第四章電液伺服閥

1、第4章 電液伺服閥,主講：彭浩 單位：機械工程學院機械電子教研室,前言,液壓控制閥是液壓控制系統(tǒng)中的重要元件，它在液壓控制系統(tǒng)中起到了信號轉(zhuǎn)換、功率放大及控制作用。本章主要介紹電液伺服閥的工作原理、分類，永磁力矩馬達、電液伺服閥的動態(tài)分析及電液伺服閥的性能及其規(guī)格選擇等問題。要求熟練掌握電液伺服閥的工作原理及其動態(tài)特性分析，熟悉電液伺服閥的選擇。,4.1 電液伺服閥結構、分類及工作原理,電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。電液伺服閥是液壓控制系統(tǒng)的核心元件。 控制精度高，響應速度快。 根據(jù)輸出液壓信號的不同，電液伺服閥分為電液流量控制伺服閥和電液壓力控制伺服閥 主要功能：信號轉(zhuǎn)換、功

2、率放大、伺服控制,4.1.1 電液伺服閥的結構與功能,基本結構圖,(b)電液伺服閥基本結構圖,(a)電液控制系統(tǒng)職能方框圖,4.1.2 電液伺服閥的分類,伺服閥可分為單級、兩級、三級伺服閥。閥流量較大時，采用兩級或三級電液伺服閥的形式。包括液壓前置級和功率級 液壓前置級：單（雙）噴嘴擋板閥、滑閥、射流管閥、射流元件 功率級：滑閥 單級伺服閥主要由滑閥、力矩馬達構成。力矩馬達直接驅(qū)動滑閥運動。 動鐵式單級伺服閥 動圈式單級伺服閥,單級電液伺服閥結構簡圖,特點： 結構簡單，價格低。 力矩馬達功率小。工作時可能出現(xiàn)不穩(wěn)定。,(a)動鐵式,(b)動圈式,力矩馬達（或力馬達）：將電氣信號轉(zhuǎn)換為力矩或力,

3、液壓放大器：控制流向液壓執(zhí)行機構的流量或壓力,兩級電液伺服閥,這是最常用的電液伺服閥。 具有液壓前置放大器，將力矩馬達輸出放大，以克服滑閥承受的較大液動力、粘性力和質(zhì)量力。 按反饋形式不同，分為位置反饋、負載壓力反饋和負載流量反饋三種。,動畫,位置反饋電液伺服閥結構簡圖,根據(jù)伺服閥芯位置感受方式不同，位置反饋兩級電液伺服閥分為：,不常用,4.1.3 電液伺服閥工作原理,1、單級電液伺服閥原理,力矩馬達在輸入電流作用下產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，直接推動閥芯運動，打開節(jié)流口，輸出流量、壓力，直接控制負載運動。 缺點：輸出流量有限；穩(wěn)定性不可靠，通常取決于負載的動態(tài)特性。,2、兩級電液伺服閥的工作原理,兩級電液伺服

4、閥克服了單級伺服閥流量受限制和工作不穩(wěn)定的缺點。 根據(jù)反饋形式不同，分位置反饋、負載壓力反饋和負載流量反饋三種。位置反饋最為常見。 位置反饋又分直接反饋、力反饋和彈簧對中電液伺服閥。前兩種最為常見。,直接反饋兩級電液伺服閥,力反饋兩級電液伺服閥,動畫,4.2 動鐵式永磁力矩馬達,力矩馬達是電液伺服閥的輸入級。起到前置放大的作用，電氣-機械轉(zhuǎn)換裝置。 力矩馬達分類 可動件運動形式：直線位移式（力馬達）、角位移式（力矩馬達） 可動件結構形式：動鐵式（銜鐵）、動圈式（控制線圈） 極化磁場產(chǎn)生的方式：非激磁式（控制線圈差動連接）、固定電流激磁（激磁線圈，大的極化磁通，結構復雜，體積大）、永磁式（永久磁

5、鐵，結構簡單、重量輕、獲得的極化磁通?。?4.2.1 概述,動鐵式力矩馬達組成如圖。銜鐵被安裝在磁場氣隙中，兩個導磁體被磁化。永磁體、導磁體構成磁路。當電流通過控制線圈，產(chǎn)生通過銜鐵的磁通，改變了通過四個氣隙的磁通量，產(chǎn)生力矩，帶動銜鐵繞軸心或彈簧管中心轉(zhuǎn)動，與彈性支承力矩平衡，銜鐵輸出一個角位移。 特點：銜鐵慣性小，彈簧管剛度大，動態(tài)響應快。但受磁滯影響大，輸出線性度差。因此銜鐵位移量很小。,4.2.2 動鐵式力矩馬達基本方程,本節(jié)研究力矩馬達的輸出在控制輸入電流作用下的動態(tài)特性。,力矩馬達磁路原理圖,(a)磁路原理圖,(b)等效磁路原理圖,銜鐵力矩平衡方程：,拉氏變換后：,負彈簧,力矩馬達

6、中的負彈簧,當有輸入電流i之后，即產(chǎn)生電磁力矩td以驅(qū)動銜鐵轉(zhuǎn)動而有角位移，又進一步使td增大，td之增加又更加驅(qū)使銜鐵轉(zhuǎn)動。這樣，銜鐵是不能工作的，只要銜鐵略為偏離中位，那怕沒有輸入電流，銜鐵也會受電磁力矩之作用而偏轉(zhuǎn)。越偏轉(zhuǎn)則力矩越大，力矩越大則越偏轉(zhuǎn)，直到銜鐵碰上導磁體為止。 為了使銜鐵有確定的偏轉(zhuǎn)角，就必須另設一個機械彈簧與銜鐵連接在一起。銜鐵偏轉(zhuǎn)后產(chǎn)生一個與成正比的機械彈簧力矩與電磁力矩平衡，這時銜鐵才能停留在確定的角位移處，磁彈簧的作用與機械彈簧相反，所以可以說它是一個負彈簧。,常見的是銜鐵支承在彈簧管上。彈簧管是用彈性材料做成的薄壁圓管，一端緊固在銜鐵中部，另一端固定在下一級液壓

7、放大元件上。,用彈簧管支承銜鐵的力矩馬達 1彈簧管，2液壓放大元件,用彈簧管支承銜鐵的力矩馬達 1彈簧管，2液壓放大元件,在零位時，銜鐵正好處于四個氣隙的中間位置，彈簧管也正好在正中零位。當輸入i而產(chǎn)生電磁力矩后，電磁力矩使銜鐵偏轉(zhuǎn)，彈簧管也受力歪斜變形，作用在銜鐵上的電磁力矩與彈簧管變形時的彈性力矩平衡，也就是電磁力矩td通過彈簧管彎曲變形而轉(zhuǎn)化為銜鐵的角位移。,由于力矩馬達直接控制液壓放大元件，所以在結構安裝上，力矩馬達必須與液壓放大元件緊連在一起而形成一個整體。,液壓放大元件中充滿著油液，因彈簧管與液壓放大元件間有密封圈隔開，與銜鐵也是，緊密固接的，這樣，液壓放大元件中的油液就不會滲漏到

8、力矩馬達中去。力矩馬達不是浸泡在油液中的，故稱干式。,力矩馬達浸泡在油液中的就叫濕式。因為油液中不可避免地帶有零件磨損時所產(chǎn)生的金屬微粒，這些鐵磁性雜質(zhì)吸附在力矩馬達的磁極氣隙中時，力矩馬達將不能正常工作，因此，現(xiàn)在的力矩馬達多用干式。,4.2.3動鐵式力矩馬達傳遞函數(shù),以放大器輸入信號電壓為輸入，以力矩馬達銜鐵轉(zhuǎn)角為輸出的傳遞函數(shù)：,設計時，可?。?4.2.4 動鐵式力矩馬達靜、動態(tài)特性分析,1、靜態(tài)特性分析 簡化了的空載靜態(tài)特性方程為： 銜鐵輸出轉(zhuǎn)角與控制信號差動電流i成正比。,空載靜態(tài)特性曲線分析,1、 時，銜鐵將不穩(wěn)定。此極限與彈簧參數(shù)無關。 2、出現(xiàn)靜不穩(wěn)定電流隨 減小而增加，斜率隨

9、之增大。 3、為防止銜鐵被永久磁鐵吸附和線性度要求，通常限制 1。,帶負載的力矩馬達靜態(tài)特性,當tl0時，包含有負載的力矩馬達靜態(tài)特性方程為：,2、動態(tài)特性分析,根據(jù)力矩馬達傳遞函數(shù)： 當kakm,力矩馬達工作不穩(wěn)定。 轉(zhuǎn)折頻率 通常比較低，須使用高輸出阻抗放大器。 銜鐵固有頻率 如須提高銜鐵固有頻率，應盡量減小銜鐵及其任何附加的負載轉(zhuǎn)動慣量ja，增加銜鐵轉(zhuǎn)軸的機械扭簧剛度ka。,?。?力矩馬達頻率特性曲線,力矩馬達剛度特性曲線,?。?4.2.5 設計動鐵式力矩馬達注意,設計力矩馬達通常采用試驗和計算相結合的方法，確定其中難以確定的參數(shù)及其結構參數(shù)。 為確保力矩馬達穩(wěn)定性，設計時保證 為提高力

10、矩馬達靜態(tài)特性曲線線性度，一般要求,4.3 動圈式永磁力馬達的分析,動圈式馬達工作原理,在內(nèi)外導磁體所組成的環(huán)狀工作氣隙中安置可動控制線圈，線圈安裝在骨架上，骨架與下一級液壓放大元件的閥芯相連。永久磁鐵在氣隙中產(chǎn)生固定磁場，當控制線圈中通以控制電流后成為載流線圈。載流線圈在磁場中受力而運動，從而帶動閥芯一起運動?？蓜泳€圈在固定磁場中所受電磁力的大小和方向決定于線圈中控制電流的大小和方向。這就是力馬達的輸出位移。,1）動鐵式力矩馬達因磁滯影響輸出位移滯后比較大。 2）動鐵式力矩馬達的線性范圍比較窄，工作行程小。 3）同慣性下，動鐵式力矩馬達的輸出力矩大，銜鐵組件的固有頻率高。 4）同功率下，動鐵

11、式體積小。 5）減小工作氣隙長度可提高靈敏度，但動圈式受動圈尺寸限制，動鐵式受靜不定的限制。 動鐵式：頻率高、體積小、重量輕 動圈式：尺寸要求不嚴格、頻率要求不高、價格低,動鐵式力矩馬達與動圈式力馬達的比較,4.4 單級電液伺服閥的分析,4.4.1 動鐵式單級電液伺服閥 結構如右圖。 單級電液伺服閥的力矩馬達帶有滑閥負載，傳遞函數(shù)式4.36中有關系數(shù)需按右圖重新計算。,帶滑閥負載的力矩馬達傳遞函數(shù)：,液壓馬達驅(qū)動慣性負載時，閥控液壓馬達的傳遞函數(shù)為：,動態(tài)特性分析,與一個只有慣性負載的液壓馬達相連的動鐵式單級電液伺服閥方塊圖,2、穩(wěn)定性分析,動鐵式單級電液伺服閥液控馬達系統(tǒng)是一個正反饋系統(tǒng)。考

12、慮穩(wěn)定性是其設計的主要問題。 為得到工程上可以應用的設計準則，需對該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)作合理簡化。 系統(tǒng)開環(huán)增益 由勞斯判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件為： 單級電液伺服閥傳遞函數(shù)為：,3、靜態(tài)特性分析,靜態(tài)特性指描述穩(wěn)態(tài)工作情況下，控制電流i、負載流量ql、負載壓力pl之間的關系。 當kr=1時，無量綱特性曲線如右圖。,穩(wěn)態(tài)液動力剛度與力矩馬達凈彈簧剛度之比,kr=1時的曲線比kr=0時曲線平直，說明液動力補償單級伺服閥負載壓力變化時的影響。,當 時，流量壓力特性曲線有較小的正斜率,kr對輸出流量有一定的影響。負載壓力 時，無因次流量達到最大值。,kr對面積梯度有影響。只有當 時，動鐵式單級電液伺服

13、閥才穩(wěn)定。,4、動鐵式單級電液伺服閥設計準則,穩(wěn)態(tài)液動力剛度與力矩馬達凈彈簧剛度之比kr，是一個重要的指標。 推薦設計值為1. 對于正開口閥，推薦設計值小于1/2 對于零開口閥，當kr=1時，強調(diào)面積梯度需滿足條件：,4.5力反饋兩級電液伺服閥,力反饋反饋彈簧桿將主閥芯的位移轉(zhuǎn)化為力矩，并作用于擋板和銜鐵，使銜鐵轉(zhuǎn)角減少。其實質(zhì)：主閥芯的位置反饋。 負載壓差一定時，閥的輸出流量與控制電流成比例，所以是流量控制伺服閥。 由于擋板和銜鐵均在中位附近工作，所以線性好。對力矩馬達的線性要求也不高，可允許滑閥有較大的工作行程。 本節(jié)主要介紹力反饋兩級電液伺服閥的工作原理,4.5.1 力反饋兩級電液伺服閥

14、基本方程,數(shù)學處理： 忽略閥芯靜摩擦力、力矩馬達滯環(huán)等非線性。 力矩馬達特性、噴嘴擋板液壓放大器特性可作小信號線性化處理。 噴嘴擋板位移很小 輸出級為理想零開口四通滑閥，滑閥上瞬態(tài)液動力忽略。,ps,ps,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,pl, ql,1信號線; 2永磁體; 3線圈; 4銜鐵; 5彈簧管; 6噴嘴; 7擋板; 8反饋彈簧桿; 9閥芯; 10固定阻尼孔; 11過濾器; 12閥體,圖 力反饋兩級電液伺服閥結構原理圖,力反饋反饋彈簧桿動作示意圖,力反饋反饋彈簧桿動作示意圖,噴嘴擋板彈簧桿銜鐵組件工作原理,1為閥芯未動時彈簧桿形狀。 2為閥芯移動到與銜鐵組件平衡時

15、彈簧桿形狀。,(a)干式力矩馬達,(b)濕式力矩馬達,基本方程,力矩馬達電壓基本方程 力矩馬達傳遞函數(shù) 擋板位移方程 噴嘴擋板輸給閥芯線性化流量方程 流量連續(xù)性方程 閥芯力平衡方程 這幾個方程不要求推導過程和記憶。但要知道其物理意義。,以電流為輸入的力反饋兩級電液伺服閥方塊圖,以電壓為輸入的力反饋兩級電液伺服閥方塊圖,至擋板的壓力反饋,系統(tǒng)的不穩(wěn)定性由滑閥位移和執(zhí)行機構負載變化引起。 回路的開環(huán)增益在任何情況下都應小于1，即近似于開環(huán)不起作用。最大增益為：,力反饋兩級伺服閥簡化方塊圖,穩(wěn)定條件：,4.7 電液伺服閥的選擇及其性能參數(shù),4.7.1 電液伺服閥選擇方法 根據(jù)動力機構執(zhí)行元件所需最大

16、負載流量qlm與最大負載壓力plm，計算伺服閥的閥壓降pv，折算為伺服閥樣本對應參數(shù)額定負載流量qls、額定閥壓降pvs ，然后確定型號。,電液伺服閥選型示例,已知某電液伺服系統(tǒng)的液壓動力機構最大負載壓力plm=10mpa，qlm=7.56l/min。擬選擇qdy系列伺服閥。選擇伺服閥并寫出該電液伺服閥的傳遞函數(shù)。,解：1）確定供油壓力： 考慮到伺服閥壓力等級，選ps=14mpa。 2）閥壓降： 3）折算負載流量： 根據(jù)樣本參數(shù)pvs=7mpa，qls=10l/min，查該樣本選型伺服閥qdy-10。選擇控制電流30ma。,查表得qdy-10伺服閥參數(shù)：,4.7.2 伺服閥主要性能參數(shù),額定電

17、流：為產(chǎn)生額定流量，控制線圈所需輸入電流（不含零偏電流），單位為a。 額定電流與線圈的連接方式有關：串聯(lián)、并聯(lián)、差動 額定流量：在規(guī)定的閥壓降下，對應于額定電流的負載流量，單位m3/s。 通常，在空載條件下規(guī)定伺服閥的額定流量。 負載壓降為2/3供油壓力時，規(guī)定的額定流量對應伺服閥的最大功率輸出點 額定流量的允差一般為10%。額定流量表征伺服閥的規(guī)格和容量。 流量增益：輸出流量與輸入電流在給定的閥壓降條件下關系曲線的斜率。,動畫,滯環(huán)：產(chǎn)生相同輸出流量的往返輸入電流的最大差值與額定電流的百分比，通常小于5%。原因： 1）力矩馬達磁路的磁滯（輸入信號小，磁滯回環(huán)?。?2）伺服閥中的游隙（機械固定處的滑動，閥芯與閥套的摩擦力，油的清潔度） 零偏：使閥處于零位所需輸入電流i與額定電流im之比。 零漂：當工作條件變化引起閥的零位變化量。 分辯率