎn)動中心作微小的轉(zhuǎn)動。銜鐵兩端與上、下導(dǎo)磁體(磁極)形成四個工作氣隙、。兩個控制線圈套在銜鐵之上。上、下導(dǎo)磁體除作為磁極外，還為永久磁鐵產(chǎn)生的極化磁通和控制線圈產(chǎn)生的控制磁通提供磁路。2、力矩馬達的電磁力矩通過力矩馬達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只比小于三分之一，控制磁通遠遠小于極化磁通。三、 永磁動圈式力馬達圖示為永

8、磁動式力馬達的結(jié)構(gòu)原理。力馬達的可動線圈懸置于作氣隙中，永久磁鐵在工作氣隙中形成極化磁通，當(dāng)控制電流加到線圈上時，線圈就會受到電磁力的作用而運動。線圈的運動方向可根據(jù)磁通方向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載力，使線圈產(chǎn)生一個與控制電流成比例的位移。四、動鐵式力矩馬達與動圈式力矩馬達的比較1)動鐵式力矩馬達因磁滯影響而引起的輸出位移滯后比動圈式力馬達大。2)動圈式力馬達的線性范圍比動鐵式力矩馬達寬。因此動圈式力馬達的工作行程大，而動鐵式力矩馬達的工作行程小。3)在同樣的慣性下，動鐵式力矩馬達的輸出力矩大，而動圈式力馬達的輸出力小。動鐵式力矩馬達因輸出力矩大，支承彈簧剛度可

9、以取得大，使銜鐵組件的固有頻率高，而力馬達的彈簧剛度小，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和動鐵式力矩馬達的靈敏度。但動圈式力馬達受動圈尺寸的限制，而動鐵式力矩馬達受靜不穩(wěn)定的限制。5)在相同功率情況下，動圈式力馬達比動鐵式力矩馬達體積大，但動圈式力馬達的造價低。5.3 力反饋兩級電液伺服閥一、工作原理無控制電流時，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，滑閥閥芯在反饋桿小球的約束下處于中位，閥無液壓輸出。當(dāng)有差動控制電流輸入時在銜鐵上產(chǎn)生逆時針方向的電磁力矩，使銜鐵擋板組件繞彈簧轉(zhuǎn)動中心逆時針方向偏轉(zhuǎn)，彈簧管和反饋桿產(chǎn)生變形，擋板偏

10、離中位。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，使反饋桿進一步變形。當(dāng)反饋桿和彈簧管變形產(chǎn)生的反力矩與電磁力矩相平衡時，銜鐵擋板組件便處于一個平衡位旨。在反饋桿端部左移進一步變形時，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閻的液動力相平衡時，閥芯停止運動，其位移與控制電流成比例。在負載壓差定時，閥的輸出流量也與控制電流成比例。所以這是一種流量控制伺服閥。二、基本方程與方框圖力矩馬達的運動方程包括基本電壓方程，銜鐵和擋板組

11、件的運動方程，擋板位移于轉(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)，以及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。三、力反饋伺服閥的傳遞函數(shù)給出的傳遞函數(shù)是一個慣性加振蕩的環(huán)節(jié)，重點介紹近似的傳遞函數(shù)：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)。為了簡化系統(tǒng)的動態(tài)持性分析與設(shè)計，伺服閥的傳遞函數(shù)可以進一步簡化，一般可用二階振蕩環(huán)節(jié)表示。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，當(dāng)伺服閥的固有頻率遠大于動力元件的固有頻率，伺服閥可看成比例環(huán)節(jié)。5.5 其它型式的電液伺服閥簡介一、

12、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。 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；銜鐵及擋板的位移都較大對力矩馬達的線件要求較高；對中彈簧要求體積小、剛度大、抗疲勞好，因此制造困難；兩端對中彈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。但由于結(jié)構(gòu)簡單、造價低，可適用于般的、性能要求

13、不高的電液伺服系統(tǒng)。二、射流管式兩級電液伺服閥 照圖說明射流管式伺服閥的原理。射流管由力矩馬達帶動偏轉(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入射流管從射流管噴射出的液壓油進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)成對力矩馬達的力反饋。力矩馬達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)了功壓反饋伺服閥，與壓力流量伺服閥相比。它增加樂由出彈簧活寒和液阻(固定節(jié)流孔)所組成的壓

14、力微分網(wǎng)絡(luò)，負載壓力通過壓力微分網(wǎng)絡(luò)反饋到滑閥，此閥在動態(tài)時，具有壓力流量伺服閥的持性，在穩(wěn)態(tài)時具有流量伺服閥的持性。5.6 電液伺服閥的主要性能參數(shù)一、靜態(tài)特性 電液流量伺服閥的靜態(tài)性能，可根據(jù)測試所得到負載流量特性、空載流量特性、壓力特性、內(nèi)泄漏特性等曲線等性能指標(biāo)加以評定。包括1、負載流量特性2、空載流量特性流量曲線非常有用，它不僅給出閥的極性、額定空載流量、名義流量增益，而且從中還可以得到閥的線件度、對稱度、滯環(huán)、分辨率，并揭示閥的零區(qū)特性。3、壓力特性 壓力特性曲線是輸出流量為零(兩個負載油門關(guān)閉)時，負載壓降與輸入電流呈回環(huán)狀的函數(shù)曲線。4、內(nèi)泄漏特性5、零漂二、 動態(tài)特性主要是用頻率響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)表示。三、輸入特性三、輸入特性線圈接法線圈接法 n1、電液伺服閥由哪幾部分組成?各部分的作用是什么？n2、力矩馬達為何要有極化磁場?n3、永磁動鐵式力矩馬達的電磁力矩是如何產(chǎn)生的？為什么會出現(xiàn)負磁彈簧剛度？n4、為什么把、稱為中位電磁力矩系數(shù)和中位磁彈簧剛度？n5、為什么動圈式力馬達沒