第5章_电液伺服阀

1、第,5,章,电液伺服阀,本章摘要,电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。,它能够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。根据输出液压信号的不问，电液伺服阀和,比例阀可分为电液流量控制伺服阀和比例阀和电液压力控,制伺服阀和比例阀两大类。,电液伺服阀控制精度高、响应速度快，是一种高性能,的电液控制元件，在液压伺服系统中得到了广泛的应用。,第,5,章,电液伺服阀,电液控制阀：,电液伺服阀、电液比例阀和电液数字阀,接口：,系统中电气控制部分与液压执行部分间的接口,放大元件：,又是实现,用小信号控制大功率,的放大元件。,分类：,电液流量控制,、,电液压力控制,。,

2、特点：,电液伺服阀控制精度高、响应速度快,，是一种高性,能的电液控制元件，在液压伺服系统中得到了广泛的应用。,5.1,电液伺服阀的组成与分类,一、电液伺服阀的组成,电液伺服阀通常由,电气机械转换器、液压放大器、检测反馈机构,(,或平,衡机构,),三部分组成。,二、电液伺服阀的分类,按液压放大级数分为：,单级伺服阀：,此类阀结构简单、价格低廉，但由于力矩马达或力马达,输出力矩或力小、定位刚度低，使阀的输出流量有限，对负裁动态变化敏感，,阀的稳定性在很大程度上取决于负载动态，容易产生不稳定状态。,只适用于,低压、小流量和负载动态变化不大的场合。,两级伺服阀,：,此类阀克服了单级伺服阀缺点，是最常用

3、的型式。,三级伺服阀,：由一个,两级伺服阀作前置级控制第三级功率滑阀,功率级,滑阀阀芯位移通过电气反馈形成闭环控制，实现功率级滑阀阀芯的定位。,三,级伺服阀通常只用在大流量的场合。,5.1,电液伺服阀的组成与分类,按第一级阀的结构形式分类：,滑阀、单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀,射流管阀和偏转板射流阀。,按反馈形式分类：,可分为滑阀,位置反馈、负载流量反馈和负载压力反馈,三种。,按力矩马达是否浸泡在油中分类：,湿式：,可使力矩马达受到油液的冷却，但油液中存在的铁污物使力,短马达持性变坏；,干式,：则可使力矩马达不受油液污染的影响，目前的伺服阀都采用,干式的。,5.2,电气机械转换器,电气,机械转换

4、器：,利用电磁原理工作的。它由永久磁铁或激磁,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,之间相互作用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，,从而使其运动部分,产生直线位移或角位移的机械运动,，因而也称为力矩马,达。,一、力矩马达的分类及要求,分类：,1),根据可动件运动：直线位移式和角位移式（,力马达、力矩马达,）。,2),按可动件结构：动铁式和动圈式（可动件是衔铁、控制线圈）。,3),按极化磁场：,非激磁式、固定电流激磁和永磁式,三种。,5.2,电气机械转换器,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，要求体积小

5、、重量轻。,2),动态性能好、响应速度快。,3),直线件好、死区小、灵敏度高和磁滞小。,4),在某些使用情况下，还要求它抗振、抗冲击、不受环境温度和压力,等影响。,二、永磁力矩马达,1,、力矩马达的工作原理,组成：,永久磁铁、上导磁体、下,导磁体、衔铁、控制线圈、弹簧管,等组成。,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（扭轴）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。,二、永磁力矩马达,

6、1,、力矩马达的工作原理,左右永久磁铁使上下导磁体的气隙,中产生相同方向的极化磁场。没有输,入信号时，衔铁与上下导磁体之间的,四个工作气隙距离相等，衔铁受到的,电磁力相互抵消而使衔铁处于中间平,衡状态。,当输入电流时，产生相应的控制磁,场，它在上下气隙中的方向相反，因,此打破了原有的平衡，使衔铁产生与,控制电流大小和方向相对应的转矩，,并且使衔铁转动，直到力矩与负载力,矩和弹簧反力矩等相平衡。,但转角是很小的，可以看成是微小,的直线位移（通常小于,0.2mm,）。,二、永磁力矩马达,2,、力矩马达的电磁力矩,通过力矩马达的磁路分析可以求出电磁,力矩的计算公式。从磁路分析知电磁力,矩是非线性的，

7、因此为保证输出曲线的,线性，往往设计成可动位移和气隙长度,比小于三分之一，控制磁通远远小于极,化磁通。,应用,：,动铁式力矩马达输出力矩较小，适,合控制喷嘴挡板之类的先导级阀。,优点：,自振频率较高，动态响应快，功率、,重量比较大，抗加速度零漂性好。,缺点：,限于气隙的形式，其转角和工作行,程小，材料性能及制造精度要求高，价,格昂贵；此外，它的控制电流小，故抗,干扰能力较差。,二、永磁力矩马达,当衔铁处于中位时，每个工作气隙的磁阻为,R,g,?,l,g,?,0,A,g,式中,l,g,磁铁在中位时每个气隙的长度；,A,g,磁极面的面积；,?,空气导磁率，。,0,气隙、的磁阻,:,?,x,R,1,

8、?,?,R,g,?,1,?,?,l,?,0,A,g,g,?,l,g,?,x,?,x,R,2,?,?,R,g,?,1,?,?,l,?,0,A,g,g,?,l,g,?,x,?,1,?,M,p,?,N,c,?,i,2,R,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,气隙、的磁阻,:,、的合成磁通为,:,2,R,g,?,1,?,x,/,l,g,?,M,p,?,N,c,?,i,对气隙、可得合成磁通为,?,2,?,M,p,?,N,c,?,i,2,R,2,?,2,R,g,?,1,?,x,/,l,g,?,M,p,?,N,c,?,i,三、,永磁动圈式力马达,结构原理：,力马达的可动线圈悬置于工作气,隙中，永久磁铁在

9、工作气隙中形,成极化磁通，当控制电流加到线,圈上时，线圈就会受到电磁力的,作用而运动。,线圈的运动方向可根据磁通方向,和电流方向按左手定则判断。,线圈上的电磁力克服弹簧力和负,载力，使线圈产生一个与控制电,流成比例的位移。,四、动铁式力矩马达与动圈式力矩马达的比较,1),动铁式力矩马达,因磁滞影响而引起的,输出位移滞后大,。,2),动圈式力马达的线性范围比动铁式力矩马达宽,。因此动圈式力马达的,工作行程大，而动铁式力矩马达的工作行程小。,3),在,同样的惯性下，动铁式力矩马达的输出力矩大，而动圈式力马达的输,出力小,。动铁式力矩马达因输出力矩大，支承弹簧刚度可以取得大，衔,铁组件的固有频率高，

10、而力马达的弹簧刚度小，动圈组件的固有频率低。,4),减小工作气隙的长度可提高动圈式力马达和动铁式力矩马达的灵敏度。,但,动圈式力马达受动圈尺寸的限制，而动铁式力矩马达受静不稳定的限,制,。,5),在相同功率情况下，动圈式力马达比动铁式力矩马达体积大，但动圈式,力马达的造价低。,五,力反馈两级电液伺服阀,x,v,?,r,?,动铁式单级电液伺服阀,原理图,1,永久磁铁,2,衔铁,3,扭轴,4,导磁体,五,力反馈两级电液伺服阀,动圈式单级电液伺服阀,原理图,1,磁铁,2,导磁体,3,十字弹簧,4,控制杆,5,滑阀阀心,6,阀体,7,控制线圈,8,框架,当信号电流通过控制线圈时，载流线圈在磁场中产生的

11、电磁力，,通过控,制杆与十字弹簧的反力平衡，阀心移动相应的位移，从而使阀输出相,应的流量。,五,力反馈两级电液伺服阀,载流控制线圈在磁场中所受的电,磁力方程为：,F,?,?,B,g,DN,c,i,?,K,t,i,载流可动控制线圈的力平衡方程为,对上式进行拉氏变换，并合并得,d,2,x,v,dx,v,F,?,M,c,2,?,B,c,?,k,c,x,v,?,F,L,dt,dt,2,K,t,I,(,s,),?,(,M,c,s,?,B,c,s,?,k,c,),X,v,(,s,),?,F,L,(,s,),线圈的电路方程为,对上式进行拉氏变换,dx,v,di,e,g,?,i,(,r,a,?,r,c,),?

12、,L,c,?,K,d,dt,dt,E,g,(,S,),?,I,(,s,)(,r,a,?,r,c,),?,L,c,sI,(,s,),?,K,d,sX,v,(,s,),五,力反馈两级电液伺服阀,动圈式力矩马达方框图,通常，惯性环节的转角频率,可以略去，则动圈式力马达,的传递函数可写成：,K,t,1,?,F,L,(,s,),X,v,(,s,),k,c,(,r,a,?,r,c,),k,c,?,2,2,?,c,s,1,K,t,K,d,E,g,(,s,),?,(,s,?,),s,?,1,2,?,c,?,c,r,a,?,r,c,k,c,五,力反馈两级电液伺服阀,一、工作原理,1,）,无控制电流时,，衔铁由弹

13、簧管支承在上、下导磁体的中间,位置，挡板也处于两个喷嘴的中间位置，滑阀,阀芯在反馈,杆小球的约束下处于中位,，,阀无液压输出,。,2,）当,有差动控制电流,输入时在衔铁上产生逆时针方向的电,磁力矩，使,衔铁挡板组件绕弹簧转动中心顺时针方向偏,转，弹簧管和反馈杆产生变形，挡板偏离中位,。这时，,喷嘴挡板阀右间隙减小而左间隙增大，引起滑阀左腔控制,压力增大，右腔控制压力减小，推动滑阀阀芯左移。同时,带动反馈杆端部小球左移，,使反馈杆进一步变形,。,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，,衔铁挡板组件便处于一个平衡位置,。在反馈杆端部左移,进一步变形时，使挡板的偏移减小，趋于中位。这

14、使左腔,控制压力又降低，右腔控制压力增高，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芯的液动力,相平衡时，阀芯停止运动，其位移与控制电流成比例。,3,）在,负载压差,定时,，阀的,输,出流量也与控制电流成比例,。,所以这是一种流量控制伺服阀。,5.3,力反馈两级电液伺服阀,2,K,u,U,g,?,?,R,c,?,r,p,?,?,i,?,2,K,b,s,?,?,2,L,c,s,?,I,K,b,?,每个线圈的反电动势力,常数,L,c,?,每个线圈的自感系数,上述为基本电压方程：,方程的,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,;,第二项为衔铁运动

15、时在,线圈内产生的反,电动势,;,第三项是线圈内,电流变化所引起的感应,电动势,;(,包括线圈的自感和互感,),，由于,串联线圈，互感等于自感，所以每个线,圈的总电感为,2Lc,5.3,力反馈两级电液伺服阀,基本电压方程：,2,K,u,U,g,?,?,R,c,?,r,p,?,?,i,?,2,K,b,s,?,?,2,L,c,s,?,I,K,b,?,每个线圈的反电动势力,常数,L,c,?,每个线圈的自感系数,上述方程可写为：,2,K,b,s,?,?,I,?,?,?,?,s,?,s,?,?,R,c,?,r,P,?,?,?,1,?,?,?,?,R,c,?,r,P,?,?,1,?,?,?,?,a,?,a

16、,?,?,?,R,C,?,r,P,?,a,?,控制线圈的转折频率,2,L,C,2,K,U,U,g,?,?,5.3,力反馈两级电液伺服阀,衔铁挡板组件的运动方程：,力矩马达输出的电磁力,矩,T,d,?,K,t,?,i,?,K,M,?,K,t,?,i,?,?,衔铁中位时，由控制电,流,?,i,产生的电磁力矩；,K,M,?,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,衔铁近一步偏离中位。,在电磁力矩,T,d,作用下，衔铁挡板组件,的运动方程为,d,?,d,?,T,d,?,J,a,2,?,B,a,?,K,a,?,?,T,L,1,?,T,L,2,dt,dt,T,L,1,?,喷嘴对挡板的液

17、流力产,生的负载力矩；,T,L,2,反馈杆变形对衔铁挡,板组件产生的负载力矩,；,2,5.3,力反馈两级电液伺服阀,衔铁挡板组件的运动方程：,力矩马达输出的电磁力,矩：,K,t,?,I,?,J,a,s,2,?,B,a,s,?,K,mf,?,?,?,r,?,b,?,K,f,X,v,?,rp,LP,A,N,K,mf,?,?,力矩马达的总刚度（综,合刚度），,K,mf,K,an,?,?,r,?,b,?,K,f,2,2,K,an,?,K,a,?,K,m,?,8,?,C,df,p,s,x,f,0,r,2,?,?,上式可写为：,1,K,mf,?,2,K,t,?,I,?,K,f,?,r,?,b,?,X,v,

18、?,rA,N,p,LP,2,?,mf,s,?,s,?,1,2,?,?,?,mf,?,mf,?,mf,?,?,力矩马达的固有频率；,?,mf,力矩马达的机械阻,尼比,挡板位移与衔铁转角的关系：,X,f,?,r,?,5.3,力反馈两级电液伺服阀,喷嘴挡板到滑阀的传递函数：,忽略阀芯移动所受到的,粘性阻尼力、稳态液动,力和反馈弹簧力：,K,qp,X,v,?,X,f,s,(,s,2,A,v,2,?,hp,?,s,?,1,),?,2,hp,?,hp,?,hp,、,?,hp,?,?,滑阀的液压固有频率和,阻尼比；,阀控液压缸传递函数：,K,q,X,p,X,v,?,s,(,A,p,s,2,2,?,?,h,2

19、,?,h,?,h,s,?,1,),?,h,、,?,h,?,?,液压固有频率和阻尼比,；,5.3,力反馈两级电液伺服阀,作用在挡板上的压力反馈：,忽略阀芯移动所受到的,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压,力为：,p,LP,2,?,?,d,x,v,1,?,m,v,2,?,0,.,43,?,p,s,?,p,L,?,x,v,?,?,?,?,A,V,?,d,t,?,二、基本方程与方框图,力矩马达的运动方程包括：,基本电压方程；衔铁和挡板组件的运动方程；,挡板位移与转角,之间的关系；,喷嘴挡板至滑阀的传递函数、阀控液压缸的传递函数；,作用在挡板上的压力反

20、馈方程。根据这些方程可以画出电液伺服阀的方,框图。,?,mf,?,?,衔铁挡板组件,的固有频率；,?,mf,机械阻尼与,电磁阻尼产生的阻尼比,三、力反馈伺服阀的传递函数,X,V,K,a,K,XV,?,U,g,?,s,?,?,?,s,2,2,?,mf,?,2,?,?,?,?,?,1,?,1,?,K,?,?,?,?,?,mf,?,SV,?,?,mf,?,K,a,?,伺服放大器增益,2,K,u,K,a,R,C,?,r,p,K,XV,K,t,?,伺服阀增益，,K,XV,?,r,?,b,?,K,f,伺服阀的传递函数,Q,0,K,sv,?,?,I,?,s,?,?,s,2,2,?,?,mf,?,?,1,?,

21、?,2,?,?,1,?,?,K,?,?,?,?,?,Vf,mf,mf,?,?,?,?,K,SV,?,伺服阀的流量增益，,K,SV,K,t,K,q,?,r,?,b,?,K,f,给出的传递函数是一个,惯性,加,振荡,的环节。,重点介绍近似的传递函数：,高于动力元件的动态响应。因此伺服阀的传递函数可以,进一步简化，一般可用二阶振荡环节表示。,2,）如果伺服阀二阶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。,3,）当伺服阀的固有频率远大于动力元件的固有频率，,伺服阀可看成比例环节。,1,）,在大多数电液伺服系统中，伺服阀的动态响应往往,Q,0,K,sv,?,?,I,?

22、,s,2,2,?,?,mf,?,2,?,?,1,?,?,?,?,?,mf,?,mf,?,5.5,其它型式的电液伺服阀简介,一、弹簧对中式两级电液伺服阀,弹簧对中式伺服阀是早期伺服阀的结构型式，它的第,级是双喷嘴挡,板阀，第二级是滑阀，阀芯两端各有一根对中弹簧。当控制电流输,入时，阀芯在对中弹簧作用下处于中位。当有控制电流输入时，对,中弹簧力与喷嘴挡板阀输出的液压力相平衡，使阀芯取得一个相应,的位移，输出相应的流量。,特点：,1,）这种伺服阀属于开环控制、其性能受温度、压力及阀内部结构参数,变化的影响较大；,2,）衔铁及挡板的位移都较大对力矩马达的线件要求较高；对中弹簧,要求体积小、刚度大、抗疲

23、劳好，因此制造困难；,3,）两端对中弹簧由于制造和安装的误差易对阀芯产生侧向卡紧,力增加阀芯摩擦力使阀的滞环增大，分辨率降低。,应用：,由于结构简单、造价低，可适用于,般的、性能要求不高的电液,伺服系统。,二、射流管式两级电液伺服阀,射流管式伺服阀的原理,：射流管由力矩马达带动偏转。射流管焊接于衔铁上，,并由薄壁弹簧片支承。液压油通过柔性的供压管进入射流管从射流管喷,射出的液压油进入与滑阀两端控制腔分别相通的两个接收孔中，推动阀芯,移动。射流管的侧面装有弹簧板板及反馈弹簧丝共末端插入阀从中的小,槽内，阀芯移动推动反馈弹簧丝构成对力矩马达的力反馈。力矩马达借,助于薄壁弹簧片实现对液压部分的密封隔离。,三、动压反馈伺服阀,压力,流量伺服阀虽然增加了系统的阻尼，但降低了系统的静刚度，为了克,服这个缺点出现了动压反馈伺服阀，与压力,流量伺服阀相比