第五章電液伺服閥

1、Chapter 5 Electro-hydraulic Servo valve第五章第五章 電液伺服閥電液伺服閥5.0 Introduction 引言引言5.1. Structures and types 構(gòu)造與類型構(gòu)造與類型5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析5.0 Introduction 引言引言n電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件率放大元件n能將微小的電氣輸入信號成比例地轉(zhuǎn)換能將微小的電氣輸入信號成比例地

2、轉(zhuǎn)換為大功率的液壓功率輸出為大功率的液壓功率輸出n電液伺服閥控制精度高、響應(yīng)速度快電液伺服閥控制精度高、響應(yīng)速度快n電液伺服系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件電液伺服系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件n高性能的電液控制元件高性能的電液控制元件n高技術(shù)產(chǎn)品高技術(shù)產(chǎn)品Chapter 5 Electro-hydraulic Servo valve第五章第五章 電液伺服閥電液伺服閥5.0 Introduction 引言引言5.1. Structures and types 構(gòu)造與類型構(gòu)造與類型5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服

3、閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析5.1. Structures and types 構(gòu)造與類型構(gòu)造與類型5.1.1電液伺服閥作用：電液伺服閥作用：信號轉(zhuǎn)換元件：電信號信號轉(zhuǎn)換元件：電信號機(jī)械信號機(jī)械信號（機(jī)-電接口）功率放大元件：信號功率功率放大元件：信號功率（毫瓦-瓦級）驅(qū)動功驅(qū)動功率率（千瓦-數(shù)百千瓦級）1-永磁鐵 2-下導(dǎo)磁體 3-銜鐵 4-線圈 5-彈簧管 6-上導(dǎo)磁體 7 噴嘴 8-滑閥 9-固定節(jié)流孔5.1. Structures and types 構(gòu)造與類型構(gòu)造與類型5.1.2構(gòu)造構(gòu)造n電電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（力馬達(dá)、力矩機(jī)械轉(zhuǎn)換器（力馬達(dá)、力矩馬達(dá)）馬達(dá)）電流電流電磁力（力矩）電磁力

4、（力矩）機(jī)械機(jī)械位移（角位移）位移（角位移）n液壓功率放大器（液壓閥）液壓功率放大器（液壓閥）前置放大：雙噴嘴擋板閥（正前置放大：雙噴嘴擋板閥（正開口四邊滑閥，噴管閥）開口四邊滑閥，噴管閥）功率放大：零開口四邊滑閥功率放大：零開口四邊滑閥n反饋裝置（放大級間反饋）反饋裝置（放大級間反饋）1-永磁鐵 2-下導(dǎo)磁體 3-銜鐵 4-線圈 5-彈簧管 6-上導(dǎo)磁體 7 噴嘴 8-滑閥 9-固定節(jié)流孔1-永磁鐵2-調(diào)整螺釘 3平衡彈簧 4-動圈5.1. Structures and types 構(gòu)造與類型構(gòu)造與類型n力馬達(dá)與力矩馬達(dá)力馬達(dá)與力矩馬達(dá)動圈式力馬達(dá)動圈式力馬達(dá)載流體在磁場中受力的原理載流體在

5、磁場中受力的原理輸出力：輸出力：F=DNBgI=KfI輸入電流I=150300mA，F(xiàn)=35N最大位移(13)mm，頻響100Hz式中：D-線圈直徑，N-線圈匝數(shù) Bg-磁感強(qiáng)度，Kf-電磁力系數(shù)1-永磁鐵 2-下導(dǎo)磁體 3-銜鐵 4-線圈 5-彈簧管 6-上導(dǎo)磁體 7 噴嘴 8-滑閥 9-固定節(jié)流孔5.1. Structures and types 構(gòu)造與類型構(gòu)造與類型3-永磁鐵 4-銜鐵 5-導(dǎo)磁體 6-彈簧管53動鐵式力矩馬達(dá)動鐵式力矩馬達(dá)銜鐵在磁場中受力的原理銜鐵在磁場中受力的原理輸入電流輸入電流I=1030mA輸出力矩輸出力矩T=0.020.06Nm輸出角位移輸出角位移0.25mm

6、或或10-4rad頻響頻響2001000Hz5.1. Structures and types 構(gòu)造與類型構(gòu)造與類型5.1.3 類型類型(1). 動圈力馬達(dá)伺服閥動圈力馬達(dá)伺服閥n構(gòu)造構(gòu)造機(jī)機(jī)-電轉(zhuǎn)換的動圈式力馬達(dá)電轉(zhuǎn)換的動圈式力馬達(dá)兩級滑閥放大兩級滑閥放大前置級前置級正開口滑閥正開口滑閥功率級功率級零開口四邊滑閥零開口四邊滑閥位置反饋位置反饋nDY系列，工業(yè)用系列，工業(yè)用 5.1. Structures and types 構(gòu)造與類型構(gòu)造與類型(2). 力矩馬達(dá)式雙噴嘴擋板電力矩馬達(dá)式雙噴嘴擋板電液伺服閥液伺服閥n構(gòu)造構(gòu)造動鐵式力矩馬達(dá)動鐵式力矩馬達(dá)前置級：雙噴嘴擋板閥前置級：雙噴嘴擋板閥功

7、率級：零開口四邊滑閥功率級：零開口四邊滑閥位置（力）反饋。位置（力）反饋。nQDY系列（系列（MooG）系列）系列n工程用工程用1-永磁鐵 2-下導(dǎo)磁體 3-銜鐵 4-線圈 5-彈簧管 6-上導(dǎo)磁體 7 噴嘴 8-滑閥 9-固定節(jié)流孔大亞灣核電站主蒸汽閥門電液伺服控制機(jī)構(gòu)大亞灣核反應(yīng)堆模型大亞灣核反應(yīng)堆模型核燃料棒模型核燃料棒模型核電站模型核電站模型核燃核電站外景核燃核電站外景Chapter 5 Electro-hydraulic Servo valve第五章第五章 電液伺服閥電液伺服閥5.0 Introduction 引言引言5.1. Structures and types 構(gòu)造與類型構(gòu)造

8、與類型5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析5.2.1 Analysis of torque motor 力矩馬達(dá)分析力矩馬達(dá)分析5.2.2 Analysis of nozzle flapper valve 噴嘴擋板閥分析噴嘴擋板閥分析5.2.3 Analysis of coil circuit 線圈電路分析線圈電路分析gA2F1F力矩馬達(dá)磁路力矩馬達(dá)磁路5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic

9、 servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析5.2.1 Analysis of torque motor 力矩馬達(dá)分析力矩馬達(dá)分析（1）電磁力矩：（2）電磁力：aFFTm)(221gAF022式中： 氣隙中的磁通7104空氣的磁導(dǎo)率，H/m gA氣隙的面積，5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析因此就有：102112gAF設(shè)計(jì)時(shí)保證了gggggAAAAA4321所以就有：)(212221021gAFF（3）等效磁路的磁動勢（柯希霍

10、夫第2定律）磁路1：永磁鐵氣隙1線圈氣隙3永磁鐵03311RINRMcco3311RR112 RINMccogA2F1F力矩馬達(dá)磁路力矩馬達(dá)磁路5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析222RINMcco于是就有：112RINMcco222RINMcco式中：ggoRM2磁鐵的磁動勢cgccRIN2線圈的磁動勢g磁鐵在氣隙中的磁通gogAgR銜鐵中位時(shí)氣隙磁阻，c線圈電流產(chǎn)生的磁通cN線圈匝數(shù) 磁路2：永磁鐵氣隙2線圈氣隙4永磁鐵gA2F1F力矩馬達(dá)磁路力矩馬

11、達(dá)磁路5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析goAxgR1goAxgR2，分別是氣隙1，2處的磁阻 g銜鐵中位時(shí)氣隙長度，x銜鐵在氣隙中的偏轉(zhuǎn)量帶入相關(guān)參數(shù)整理后得：gxcg11gxcg1222222221)(1 )(1 )(14gxgxgxgcgcggccgcccAgINRIN022因?yàn)閤 a tga 并且gA2F1F力矩馬達(dá)磁路力矩馬達(dá)磁路5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo

12、 valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析gx 1)(2gxgc1)(2gc考慮到：即，即，上式化簡后得: mctmKIKT式中：gctNgaK)(2電磁力矩系數(shù)22)(4ggmRgaK磁彈簧系數(shù)力矩馬達(dá)電磁力矩方程力矩馬達(dá)電磁力矩方程)()(22221021gmAaaFFT2222202)(1 )(1 )(4)(1 2gxgaAgIgxgaNgcggccgChapter 5 Electro-hydraulic Servo valve第五章第五章 電液伺服閥電液伺服閥5.0 Introduction 引言引言5.1. Structures and types 構(gòu)造與類型構(gòu)造與

13、類型5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析5.2.1 Analysis of torque motor 力矩馬達(dá)分析力矩馬達(dá)分析5.2.2 Analysis of nozzle flapper valve 噴嘴擋板閥分析噴嘴擋板閥分析5.2.3 Analysis of coil circuit 線圈電路分析線圈電路分析1-永磁鐵 2-下導(dǎo)磁體 3-銜鐵 4-線圈 5-彈簧管 6-上導(dǎo)磁體 7 噴嘴 8-滑閥 9-固定節(jié)流孔5.2. Analysis of t

14、orque motor type electro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析5.2.2 Analysis of nozzle flapper valve 噴嘴擋板閥分析噴嘴擋板閥分析（1）. 擋板組件的力矩方程擋板組件的力矩方程LaaamTKdtdfdtdJT22式中：aJ擋板組件的轉(zhuǎn)動慣量af擋板組件的粘性阻尼系數(shù) aK彈簧管的剛度系數(shù) )()(brxbrKTvfL反饋桿力矩，其中fK是反饋桿的彈簧剛度。將LTmctmKIKT和代入上式拉斯變換后得 22)()(brKbrKKKKffmalmaKK 式中：，設(shè)計(jì)時(shí)保證了即彈簧管剛

15、度等于磁彈簧剛度vflaactXbrKKsfsJIK)()(2（1）5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析（2）擋板角位移與擋板線位移之間的關(guān)系）擋板角位移與擋板線位移之間的關(guān)系 rtgrxp（，偏轉(zhuǎn)角很小時(shí)，正切值就等于角的弧度）拉斯變換后得:（3）擋板線位移與滑閥位移之間的關(guān)系）擋板線位移與滑閥位移之間的關(guān)系 dtAxKxpqpv拉斯變換整理后得：)()(sXAsKsXpqpv（3）式中：qpK噴嘴擋板閥的流量增益，px擋板在噴嘴處的位移m A滑閥的閥芯

16、截面積，m2 ，vx滑閥閥芯位移，m 由上3式可得以滑閥位移為輸出，馬達(dá)線圈電流為輸入的方框圖 rxp（2）)()(srsXp5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析-laaKsfsJ21)(brKftKrAsKqpcImTpxvx化簡后得：- 12)(2sssKhvvhv)(brKKftcIvx其中：AbrrKKqp)( 開環(huán)增益， alhvJK無阻尼自然頻率hvlavKf21阻尼比 5.2. Analysis of torque motor type el

17、ectro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析aflJbrKK2)(628alhvJKrad（1000Hz）n電液伺服閥的固有頻率很高，當(dāng)其頻寬與動力元件液壓頻率相近時(shí)，可近似地看成一個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)n當(dāng)其頻率是被控對象的35倍時(shí)，電液伺服閥可近似地看成為一階慣性環(huán)節(jié)：其傳遞函數(shù)就是：1)(/TsbrKKIxftcv式中：rKAbrTqp)(伺服閥的時(shí)間常數(shù)n如果伺服閥的固有頻率是被控對象頻率的（5-10）倍，可近似地看成為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)就變成： )(brKKIxftcvChapter 5 Electro-hydraulic Ser

18、vo valve第五章第五章 電液伺服閥電液伺服閥5.0 Introduction 引言引言5.1. Structures and types 構(gòu)造與類型構(gòu)造與類型5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析5.2.1 Analysis of torque motor 力矩馬達(dá)分析力矩馬達(dá)分析5.2.2 Analysis of nozzle flapper valve 噴嘴擋板閥分析噴嘴擋板閥分析5.2.3 Analysis of coil circuit 線圈電

19、路分析線圈電路分析5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析5.2.3 Analysis of coil circuit 線圈電路分析線圈電路分析（1） 伺服閥的線圈連接方式伺服閥的線圈連接方式（a）（b）（c）（d）a）單線圈：）單線圈：用于力馬達(dá)，其中rp為放大器內(nèi)阻 b）雙線圈串聯(lián)）雙線圈串聯(lián)：相對單線圈匝數(shù)加倍，電阻加倍，電流減半c）雙線圈并聯(lián)：）雙線圈并聯(lián)：電阻減半，電流加倍，工作可靠，一只線圈損壞仍能工作d）雙線圈差動連接：）雙線圈差動連接：電路對稱

20、，溫度和電源波動影響可互補(bǔ)，控制靈敏度高n都要接入顫振（都要接入顫振（Dither）信號，）信號，以便消除閥芯的靜摩擦影響5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析n對顫振信號的要求：對顫振信號的要求：正弦波形振幅是閥芯最大位移的(0.5-1)%頻率是指令信號的24倍（2） 雙線圈差動聯(lián)接的電路分析雙線圈差動聯(lián)接的電路分析采用單端輸入，雙端輸出的推挽直流放大器Ebb用于線圈產(chǎn)生空載電流I0的穩(wěn)壓電源A）. 當(dāng)輸入信號eg=0時(shí)，放大器的輸出電壓e1=e2=0 ，

21、所以)/(021pcbbrRZEIII兩線圈電流大小相等方向相反，所產(chǎn)生的磁通相抵消，銜鐵不偏轉(zhuǎn)，閥對外無輸出，僅顫振信號使閥芯在原位閥芯在原位附近高頻振蕩高頻振蕩 5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析B). 當(dāng)當(dāng)0ge時(shí)時(shí)geeKee21gugeoeKeKeee221iII01兩線圈電流電流不同，磁通磁通不同，必引起與電流成正比的銜鐵偏轉(zhuǎn)銜鐵偏轉(zhuǎn)iIIIc221n差動連接靈敏度高靈敏度高如果I0=0.5Icmax=imax 當(dāng)eg=egmax時(shí)I1=2i

22、max，I2=0當(dāng)eg=-egmax時(shí)I1=0，I2=2imax其中：I0 空載電流（穩(wěn)壓電源） Ic 線圈的控制電流 i 信號電流（信號電壓產(chǎn)生）線圈的實(shí)際控制電流控制電流：Ke放大器單邊的增益Ku放大器的總增益iII02是信號電流的是信號電流的2倍倍5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析力矩馬達(dá)式電液伺服閥分析C). 線圈電壓平衡方程：線圈電壓平衡方程： 線圈1：dtdNZIrRZIeEacbpcbbb211)(線圈2：dtdNZIrRZIeEacbpcbbb122)(兩式相減式，同時(shí)考慮到gucceKeeeIII2121,則：dtdNIrReKa