[工学]电液伺服阀.ppt

北京工业大学机电学院,液压伺服控制系统部分,主讲教师: 王新华,机电伺服驱动技术,第5章 电液伺服阀,内容摘要 电液伺服阀的组成和分类 力矩马达 力反馈两级电液伺服阀 电液伺服阀的特性及主要性能指标,概 述 电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。 充分利用电子、电气元件传递信号迅速、传递能量方便的特点，用它作为反馈测量和放大变换元件，并利用液压执行元件输出功率大，结构紧凑的特点，用它作为动力元件。 电液伺服阀控制精度高、响应速度快，具有良好的静态和动态品质。 电液伺服阀是通过连接系统的电气与液压部分，将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号(流量与压力)输出，实现电液信号的转换与放大，并对液压执行元件进行控制。,第5章 电液伺服阀,5.1 电液伺服阀的组成及分类,一、电液伺服阀的组成,组成：力矩马达（力马达）、液压放大器、反馈机构 力矩马达（力马达）：把输入电气控制信号转换为力矩或力控制液压放大器。液压放大器控制液压能源流向液压执行元件的流量或压力。 力矩马达（力马达）的输出力矩或力很小，在阀流量较大时，无法驱动功率级阀运动，需要增加液压前置级，将力矩马达或力马达的输出加以放大，再去控制功率级阀，构成二级或三级电液伺服阀。 第一级结构型式：单（双）喷嘴挡板阀、滑阀、射流管阀和射流元件 功率级：滑阀 反馈机构：用于二级或三级电液伺服阀中，将功率级的阀芯位移（或输出流量、压力）以位移、力或电信号的形式反馈到第一级或第二级的输入端，也有反馈到力矩马达衔铁组件或力马达输入端。,平衡机构：用于单级伺服阀或二级弹簧对中式伺服阀，通常采用弹性元件，是一个力-位移转换元件。 伺服阀输出级所采用的反馈机构或平衡机构是为了伺服阀的输出流量或输出压力获得与输入电气控制信号成比例的特性。从而构成一个闭环系统，提高了伺服阀的控制性能。,5.1 电液伺服阀的组成及分类,一、电液伺服阀的分类,1 按液压放大器的级数分：单级、二级、三级电液伺服阀。,单级伺服阀：输出力矩或力较小，定位刚度低，输出流量有限，对负载动态变化敏感，易产生不稳定状态，使用于低压小流量。 两级伺服阀：应用最广 三级伺服阀：两级伺服阀作前置级、第三级功率级滑阀，功率级滑阀位移通过电气形成闭环控制，实现滑阀阀芯的定位，适用大流量场合。,2 按第一级液压放大器的结构分： 单（双）喷嘴挡板阀、滑阀、射流管阀和射流元件,5.1 电液伺服阀的组成及分类,滑阀放大器：流量增益和压力增益高，输出流量大，对油液清洁度要求低。结构工艺复杂，阀芯受力大，分辨率低，滞环大，响应慢。 单喷嘴挡板阀：特性不好，很少用 双喷嘴挡板阀：动态响应快，结构对称，压力灵敏度高，特性线性好，温度和压力零漂小，档板受力小，输出功率小。间隙小，易堵塞，抗污染能力差，对油液清洁度要求高。 射流管及射流元件：最大优点：抗污染能力强，最小通流尺寸大，不易堵塞，压力效率和容积效率高，可产生较大的控制压力和流量，提到功率级滑阀的驱动力，使功率级滑阀的抗污染能力增强。 当出现堵塞是，滑阀也能自动处于中位，具有失效对中能力。特性不易预测，惯性大，动态响应慢，受油温变化影响大，低温特性差。,5.1 电液伺服阀的组成及分类,3 按反馈形式分：滑阀位置反馈、负载流量反馈、负载压力反馈,滑阀位置反馈,根据反馈形式又分为： 机械位置反馈 机械力反馈（位置力反馈） 电气反馈（位置电反馈） 直接反馈（直接位置反馈） 位置比例反馈（弹簧对中式反馈）,5.1 电液伺服阀的组成及分类, 机械位置反馈：将功率级滑阀的位移通过机械机构反馈到前置级。,第一级为三通阀，有内外两个阀套，阀芯由左右两个马达差动作用带动。环形腔与供油压力ps相通，产生推力，使内阀套紧贴反馈杠杆，工作窗口2和3有一预开口，使工作腔4有一定压力。,5.1 电液伺服阀的组成及分类, 电气反馈（位置电反馈） 是通过位移传感器将功率级滑阀的位移反馈到伺服阀放大器的输入端，实现功率级滑阀阀芯位移的定位，通过机械机构反馈到前置级。,5.1 电液伺服阀的组成及分类, 弹簧对中式伺服阀 是靠功率级滑阀阀芯两端的对中弹簧与前置级产生的液压控制力相平衡，实现滑阀阀芯的定位，阀芯位置属于开环控制。,负载流量反馈,滑阀位置反馈和流量反馈伺服阀主要控制阀的输出流量，统称流量反馈伺服阀。通常的液压伺服系统控制的是执行机构的速度或位置，故流量伺服阀用得最多。流量反馈式伺服阀通过两流量计将负载流量转换成流量计阀芯的位移，此位移又通过两个反馈弹簧转换成力反馈到衔铁组件上。,5.1 电液伺服阀的组成及分类,负载压力反馈,控制对象是负载力或负载压力，如机件作力特性实验，对实验对象按一定载荷谱进行伺服加载及刹车减速等，可用压力伺服控制阀。 压力伺服阀具有负载压力反馈，包括静压反馈和动压反馈伺服阀。,4 按力矩马达是否浸泡在油中分：湿式和干式两种。,湿式可使力矩马达受到油液冷却，但易受油液中的污物污染，使力矩马达的特性变坏。干式不受油液污染，使用较多。,力矩马达的作用是将电信号转换为机械运动，是电气-机械转换器。 电气-机械转换器是利用电磁原理工作的，它由永磁铁或激励线圈产生极化磁场，电气控制信号通过控制线圈产生控制磁场，两个磁场之间相互产生与控制信号成比例并能反应控制信号极性的力或力矩，从而使其运动部产生直线位移或角位移的机械运动。,5.2 力矩马达,一、力矩马达的分类及要求,1 力矩马达的分类,根据可动件结构形式：动铁式和动圈式,根据可动件的运动形式分：直线位移式和角位移式 b,d,e,f,g,h,动圈式：运动部件是线圈，基于载流导体在磁场中受力的原理工作。a 动铁式：运动部件是衔铁，基于磁通通过气隙时产生电磁力的原理工作。,直线位移式称力马达，a,c,g。角位移式称力矩马达。b,d,e,f,h,按极化磁场产生方式分：非激磁式、固定电流激磁式和永磁式。,非激磁式：没有专门的激磁线圈，必须用推挽放大器与两个控制线圈连接成差动电路工作，利用线圈中的常值电流产生极化磁通。g,h 激磁式：用恒定电流通过激磁线圈建立极化磁场，可得较大极化磁通。需要有独立的激磁电源。d 永磁式：利用永久磁铁建立极化磁通，结构紧凑，极化磁通小。a,b,c,e,f,5.2 力矩马达,2 对力矩马达的要求,作为阀的驱动装置，对它提出以下要求； （1）能够产生足够的输出力和行程，体积小、重量轻。 （2）动态性能好、响应速度快。 （3）直线性好、死区小、灵敏度高和磁滞小。 （4）在某些情况下，要求抗振、抗冲击、不受环境温度和压力等影响。,二、永磁动铁式力矩马达,1 力矩马达的工作原理,结构：永久磁铁、上导磁体、下导磁体 衔铁、控制线圈、弹簧管等,5.2 力矩马达,工作原理：衔铁固定在弹簧管上端，由弹簧管支承在上、下导磁体的中间位置，可绕弹簧管的转动中心作微小的转动。衔铁两端与上、下导磁体(磁极)形成四个工作气隙、。两个控制线圈套在衔铁之上。上、下导磁体除作为磁极外，还为永久磁铁产生的极化磁通和控制线圈产生的控制磁通提供磁路。 （1）当没有控制电流（信号电流）输入时，i1=i2：永久磁铁在四气隙中产生大小相等的极化磁通，衔铁受力平衡，处于中间位置，力矩马达无力矩输出。,5.2 力矩马达,（2）当控制电流（信号电流）通过线圈时，i1i2：控制线圈在衔铁上产生控制磁通，大小和方向取决信号电流的方向。若i1i2，极化磁通由上自下通过四气隙，控制磁通在衔铁上由左向右通过，气隙中的控制磁通与极化磁通方向相同，两磁通相加，而气隙中的相反，两磁通相减。因此，中的合成磁通大于，衔铁左端电磁吸力的合力向上，右端的向下，衔铁产生顺时针方向的电磁力矩。使衔铁绕弹簧管转动中心产生顺时针方向的转动，衔铁的转动时弹簧管产生变形，形成一个与电磁力矩方向相反的力矩，当弹簧管变形力矩与电磁力矩相平衡时，衔铁停止转动。,5.2 力矩马达,控制电流越大，产生的电磁力矩越大，衔铁转角越大。电磁力矩的大小与信号电流的大小成比例，衔铁的转角也与信号电流成比例。如果力矩马达有负载，则形成负载力矩作用在衔铁上。负载力矩和弹簧管力矩加在一起与电磁力矩平衡。,（3）当控制电流（信号电流）的极性相反，i1i2：衔铁产生逆时针方向的电磁力矩。衔铁的转动方向反映了控制电流的极性。,2 力矩马达的电磁力矩,电磁力矩是通过对力矩马达进行磁路分析求得，求出电磁力矩与力矩马达结构参数的关系，以进行力矩马达的结构设计及特性分析。,5.2 力矩马达,磁路的基本关系式：磁路的欧姆定律,为磁势,（安匝）；,为磁通,（韦）；,为磁阻,（安匝/韦）；,5.2 力矩马达,其中,式中,磁路长度(厘米)。,垂直于磁通的截面积(厘米2) 。,导磁系数(韦/厘米安)，,相对导磁系数，空气的 。,空气的导磁系数(韦/厘米安)。,假设力矩马达的两个控制线圈由一个推挽放大器供电。常值电压E0，在每个线圈中产生的常值电流I0，大小相等方向相反。在衔铁上不产生电磁力矩。 当有输入电压Ug时，一个控制线圈中的电流增加，另一个减小。即,5.2 力矩马达,控制线圈中的信号电流（控制电流）。,两线圈中的差动电流：,差动电流i即为输入力矩马达的控制电流ic。在衔铁中产生的控制磁通以及由此产生的电磁力矩比例于差动电流。,每个线圈中的信号电流i是i的一半，常值电流I0通常是i的最大值一半。当放大器输入的信号最大时，力矩马达的一个线圈中的电流接近于零，另一个达到最大差动电流。,力矩马达的磁路原理图，忽略磁性材料和非工作气隙的磁阻，只考虑四个工作气隙的磁阻。,当衔铁处于中位时，每个工作气隙的磁阻,衔铁处于中位时的气隙长度。,5.2 力矩马达,当衔铁偏离中位时的气隙磁阻,气隙的磁阻：,气隙的磁阻：,衔铁端部偏离中位的位移。,因磁路是桥式对称，通过对角线气隙的磁通相等，气隙的磁通相等，气隙的磁通相等。,根据磁路的克希柯夫第二定律（基尔霍夫第二定律），对任意一个闭合磁路沿某一巡行方向走一圈，其磁势的代数和等于磁压降的代数和。,选择两个各包含斜对角桥臂且又包含极化磁势Mp和控制磁势Mc=Nci的磁回路，列它们的磁势和磁压降平衡方程，即,5.2 力矩马达,对包含气隙的MP和MC的闭合回路：,气隙的磁压降：,对包含气隙的MP和MC的闭合回路：,气隙的磁压降：,气隙的合成磁通：,气隙的合成磁通：,5.2 力矩马达,式中，MP永久磁铁产生的极化磁势；Mc控制电流在控制线圈中产生的控制磁势； ，Nc控制线圈的匝数；ic控制电流，ic=i。,利用衔铁在中位时的g和c表示Mp和Mc，代入1和2，得,衔铁在中位时的极化磁通g,衔铁在中位时的控制磁通c,衔铁在磁场中所受的电磁吸力（由马克斯威尔公式）,式中，F电磁吸力；气隙中的磁通；Ag磁极面的面积。,5.2 力矩马达,由控制磁通和极化磁通在衔铁上产生的电磁力矩,式中，a是衔铁转动中心到磁极面中心的距离；F1、F4是气隙处的电磁吸力。考虑到气隙处产生同样的电磁力矩，乘以2倍。,由式,得电磁力矩为,考虑到衔铁转角很小，则有 将1和2代入上式，则有,式中，Kt为力矩马达的中位电磁力矩系数，,5.2 力矩马达,式中，Km为力矩马达的中位电磁弹簧刚度，,由式,可以看出，力矩马达的输出力矩具有非线性。,为改善线性和防止衔铁被永久磁铁吸附，力矩马达一般都设计成,即 和 则Td可简化为,式中，Kti为衔铁在中位时，由控制电流i产生的电磁力矩，称中位电磁力矩。 Km是由于衔铁偏离中位时，气隙发生变化而产生的附加电磁力矩，它使衔铁进一步偏离中位，此力矩与转角成比例，类似弹簧特性，称电磁弹簧力矩。,5.2 力矩马达,在进行力矩马达电路分析时，要用到衔铁上的磁通a。,对分支点A或B应用基尔霍夫第一定律，可得衔铁磁通：,将1和2代入，则有,由于,故上式简化为,考虑到,则有,5.3 力反馈两级电液伺服阀,一、力反馈两级电液伺服阀结构及工作原理,1 结构组成,第一级液压放大器：双喷嘴挡板阀，由永磁动铁式力矩马达控制。 第二级液压放大器：四通滑阀，阀芯位移通过反馈杆与衔铁挡板组件相连，构成滑阀位移力反馈回路。滑阀位移通过反馈杆转换成机械力矩反馈到力矩马达的衔铁组件上。,2 工作原理,无控制电流时，衔铁处于上下导磁体中间位置，挡板也处于两喷嘴中间，阀芯在反馈杆小球的约束下处于中位，无液压输出。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,当有差动电流i=ic=i1-i20输入时，衔铁上产生逆时针的电磁力矩，衔铁挡板组件绕弹簧管转动中心逆时针偏转，弹簧管和反馈杆变形。挡板偏离中位右移，p2p增大，p1p减小，推动阀芯左移，同时带动反馈杆端部小球左移，反馈杆进一步变形，当反馈杆和弹簧管变形产生的反力矩与电磁力矩相平衡时，衔铁挡板组件处于平衡位置。,在反馈杆端部左移进一步变形时，使挡板偏移减小，趋于中位。使控制压力p2p降低，p1p增大，当阀芯两端的液压力与反馈杆变形对阀芯产生的反作用力以及滑阀的液动力平衡时，阀芯停止运动，其位移xv与ic成比例，伺服阀输出一对应流量qL。在负载压差一定时，阀的输出流量与控制电流成比例，达到用差动控制电流ic控制流量qL目的。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,二、力反馈两级电液伺服阀基本方程及方块图,1 力矩马达运动方程,力矩马达工作时包含两个动态过程：电的动态过程和机械的动态过程。电的动态过程用电路的基本电压方程表示，机械的动态过程用衔铁挡板组件的运动方程表示。,（1）电压平衡方程,力矩马达的两个控制线圈由一个推挽放大器供给控制电流。放大器中有一常值电压Eb加到控制线圈上，在每个线圈中产生常值电流I0。由于在线路连接上进行了处理，两线圈中的I0的作用是彼此相反的，即I0在两线圈中引起的磁通相互抵消，不会使衔铁产生电磁力矩。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,当放大器输入一控制电压，则有控制电流输送到控制线圈中，使一个线圈中的电流增加，另一线圈中的电流减小。故两线圈中的电流为,式中，i1、i2各线圈中的电流，i每个线圈中的控制（信号）电流，i两线圈中的差动电流。 差动控制电流i即为输入力矩马达的控制电流ic。在衔铁中产生的控制磁通以及电磁力矩比例于i。,当有控制电压ug加到放大器的输入端，则在其输出端有放大了的控制电压加到力矩马达的线圈上。于是，推挽放大器工作时，输入每个线圈的信号电压（控制电压）u1、u2为：,5.3 力反馈两级电液伺服阀,Ku放大器每边的放大系数（增益）。,力矩马达的输入控制电压：,列出每个线圈回路的电压平衡方程：,式中，zb线圈共用边的阻抗，Rc每个线圈的电阻，rp每个线圈回路中放大器内阻，Nc每个线圈的匝数，a衔铁磁通。,则有,5.3 力反馈两级电液伺服阀,力矩马达电路的电压平衡方程,表明：控制电压2Kuug一部分消耗在线圈电阻Rc和放大器内阻rp的发热，另一部分用来克服衔铁磁通变化在控制线圈中产生的反电动势。,将衔铁磁通 代入上式，得力矩马达电路基本电压平衡方程最终表达式：,令,每个线圈的反电动势常数（伏/弧度/秒）,每个线圈的自感系数（亨 或 欧秒）,5.3 力反馈两级电液伺服阀,则有,其拉氏变换式:,方程式左边为放大器加在线圈上的总控制电压。右边第一项为电阻上的电压降；第二项为由于衔铁被放置在控制线圈内，以一定的速度运动，使通过衔铁上的极化磁通不断变化，因而在在线圈内产生的反电动势；第三项为线圈内电流变化所引起的感应电动势，包括线圈自感和两线圈互感产生的电动势。,由于 第三项可写成,表明，两线圈的自感和互感加在一起为4Lc。由于两线圈对控制电流i，是串联的，且紧密耦合的，结构参数也配对的故互感等于自感。每个线圈回路的总电感是2Lc，整个力矩马达的总电感4Lc。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,由式,可得,式中，,控制线圈回路的转折频率。,（2）衔铁挡板组件的运动方程,由式,可知，力矩马达输出的电磁力矩包括：,中位电磁力矩 ，即衔铁处于中位时，控制i产生的电磁力矩。,电磁弹簧力矩 ，即衔铁偏离中位时，气隙发生变化产生的附加电磁力矩。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,在电磁力矩Td作用下，衔铁挡板组件的运动方程为：,式中，Ja衔铁挡板组件的转动惯量，Ba粘性阻尼系数，Ka弹簧管刚度，TL1喷嘴对挡板的液流力产生的负载力矩， TL2反馈杆变形对衔铁挡板组件产生的负载力矩。左边为力矩马达产生的电磁力矩，右端为作用在衔铁组件上的反力矩。,作用在挡板上的液流力对衔铁挡板组件产生的负载力矩,式中，AN喷嘴孔的面积，pLP两喷嘴腔的负载压差，喷嘴中心至弹簧管回转中心的距离。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,反馈杆变形对衔铁挡板组件产生的负载力矩,式中，b反馈杆小球中心到喷嘴中心的距离，f反馈杆刚度。,因此，联立下列各式：,得，衔铁挡板组件的力矩平衡方程为：,5.3 力反馈两级电液伺服阀,经拉氏变换，得衔铁挡板组件的力矩平衡方程为：,即，,式中，mf力矩马达的总刚度（综合刚度），,an力矩马达的净弹簧刚度，,5.3 力反馈两级电液伺服阀,因此，可得,或,式中，mf力矩马达的总固有频率，,mf力矩马达的机械组尼比，,5.3 力反馈两级电液伺服阀,因此，由式：,得力矩马达环节的方块图：,5.3 力反馈两级电液伺服阀,2 挡板位移与衔铁转角的关系,因此，上述力矩马达环节的方块图变换后为,5.3 力反馈两级电液伺服阀,3 喷嘴挡板至滑阀的传递函数,建立此环节的动态方程，假设,认为喷嘴挡板阀的综合特性是线性的，其线性化方程为,忽略滑阀的内外泄漏、摩擦力和失灵区,近似认为滑阀上的液动力是线性变化的，其稳态液动力为,根据上述假设，考虑液体可压缩性时，滑阀运动所需的流量为,式中，Vop滑阀处于中位时，左右腔每一腔的容积。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,阀芯上作用的力平衡方程为,为简化，忽略实际数值较小的量，即 ， 则有,联立上述三式，得,式中，,喷嘴挡板-滑阀环节的固有频率,5.3 力反馈两级电液伺服阀,喷嘴挡板-滑阀环节的相对阻尼系数,因此，得传递函数,由于，f很小，近似为f0，则有,Kqp喷嘴挡板阀的流量增益，v滑阀阀芯端面面积，hp滑阀液压固有频率，hp滑阀液压阻尼比，op滑阀一端包含的容积，Kcp喷嘴挡板阀的流量压力增益系数，mv滑阀阀芯及油液的归一化质量。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,因此，得到伺服阀的方块图。,由于,5.3 力反馈两级电液伺服阀,从图中可知，在反馈信号中有一项pLp，是阀芯两端作用的压力差，大小与滑阀压力有关，滑阀所受的力包括惯性力、稳态液动力等，而液动力又与滑阀输出的负载压力有关，即与液压执行机构的运动有关，为此需要写出动力机构的动态方程。,4 阀控液压缸的传递函数,由式,包含喷嘴挡板阀的负载压力pLp，其大小与滑阀受力有关。为简单，动力元件的负载只考虑惯性负载，则阀芯位移至液压缸位移的传递函数为,5.3 力反馈两级电液伺服阀,5 作用在挡板上的压力反馈环节,略去滑阀阀芯运动时受到的粘性阻尼力和反馈杆弹簧力，只考虑阀芯的惯性力和稳态液动力，则喷嘴挡板阀的负载力:,上式中，稳态液动力是pL和Xv的函数，将上式在Xv0和pL0处线性化。因液压缸的负载是纯观性，稳态时的pL0=0，线性化增量的拉氏变换为：,式中，XV0初始点的阀芯位移，pL0初始点的负载压力， pL滑阀输出的负载压力。当执行机构上只作用惯性负载时，有,5.3 力反馈两级电液伺服阀,因此，力反馈两级电液伺服阀的方块图。,可见，伺服阀有两个反馈回路：一个是滑阀位移的力反馈回路，是由于反馈杆的作用；另一个是作用在挡板上的压力反馈回路，是由于滑阀位移和执行机构负载变化而形成的。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,三、力反馈伺服阀的稳定性分析,伺服阀的方块图包含两个反馈回路，其中力反馈回路对伺服阀的性能起主要作用，压力反馈回路因受负载压力的影响，需要在设计时确定一个准则，是一个次要的回路。两个回路都存在稳定性问题。,1 力反馈回路的稳定性分析,力反馈两级伺服阀的性能主要取决于力反馈回路，在忽略压力反馈回路后，力反馈回路包含力矩马达和滑阀两个动态环节。首先要求出力矩马达小闭环的传递函数。 为避免伺服阀放大器特性对伺服阀特性的影响，通常采用电流负反馈伺服阀，以使控制线圈回路的转折频率a很高，即1/a0，则力矩马达小闭环的传递函数为：,5.3 力反馈两级电液伺服阀,式中，mf衔铁挡板组件固有频率,由机械阻尼和电磁阻尼产生的阻尼比。,一般，滑阀的固有频率hp很高, hpmf，滑阀的动态可以忽略，因此，简化后的力反馈回路方块图为：,5.3 力反馈两级电液伺服阀,由于hpmf，低频段转折频率主要取决于mf ，近似认为1/hp0，则有，力反馈回路的闭环传递函数：,令,力反馈回路的开环放大系数。,根据劳斯稳定性判据，得稳定条件为：,可见，只要保证式中 、 、 三者之间的关系，即可保证伺服阀工作的稳定性。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,此外，也可由力反馈回路的开环传递函数求得。在1/hp0，时，有,式中，vf力反馈回路的开环放大系数。,作出开环对数幅频特性，回路穿越频率c近似等于开环放大系数vf，即cvf。 根据开环频率特性判断稳定性的方法，二次谐振峰值d点应在横坐标轴下，由自动控制原理得谐振峰值：,5.3 力反馈两级电液伺服阀,则得稳定条件为,令,故,亦即，力反馈回路的稳定条件为mf 处的谐振峰值不能超过零分贝线。在设计时一般取,2 压力反馈回路的稳定性分析,由图知，作用在挡板上的压力反馈回路是由滑阀位移和执行机构负载变化引起的，反映了伺服阀各级负载动态的影响。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,这种影响越小越好，为使伺服阀稳定工作，不受负载压力变化的影响，应保证压力反馈回路满足稳定性要求。,根据奈奎斯特稳定判据：如果回路开环频率特性的模在任何情况下都小于1，则回路是稳定的。为此应使压力反馈回路的开环增益在任何频率下都远小于1，使回路近似于开环状态而不起作用。,首先求出压力反馈回路前向通道的传递函数的增大增益，为此需求出力反馈回路的闭环传递函数。,由图，压力反馈回路前向通道的传递函数为G2(s)，但首先求出小闭环的传递函数G1(s)，由于力矩马达控制线圈回路采取了电流负反馈等措施，其固有频率a大大提高，1/a0，则有,5.3 力反馈两级电液伺服阀,式中， mf力矩马达衔铁挡板组件的固有频率。 力矩马达衔铁挡板组件的相对阻尼比。,由于hpmf，低频段转折频率主要取决于mf，近似认为1/hp0，则有，,在 较小和 时，上式可近似写成,通常 ，一阶惯性环节在mf处的衰减对mf处的谐振峰值有一定的抵消作用，则G2(s)的最大增益可近似为,5.3 力反馈两级电液伺服阀,由图知，压力反馈回路反向通道的传递函数为,5.3 力反馈两级电液伺服阀,其最大增益为,由于,，故mv可以忽略，又因为,在Ctp=Bp=0（忽略泄漏时），,故上式可写成,可见，前向通道与反馈通道最大增益的乘积即为整个压力反馈回路的最大增益。为确保压力反馈回路的稳定性，并使压力反馈回路的影响可以忽略，应满足以下条件：,对于滑阀:,5.3 力反馈两级电液伺服阀,即,由于 ， ，上述条件一般情况下是容易满足的。,由于力反馈回路是压力反馈回路的前向通道，满足上述条件就说明压力反馈的影响相对于力反馈是较小的，故压力反馈回路可以忽略。,四、力反馈伺服阀的传递函数,忽略压力反馈回路和对伺服阀影响较小的喷嘴挡板-滑阀环节的固有频率hp ，并认为控制线圈回路的固有频率a 很高，一般有a hp mf， 1/a0，力矩马达控制线圈的动态和滑阀的动态可以忽略。作用在挡板上的压力反馈的影响比力反馈小得多，压力反馈回路也可以忽略。 小闭环传递函数G1(s)用下式代入，,5.3 力反馈两级电液伺服阀,则力反馈伺服阀的方块图可简化成如下方块图。,对比两方块图，只是增加了放大器和力矩马达的增益：,因此，由下式,5.3 力反馈两级电液伺服阀,得到力反馈伺服阀的传递函数为,上式在保证 比 较小的情况下，可近似写成,或,Ka伺服放大器增益， KXV伺服阀增益。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,伺服阀通常以电流i作为输入参量，以空载流量q0=KqXv作输出参量。此时，伺服阀的传递函数可表示为,式中， Ksv伺服阀的流量增益。,因此，力反馈两级电液伺服阀的传递函数由以开环放大系数Kvf为转折频率的非周期环节与以力矩马达衔铁组件的固有频率mf为频率的振荡环节串联而成的。 通常情况下， mf Kvf，因此， Kvf支配着伺服阀的动态响应，为提高伺服阀的频带宽度，应在保证其稳定条件下 ，尽量加大Kvf。可见，只有设法增大 、 ，才能允许 有更大的提高。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,由,和,得,在设计时，若能保证纯弹簧刚度,则得到尽可能大的 。在此条件下，反馈回路的开环放大系数为,为简便，特别是在整个伺服系统的计算中，常把伺服阀看成为一阶环节或二阶环节。当实际使用频率50Hz时，伺服阀的传递函数可简化为,式中， sv= Kvf=cf,5.3 力反馈两级电液伺服阀,当实际使用频率50Hz时，伺服阀的传递函数可简化为,式中， sv和sv为伺服阀的固有频率和相对阻尼系数。,在大多数电液伺服系统中，伺服阀的动态响应往往高于动力元件的动态响应。为简化系统的动态特性分析与设计，伺服阀的传递函数可进一步简化，一般可用二阶振荡环节表示。如果伺服阀二阶振荡环节的固有频率高于动力元件的固有频率，伺服阀传递函数还可用一阶惯性环节表示，当伺服阀的固有频率远远大于动力元件的固有频率，伺服阀可看成比例环节。,二阶近似的传递函数可由下式估计,式中， sv伺服阀的固有频率，sv伺服阀的阻尼比（相对阻尼系数）。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,sv 和sv 的确定方法：, sv 的确定,在由式,计算，,或由实验得到的伺服阀的相频特性计算曲线，取相频特性上的-900（即相位滞后900）所对应的频率作为sv。, sv的确定,相对阻尼系数sv（阻尼比）的确定有以下两种方法：,5.3 力反馈两级电液伺服阀,根据二阶环节的相频特性公式,由相频特性曲线求得每一相角 所对应的sv值，然后取平均值。,由自动控制原理，对各种不同的值，有一条对应的相频特性曲线，如图所示。将伺服阀的相频特性曲线与此对照，通过比较，确定sv,一阶近似的递函数可由下式估计,式中， sv伺服阀的转折频率， sv= Kvf或取频率特性曲线上相位滞后450所对应的频率。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,五、力反馈伺服阀的频宽,在力反馈伺服阀的闭环传递函数 中，由于Kvf是最低的转折频率，故，力反馈伺服阀的频宽主要由Kvf决定。,根据频宽的定义近似估计伺服阀的频宽。设输入伺服阀的差动电流i为正弦信号，阀芯位移也按正弦规律变化，即,式中， Xv为阀芯运动的峰值位移，为运动的频率。,由式 ，得阀芯的运动速度为,因为,所以，,式中， Xf为挡板的峰值位移，KqpXf为喷嘴挡板阀的峰值流量。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,根据频宽的定义,式中， Xv0为频率较低时阀芯的峰值位移，一般取 Xv0= Xvm/4。,由图近似求得挡板峰值位移Xf 。当伺服阀工作频率大于穿越频率c时，由于开环增益很低，图中的反馈可以忽略。此时，偏差信号 ，忽略力矩马达的动态，则有,因此，伺服阀频宽的近似表达式为,5.3 力反馈两级电液伺服阀,稳态时，由图得,因此，有,引入式,对比上两式，则得,表明，若已知开环增益Kvf，即可估算出伺服阀的幅频宽b。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,当Xf=Xf0时，可得伺服阀的极限频宽为,式中， qc为喷嘴挡板阀零位时的泄漏量，,由式,可知，,为提高Kvf，应减小综合刚度Kmf。在设计时，可使衔铁挡板的净刚度Kan=0，即,作用在挡板上的液动力刚度一般很小，可以忽略。这样，弹簧刚度Ka与电磁簧刚度Km近似相等，衔铁挡板组件刚好处在静稳定的边缘上。当力矩马达装入伺服阀后，反馈杆刚度Kf就成为主要的弹簧刚度。当Kan=0时，则有,5.3 力反馈两级电液伺服阀,为提高Kvf，除了适当提高r/(r+b)的比值外，主要增大喷嘴直径（即增大Kqp)和减小滑阀直径，否则将会出现流量饱和现象，限制伺服阀的频宽，或只能在小振幅下达到所需的频宽。增大Kqp和减小Av是有限制的。增大Kqp受泄漏流量和力矩马达功率的限制，减小Av受阀的额定流量和阀芯最大行程的限制。,提高Kvf还受力反馈回路稳定性的限制，如 。 为提高伺服阀的频宽，应提高力矩马达的固有频率mf和阻尼比mf。力反馈伺服阀的力矩马达动态被力反馈回路所包围，由于力矩马达固有频率是回路中最低的转折频率，所以，力矩马达就成为伺服阀响应能力的限制因素，在大流量伺服阀中更为突出。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,六、力反馈伺服阀的静态特性,1 负载流量特性,负载流量特性：伺服阀输出流量qL、输出压力pL与控制电流ic三者之间的静态关系。,由式,及上图，可得稳态情况下伺服阀的传递函数：,力矩马达的静态电压平衡方程：,5.3 力反馈两级电液伺服阀,由上两式可得：,上式代入滑阀放大器的综合特性方程，即可求出伺服阀的负载流量特性方程，伺服阀的功率级通常采用零开口四边滑阀，因此，有,式中，,滑阀位移xv对输入控制电流ic的增益。,伺服阀的负载流量特性曲线,可见，电液伺服阀与滑阀的压力流量特性曲线形状是一样的，只是输入参量不同。滑阀为xv，电液伺服阀为电流i。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,2 空载流量特性,一般将伺服阀的空载流量特性称为伺服阀的流量特性，它是伺服阀的输出压力pL=0时，输出流量qL与控制电流ic之间的静态关系。,根据前面分析可知，当实际使用频率50Hz时，传递函数可简化为：,当pL=0时，得流量特性方程为：,由于伺服阀存在滞环及饱和，实际的流量特性曲线如图所示。,5.3 力反馈两级电液伺服阀,3 压力特性,伺服阀的压力特性是指负载通道封闭时， 即qL=0时，输出压力pL与控制电流ic之间的静态关系。压力特性一般与阀的泄漏有关，通常通过实验测定，其特性曲线如图所示。,可见，力反馈伺服阀闭环控制的是阀芯位移xv ，对由阀芯位移到输出流量qL来说，是开环控制，因此，流量控制的精确性需要靠滑阀的加工精度来保证。,5.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标,电液伺服阀是非常精密而又复杂的伺服元件，其性能对整个伺服系统的性能影响很大，因此，对其特性及性能指标的要求十分严格。,一、静态特性,电液伺服阀的静态性能，可根据测试得到的负载流量特性、空载流量特性、压力特性、内泄漏特性等曲线和性能指标进行评定。,1 负载流量特性（压力-流量特性）,负载流量特性曲线完全描述了伺服阀的静态特性。但要测得这组曲线却相当麻烦，特别是在零位附近，很难测出其精确值，而伺服阀却正好在此处工作。因此，这些曲线主要还是用来确定伺服阀的类型和估计伺服阀的规格，以便与所要求的负载流量和负载压力相匹配。,电液伺服阀的规格也可由额定电流In、额定压力pn、额定流量qn表示。,额定电流In,为产生额定流量对线圈任一极性所规定的输入电流（不包括零偏电流），单位为A。规定额定电流时，必须规定线圈的连接形式。额定电流通常指单线圈连接、并联连接或差动连接。当串联连接时，其额定电流为上述的额定电流的一半。,额定流量qn,在规定的阀压降下，对应于额定电流的负载流量，单位为m3/s。通常在空载条件规定伺服阀的额定流量。此时阀压降等于额定供油压力，也可在负载压降等于三分之二供油压力的条件下规定额定流量，这样规定的额定流量对应阀的最大功率输出点。,5.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标,2 空载流量特性,空载流量特性曲线是输出流量与输入电流呈回环状的函数曲线。它是在给定的伺服阀压降和负载压降为零的条件下，使输入电流在正、负额定电流值之间以阀的动态特性不产生影响的循环速度作一完整循环描绘出来的连续曲线。 流量曲线中点的轨迹称名义流量曲线，是零滞环流量曲线。阀的滞环通常很小，,可把流量曲线的任一侧当作名义流量曲线使用。,流量曲线上某点或某段的斜率就是阀在该点或该段的流量增益。,5.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标,从名义流量曲线的零流量点向两极各作一条与名义流量曲线偏差为最小的直线，就是名义流量增益线，如图所示。两个极的名义流量增益线斜率的平均值就是名义流量增益，单位为m3/sA。,伺服阀的额定流量与额定电流之比称为额定流量增益。 流量曲线不仅给出阀的极性、额定空载流量、名义流量增益，且从中还可得到阀的线性度、对称度、滞环、分辨率，并揭示阀的零区特性。,5.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标, 线性度 流量伺服阀名义流量曲线的直线性。以名义流量曲线与名义流量增益线的最大偏差电流值与额定电流的百分比表示，如图所示，通常小于7.5%。, 对称度 阀的两个极值的名义流量增益的一致程度。用两者之差对较大者的百分比表示，土图所示，通常小于10%。, 滞环 在流量曲线中，产生相同输出流量的往返输入电流的最大差值，与额定电流的百分比，如图所示，伺服阀的滞环，一般小于5%。,滞环产生的原因，一方面是力矩马达磁路的磁滞，另一方面是伺服阀中的游隙。磁滞回环的宽度随输入信号的大小而变化，当输入的信号减小时，磁滞回环的宽度将减小。游隙是由于力矩马达中机械固定处的滑动以及阀芯与阀套间的摩擦力产生的。如果油是脏的，则游隙会大大增加，有可能使伺服系统不稳定。,5.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标, 分辨率 使阀的输出流量发生变化所需要的输入电流的最小变化值与额定电流的百分比比，称为分辨率。通常规定为从输出流量的增加状态回复到输出流量减小状态所需之电流最小变化值与额定电流之比。伺服阀的分辨率一般小于1%。分辨率主要由伺服阀中的静摩擦力引起的。, 重叠 伺服阀的零位指空载流量为零的几何零位。伺服阀常工作在零位附近，因此零位特性特别重要。零位区域是输出级的重叠对流量增益起主要影响的区域。伺服阀的重叠用两级名义流量曲线近似直线部分的延长线与零流量线相交的总间隔与额定电流的百分比表示。如图所示。伺附阀的重叠分为：零重叠、正重叠、负重叠。,5.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标, 零偏 为使阀处于零位所需的输入电流值（不计发的滞环影响）与额定电流的百分比表示，如图所示，通常小于3%。,3 压力特性,压力特性曲线是输出流量为零（两个负载油口关闭）时，负载压降与输入电流呈回环状的函数曲线，如图所示。负载压力对输入电流的变化就是压力增益，单位为pa/A。伺服阀的压力增益通常规定为最大负载压降的40%之间，负载压降对输入电流曲线的平均斜率。压力增益指标为输入1%的额定电流时，负载压降应超过30%的额定工作压力。,空载流量特性,5.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标,4 内泄漏特性,内泄漏流量是负载流量为零时，从回油口流出的总流量，单位m3/s，随输入电流而变化。当阀处于零位时，内泄漏流量（零位内泄漏流量）最大。对两级伺服阀而言，内泄漏流量由前置级的泄漏流量qp0和功率级泄漏流量q1组成。功率滑阀的零位泄漏流量qc与供油压力ps之比，可作为滑阀的流量-压力系数。零位泄漏流量对新阀可作为滑阀制造质量的指标，对旧阀可反映滑阀的磨损情况。,5 零漂,工作条件或环境变化所