液压伺服控制5章

1、12 电液伺服阀既是电液电液伺服阀既是电液转换转换元件，又是元件，又是功率放大功率放大元件。元件。 电液伺服阀是液压控制系统的电液伺服阀是液压控制系统的核心核心元件。元件。 电液伺服阀控制电液伺服阀控制精度高精度高，响应响应速度速度快快。 根据输出液压信号的不同，电液伺服阀分为电液根据输出液压信号的不同，电液伺服阀分为电液流量控流量控制制伺服阀和电液伺服阀和电液压力控制压力控制伺服阀伺服阀3电液伺服阀电液伺服阀 = 力矩马达（或力马达）力矩马达（或力马达）+液压放大器液压放大器+反馈机构反馈机构 （或平衡机构）（或平衡机构）力矩马达（或力马达）：力矩马达（或力马达）：将电气信号转换为力矩或力将

2、电气信号转换为力矩或力液压放大器：液压放大器：控制流向液压执行机构的流量或压力控制流向液压执行机构的流量或压力阀流量较大时，采用两级或三级电液伺服阀的形式。包括液阀流量较大时，采用两级或三级电液伺服阀的形式。包括液压前置级和功率级压前置级和功率级液压前置级：液压前置级：单（双）喷嘴挡板阀、滑阀、射流管阀、射流元件单（双）喷嘴挡板阀、滑阀、射流管阀、射流元件功率级：功率级：滑阀滑阀一、电液伺服阀的组成一、电液伺服阀的组成4反馈机构（或平衡机构）：反馈机构（或平衡机构）：使伺服阀的输出压力或流量与输入使伺服阀的输出压力或流量与输入 电气控制信号成比例，使伺服阀本身电气控制信号成比例，使伺服阀本身

3、成为闭环系统成为闭环系统平衡机构：平衡机构：用于单级伺服阀和两级弹簧对中式伺服阀，通常为用于单级伺服阀和两级弹簧对中式伺服阀，通常为 各种弹性元件，为一力各种弹性元件，为一力-位移转换元件位移转换元件5单级伺服阀：单级伺服阀：结构简单、价格低廉、输出流量小、稳定性差结构简单、价格低廉、输出流量小、稳定性差二、电液伺服阀的分类二、电液伺服阀的分类1、按放大器的级数分：、按放大器的级数分： 单级、两级和三级单级、两级和三级两级伺服阀：两级伺服阀：最常用最常用三级伺服阀：三级伺服阀：两级伺服阀两级伺服阀+功率滑阀，电反馈，流量大于功率滑阀，电反馈，流量大于 200L/min6SSNNpSpS1234

4、56789101112pL, QL1信号线信号线; 2永磁体永磁体; 3线圈线圈; 4衔铁衔铁; 5弹簧管弹簧管; 6喷嘴喷嘴; 7挡板挡板; 8反馈弹簧杆反馈弹簧杆; 9阀芯阀芯; 10固定阻尼孔固定阻尼孔; 11过滤器过滤器; 12阀体阀体 力反馈两级电液伺服阀结构原理图力反馈两级电液伺服阀结构原理图78喷嘴挡板阀：喷嘴挡板阀：单喷嘴特性不好很少用，多为双喷嘴单喷嘴特性不好很少用，多为双喷嘴优点：压力灵敏度高、线性好、零漂小、需输入功率小、优点：压力灵敏度高、线性好、零漂小、需输入功率小、动态响应动态响应快快缺点：对油液清洁度要求高缺点：对油液清洁度要求高射流管阀：射流管阀：优点：抗污染能

5、力强、压力效率和容积效率高，使功率级滑阀具有优点：抗污染能力强、压力效率和容积效率高，使功率级滑阀具有 “失效对中失效对中”能力能力缺点：特性不易预测、动态响应慢、低温特性差缺点：特性不易预测、动态响应慢、低温特性差2、按第一级阀（放大器）的结构形式分：、按第一级阀（放大器）的结构形式分： 滑阀、单（双）喷嘴挡板阀、射流管阀、偏转板射流阀滑阀、单（双）喷嘴挡板阀、射流管阀、偏转板射流阀滑阀：滑阀：优点：流量增益和压力增益高，对油液清洁度要求低优点：流量增益和压力增益高，对油液清洁度要求低缺点：结构工艺复杂、阀芯受力大、阀分辨率低、滞环大、响应慢缺点：结构工艺复杂、阀芯受力大、阀分辨率低、滞环大

6、、响应慢9位置反馈、负载流量反馈位置反馈、负载流量反馈流量控制伺服阀：输出流量与输入电流成正比流量控制伺服阀：输出流量与输入电流成正比 负载压力反馈负载压力反馈压力控制伺服阀：输出压力与输入电流成正比压力控制伺服阀：输出压力与输入电流成正比3、按反馈形式分：、按反馈形式分：位置反馈、负载流量反馈、负载压力反馈位置反馈、负载流量反馈、负载压力反馈滑阀位置反馈的两级伺服阀：最常用。滑阀位置反馈的两级伺服阀：最常用。根据功率级滑阀位移反馈到放大器的形式可分为：根据功率级滑阀位移反馈到放大器的形式可分为： 位置力反馈、直接位置反馈、机械位置反馈、位置电反馈、弹簧对中式位置力反馈、直接位置反馈、机械位置

7、反馈、位置电反馈、弹簧对中式机械位置反馈：机械位置反馈：机械结构机械结构位置电反馈：位置电反馈：位移传感器位移传感器弹簧对中式：弹簧对中式：弹簧力与液压控制力平衡：开环、结构简单、精度低弹簧力与液压控制力平衡：开环、结构简单、精度低1011 电气电气-机械转换器机械转换器 利用电磁原理工作利用电磁原理工作一、力矩马达的分类及要求一、力矩马达的分类及要求（一）（一） 分类分类1）可动件运动形式：）可动件运动形式：直线位移式（力马达）、角位移式（力矩马达）直线位移式（力马达）、角位移式（力矩马达）2）可动件结构形式：）可动件结构形式：动铁式（衔铁）、动圈式（控制线圈）动铁式（衔铁）、动圈式（控制线

8、圈）3）极化磁场产生的方式：）极化磁场产生的方式：非激磁式（控制线圈差动连接）、固定电流激磁非激磁式（控制线圈差动连接）、固定电流激磁（激磁线圈，大的极化磁通，结构复杂，体积大）、永磁式（永久磁铁，（激磁线圈，大的极化磁通，结构复杂，体积大）、永磁式（永久磁铁，结构简单、重量轻、获得的极化磁通小）结构简单、重量轻、获得的极化磁通小）12（二）对力矩马达的要求（二）对力矩马达的要求1）产生足够的力或行程，）产生足够的力或行程，体积小、重量轻体积小、重量轻2）动态性能好、）动态性能好、响应速度快响应速度快3）直线性好、死区小、灵敏度高、磁滞小直线性好、死区小、灵敏度高、磁滞小4）特殊情况下特殊情况

9、下，要求抗振、抗冲击、不受环境温度和压力影响，要求抗振、抗冲击、不受环境温度和压力影响13（一）力矩马达工作原（一）力矩马达工作原理理图图6.1 6.1 永磁动铁式力矩马达永磁动铁式力矩马达 1 1直流电放大器，直流电放大器， 2 2导磁体，导磁体， 3 3衔铁，衔铁， 4 4永久磁铁永久磁铁 14 由于这种力矩马达采用永久磁铁以产生固定磁通由于这种力矩马达采用永久磁铁以产生固定磁通g，故称，故称永磁式永磁式。 由于力矩马达中有极化磁场与控制线圈所产生的控制磁由于力矩马达中有极化磁场与控制线圈所产生的控制磁场相互作用而产生输出力矩，故称场相互作用而产生输出力矩，故称极化式极化式。 由于有衔铁摆

10、动以产生输出位移，故也叫由于有衔铁摆动以产生输出位移，故也叫动铁式动铁式。 15常见的是常见的是衔铁衔铁支承在支承在弹簧管上。弹簧管上。 图图6.26.2用弹簧管支承衔铁的力矩马达用弹簧管支承衔铁的力矩马达1 1弹簧管，弹簧管，2 2液压放大元件液压放大元件 弹簧管弹簧管是用弹是用弹性材料做成的薄壁性材料做成的薄壁圆管，一端紧固在圆管，一端紧固在衔铁中部，另一端衔铁中部，另一端固定在下一级液压固定在下一级液压放大元件上。放大元件上。16图图6.26.2用弹簧管支承衔铁的力矩马达用弹簧管支承衔铁的力矩马达1 1弹簧管，弹簧管，2 2液压放大元件液压放大元件 在在零位零位时，衔铁时，衔铁正好处于四

11、个气隙的正好处于四个气隙的中间位置，弹簧管也中间位置，弹簧管也正好在正中零位。当正好在正中零位。当输入输入 i而产生电磁力而产生电磁力矩后，电磁力矩使衔矩后，电磁力矩使衔铁偏转，弹簧管也受铁偏转，弹簧管也受力歪斜变形，作用在力歪斜变形，作用在衔铁上的衔铁上的电磁力矩电磁力矩与与弹簧管变形时的弹簧管变形时的弹性弹性力矩力矩平衡，也就是电平衡，也就是电磁力矩磁力矩Td通过弹簧管通过弹簧管弯曲变形而转化为衔弯曲变形而转化为衔铁的角位移。铁的角位移。 17 由于力矩马达直接控制液压放大元件，所以在结构安装上，力矩马由于力矩马达直接控制液压放大元件，所以在结构安装上，力矩马达必须与液压放大元件紧连在一起

12、而形成一个整体。达必须与液压放大元件紧连在一起而形成一个整体。 液压放大元件中充满着油液，因弹簧管与液压放大元件间有密封圈液压放大元件中充满着油液，因弹簧管与液压放大元件间有密封圈隔开，与衔铁也是，紧密固接的，这样，液压放大元件中的油液就不会隔开，与衔铁也是，紧密固接的，这样，液压放大元件中的油液就不会渗漏到力矩马达中去。渗漏到力矩马达中去。力矩马达不是浸泡在油液中的，故称干式力矩马达不是浸泡在油液中的，故称干式。 力矩马达浸泡在油液中的就叫湿式。力矩马达浸泡在油液中的就叫湿式。因为油液中不可避免地带有零因为油液中不可避免地带有零件磨损时所产生的金属微粒，这些铁磁性杂质吸附在力矩马达的磁极件磨

13、损时所产生的金属微粒，这些铁磁性杂质吸附在力矩马达的磁极气隙中时，必矩马将不能正常工作，因此，现在的力矩马达多用干式。气隙中时，必矩马将不能正常工作，因此，现在的力矩马达多用干式。 18 当直流放大器的输入端有当直流放大器的输入端有信号电压信号电压Ug后，将使一个线后，将使一个线圈中的电流增加而另一个线圈中的电流减少。圈中的电流增加而另一个线圈中的电流减少。两个线圈中两个线圈中的电流的电流i1及及i2为为 i1= I0+i2 i2= I0i2 i= i1i2=2i=ic （二）力矩马达的电磁力矩（二）力矩马达的电磁力矩 设力矩马达的两个控制线圈由一个设力矩马达的两个控制线圈由一个推挽放大器推挽

14、放大器供电。供电。 直流放大器的直流放大器的电源为电源为Eb，它可在两个控制线圈中建立，它可在两个控制线圈中建立空载电流空载电流I0。由于两个控制线圈的接线方式保证了。由于两个控制线圈的接线方式保证了I0在两个在两个线圈中的流向相反，因此由线圈中的流向相反，因此由I0所产生的磁通恰好相互抵消，所产生的磁通恰好相互抵消，才不会产生电磁力矩。才不会产生电磁力矩。 通常，通常，I0= i/219gAF022gggAlR0)1 (031gggglxRAxlRRggcplxRRiNM/122111)1 (042gggglxRAxlRRggcplxRRiNM/122222gcglx/12gcglx/11g

15、pgRM2gccRiN220)()(22221021gdAaFFaT由控制磁通和极化磁通相互作用在衔铁上产生的由控制磁通和极化磁通相互作用在衔铁上产生的电磁力矩电磁力矩为：为：2222)(1 )(1 )(1 gmgctgdlxKiKlxTgcgtNlaK2224gggmRlaKmtdGiKT axtg中位电磁力矩系数：中位电磁力矩系数：中位磁弹簧刚度：中位磁弹簧刚度：3/1/glx1/2glx1/2gcax 21当有当有输入电流输入电流 i之后之后，即产生电磁力矩，即产生电磁力矩Td以驱动衔铁转动而有角位移以驱动衔铁转动而有角位移 ;又进一步使又进一步使Td增大，增大，Td之增加又更加驱使衔铁

16、转动。之增加又更加驱使衔铁转动。 mtdGiKT 这样，这样，衔铁是不能工作的衔铁是不能工作的，只要衔铁略为偏离中位，那怕没有输，只要衔铁略为偏离中位，那怕没有输入电流，衔铁也会受电磁力矩之作用而偏转。越偏转则力矩越大，力矩入电流，衔铁也会受电磁力矩之作用而偏转。越偏转则力矩越大，力矩越大则越偏转，直到衔铁碰上导磁体为止。越大则越偏转，直到衔铁碰上导磁体为止。 为了使衔铁有确定的偏转角，就必须另设一个机械弹簧与衔铁连为了使衔铁有确定的偏转角，就必须另设一个机械弹簧与衔铁连接在一起。衔铁偏转接在一起。衔铁偏转 后产生一个与后产生一个与 成正比的机械弹簧力矩与电磁力矩成正比的机械弹簧力矩与电磁力矩

17、平衡，这时衔铁才能停留在确定的角位移平衡，这时衔铁才能停留在确定的角位移 处，处，磁弹簧的作用与机械弹磁弹簧的作用与机械弹簧相反，所以可以说它是一个负弹簧。簧相反，所以可以说它是一个负弹簧。22iRNlaiRNlxlxlxgcggaxgcgglxgcggag221221/2212衔铁磁通：衔铁磁通：23动圈式动圈式力矩力矩(力力)马达马达:即载流线圈是在磁场即载流线圈是在磁场中运动的。中运动的。 24工作原理：工作原理： 在内外导磁体所组成的环状在内外导磁体所组成的环状工作气隙工作气隙中安置中安置可动控制线圈可动控制线圈4，线圈安装，线圈安装在在骨架骨架5上，骨架与下一级液压放大元件的上，骨架

18、与下一级液压放大元件的阀芯阀芯7相连。永久磁铁在气隙中相连。永久磁铁在气隙中产生固定磁场，当控制线圈中通以控制电流后就是载流线圈了。载流线圈产生固定磁场，当控制线圈中通以控制电流后就是载流线圈了。载流线圈在磁场中受力而运动，从而带动阀芯一起运动。可动线圈在固定磁场中所在磁场中受力而运动，从而带动阀芯一起运动。可动线圈在固定磁场中所受电磁力的大小和方向决定于线圈中控制电流的大小和方向。电磁力又通受电磁力的大小和方向决定于线圈中控制电流的大小和方向。电磁力又通过过对中弹簧对中弹簧6转换为动圈的位移量，这就是转换为动圈的位移量，这就是力马达的输出位移力马达的输出位移。25载流导线在磁场中所受载流导线

19、在磁场中所受电磁力电磁力的方程为的方程为 ctccgiKiDNBFcgtDNBK电磁力系数：电磁力系数： gB磁感应强度：磁感应强度： 力马达的电磁力与控制电流成正比，具有线性特性。在力马达的电磁力与控制电流成正比，具有线性特性。在动圈式力马动圈式力马达的力方程中没有磁弹簧刚度达的力方程中没有磁弹簧刚度，即：，即：0mK这是因为它在工作中气隙没有变化，即气隙的磁阻不变。这是因为它在工作中气隙没有变化，即气隙的磁阻不变。261）动铁式力矩马达因磁滞影响）动铁式力矩马达因磁滞影响输出位移滞后比较大输出位移滞后比较大。2）动铁式力矩马达的）动铁式力矩马达的线性范围比较窄，工作行程小线性范围比较窄，工

20、作行程小。3）同惯性下，动铁式力矩马达的）同惯性下，动铁式力矩马达的输出力矩大输出力矩大，衔铁组件的，衔铁组件的固有频率高固有频率高。4）同功率下，动铁式）同功率下，动铁式体积小体积小。5）减小工作气隙长度可提高灵敏度，但动圈式受动圈尺寸限制，动铁式）减小工作气隙长度可提高灵敏度，但动圈式受动圈尺寸限制，动铁式受静不定的限制受静不定的限制。 动铁式：动铁式：频率高、体积小、重量轻频率高、体积小、重量轻 动圈式：动圈式：尺寸要求不严格、频率要求不高、价格低尺寸要求不严格、频率要求不高、价格低2728 力反馈两级伺服阀是目前广泛应用的一种结构形式。力反馈两级伺服阀是目前广泛应用的一种结构形式。 第

21、一级液压放大器：第一级液压放大器：双喷嘴挡板阀双喷嘴挡板阀 第二级液压放大器：第二级液压放大器：四通滑阀四通滑阀 滑阀位移力反馈：滑阀位移力反馈：阀芯位移通过反馈杆与衔铁挡板组件相连阀芯位移通过反馈杆与衔铁挡板组件相连 力反馈力反馈反馈弹簧杆将主阀芯的位移转化为力矩，并作用于挡板和衔反馈弹簧杆将主阀芯的位移转化为力矩，并作用于挡板和衔铁，使衔铁转角减少铁，使衔铁转角减少 实质：实质：主阀芯的位置反馈主阀芯的位置反馈。 负载压差一定时，阀的输出流量与控制电流成比例，所以负载压差一定时，阀的输出流量与控制电流成比例，所以是是流量控制流量控制伺服阀伺服阀。 由于挡板和衔铁均在中位附近工作，所以由于挡

22、板和衔铁均在中位附近工作，所以线性好。线性好。对力矩马达的线性要对力矩马达的线性要求也不高，可允许滑阀有较大的工作行程。求也不高，可允许滑阀有较大的工作行程。29SSNNpSpS123456789101112pL, QL1信号线信号线; 2永磁体永磁体; 3线圈线圈; 4衔铁衔铁; 5弹簧管弹簧管; 6喷嘴喷嘴; 7挡板挡板; 8反馈弹簧杆反馈弹簧杆; 9阀芯阀芯; 10固定阻尼孔固定阻尼孔; 11过滤器过滤器; 12阀体阀体 图图 力反馈两级电液伺服阀结构原理图力反馈两级电液伺服阀结构原理图30SSNN力反馈力反馈反馈弹簧杆动作示意图反馈弹簧杆动作示意图31力反馈力反馈反馈弹簧杆动作示意图反

23、馈弹簧杆动作示意图32gu21uKuu电动态过程：电动态过程：电路基本电压方程电路基本电压方程机械动态过程：机械动态过程：衔铁挡板组件运动方程衔铁挡板组件运动方程b11bcp2bcadEui ZRri ZNdtb22bcp1bcadEuiZRri ZNdtugcpc22adK uRriNdt 1、基本电压方程、基本电压方程每个线圈回路的电压平衡方程为：每个线圈回路的电压平衡方程为：因此，因此，表明：经放大器放大后的电压分为两部分表明：经放大器放大后的电压分为两部分 1）消耗在线圈电阻和放大器内阻）消耗在线圈电阻和放大器内阻 2）克服衔铁磁通变化在控制线圈中产生的反电动势）克服衔铁磁通变化在控制

24、线圈中产生的反电动势33ugcpbc222dd iK uRriKLdtdt ugcpbc222K URrIK sL s I bgg2caKNl2cgcNLR拉式变换后：拉式变换后：每个线圈的反电动势系数：每个线圈的反电动势系数：每个线圈的自感系数：每个线圈的自感系数：总控制电压总控制电压 = 电阻上电压降电阻上电压降 + 衔铁运动时线圈内产生的反电动势衔铁运动时线圈内产生的反电动势 + 线圈内电流变化引起的感应电动势（互感和自感）线圈内电流变化引起的感应电动势（互感和自感）iRNlagcgga2ugbcpcp2211aaK UK sIssRrRr cp2acRrL写成电流变化的表达式：写成电流

25、变化的表达式：控制线圈回路的转折频率：控制线圈回路的转折频率：34dtmTKiK 2daaaL1L22ddTJBKTTdtdt22L1LpNdfsf08Trp ArCp xL2fvTrb Krbx2、衔铁挡板组件的运动方程、衔铁挡板组件的运动方程力矩马达输出的电磁力矩：力矩马达输出的电磁力矩：电磁力矩作用下，衔铁挡板组件的运动方程：电磁力矩作用下，衔铁挡板组件的运动方程：喷嘴对挡板的液流力产生的负载力矩：喷嘴对挡板的液流力产生的负载力矩：（静压力矩（静压力矩+动量变化产生的液动力矩）动量变化产生的液动力矩）反馈杆变形对衔铁挡板组件产生的负载力矩：反馈杆变形对衔铁挡板组件产生的负载力矩：将各相关

26、式代入，并拉式变换：将各相关式代入，并拉式变换：力矩马达总刚度（综合刚度）和净刚度：力矩马达总刚度（综合刚度）和净刚度：写成转角的表达式：写成转角的表达式：NLpVfmfaatArPXKbrKsBsJIK)(2 fanmfKbrKK2)( 228rxpCKKKfosdfmaanLpNVftmfmfmfmfprAXbrKIKssK)(12122amfmfJK mfaamfKJB235（二）挡板位移与衔铁转角的关系（二）挡板位移与衔铁转角的关系（三）喷嘴挡板至滑阀的传递函数（三）喷嘴挡板至滑阀的传递函数 忽略阀芯移动受到的粘性阻尼力、稳态液动力、反馈杆弹簧力，忽略阀芯移动受到的粘性阻尼力、稳态液动

27、力、反馈杆弹簧力，挡板挡板位移到滑阀位移的传递函数为：位移到滑阀位移的传递函数为：（四）阀控液压缸的传递函数（四）阀控液压缸的传递函数 喷嘴挡板阀的负载压力喷嘴挡板阀的负载压力滑阀受力（惯性力滑阀受力（惯性力+稳态液动力（稳态液动力（滑阀输出的负载压力（与液压执行元件的运动有关）滑阀输出的负载压力（与液压执行元件的运动有关）+）简单起见，只考虑惯性元件，则简单起见，只考虑惯性元件，则阀芯位移到液压缸位移的传递函数为：阀芯位移到液压缸位移的传递函数为：rXf) 12(/22sssAKXXhphphpVqpfV12/22sssAKXXhhhPqVp36（五）作用在挡板上的压力反馈（五）作用在挡板上

28、的压力反馈 忽略阀芯移动受到的粘性阻尼力、反馈杆弹簧力，只考虑阀芯的惯性忽略阀芯移动受到的粘性阻尼力、反馈杆弹簧力，只考虑阀芯的惯性力和稳态液动力力和稳态液动力vLsvvVLpxppWdtxdmAp)(43. 0122LVVsVvVLpPWXXWpXsmAP0243. 043. 01线性化增量方程的拉氏变换为：线性化增量方程的拉氏变换为：滑阀负载压力：滑阀负载压力：ptpLXsmAP2137主回路：主回路：滑阀位移力反馈滑阀位移力反馈次回路：次回路：作用在挡板上的压力反馈回路作用在挡板上的压力反馈回路38（一）力反馈回路稳定性分析（一）力反馈回路稳定性分析力反馈回路力反馈回路 = 力矩马达力矩

29、马达 + 滑阀滑阀1、求出力矩马达小闭环的传递函数、求出力矩马达小闭环的传递函数 避免放大器对阀的影响，采用电流负反馈形式，使控制线圈的转折避免放大器对阀的影响，采用电流负反馈形式，使控制线圈的转折频率很高，且力矩马达小闭环的传递函数为：频率很高，且力矩马达小闭环的传递函数为：衔铁挡板组件的固有频率：衔铁挡板组件的固有频率：机械阻尼和电磁阻尼产生的阻尼比：机械阻尼和电磁阻尼产生的阻尼比：01a121)(21ssKTsmfmfmfmfeamfmfJKmfpcmfbtmfmgrRKKK)(39（二）压力反馈回路稳定性分析（二）压力反馈回路稳定性分析 由滑阀位移和执行机构负载变化引起由滑阀位移和执行

30、机构负载变化引起 反映了反映了伺服阀各级动态的影响伺服阀各级动态的影响越小越好越小越好 回路的开环增益在任何情况下都应小于回路的开环增益在任何情况下都应小于1，即，即近似于开环不起作用近似于开环不起作用12)(12)(2232232vfmfvfmfmfvffvfmfmfmfmfvqpeVKssKKsKbrKsssKArKTXsmfmfmfvfK 2较小 eVTXs)(2) 12)(1()(122ssKsKbrmfmfmfvffmfvfKfKbr)(1最大增益为最大增益为40确保回路的确保回路的稳定性稳定性，且回路的影响可不计，且回路的影响可不计，需满足需满足： 1243. 0)43. 0(22

31、2sssAKAmWxWpsmArAXTsHhhhpqptvosvVNVf）（hvsmWp43. 0cvscpqKxpKKK020PtpBC22ptchhAmK121243. 0)(2222ssssAArWpXTsHhhhhhhVNsVf最大增益为最大增益为VNsAArWp43. 0 143. 0)()(maxmax2fsVNKWpAAbrrsHs反馈通道传递函数：反馈通道传递函数：41四、力反馈伺服阀的传递函数四、力反馈伺服阀的传递函数mfhpa ) 12)(1()(222ssKsKbrrRKKUXmfmfmfvffPctugv) 12)(1(22ssKsKKUXmfmfmfvfxvagvpc

32、uarRKK2ftxvKbrKK)( ) 12)(1(220ssKsKIQmfmfmfvfsvfqtsvKbrKKK)( 伺服阀增伺服阀增益益伺服阀流量增益伺服阀流量增益42伺服阀的伺服阀的二阶近似传递函数二阶近似传递函数 12220ssKIQmfmfmfsv090sv取相位滞后取相位滞后 ：阻尼比可有两种方法求得阻尼比可有两种方法求得 ：2)(12)(svsvsvarctgsvsvsKIQ101）根据二阶环节的相频特性公式）根据二阶环节的相频特性公式2）将相频特性曲线与标准曲线比较）将相频特性曲线与标准曲线比较伺服阀的伺服阀的一阶近似传递函数一阶近似传递函数43五、力反馈伺服阀的频宽五、力反

33、馈伺服阀的频宽 tXxVvsinVLPVvAqtXxcosVvfqpXAXKvVfqpbAXXK0707. 04/0vmVxX000max4 . 1707. 0VVcVVfqpbXAqXAXK02fqpcXKq 44五、力反馈伺服阀的频宽五、力反馈伺服阀的频宽 20)(brKKIrKXfantf200)(707. 0brKKXAIrKKfanVVtqpb)(00brKIKXftV2)(707. 0)(brKKAKKbrrfanVqpfb707. 0vfbK45 提高伺服阀频宽的方法：提高伺服阀频宽的方法： 1）Kan=0 2) 提高提高r/(r+b)的比值；的比值； 3) 增大喷嘴直径；增大喷

34、嘴直径；（受泄漏流量和力矩马达功率的限制）（受泄漏流量和力矩马达功率的限制） 4) 减小滑阀直径；减小滑阀直径；（受阀的额定流量和阀芯最大行程限制）（受阀的额定流量和阀芯最大行程限制） 5) 提高提高Kvf （受力反馈回路稳定性的限制）（受力反馈回路稳定性的限制）力矩马达固有频率是回路中最低的转折频率，在大流量伺服阀中尤为突出力矩马达固有频率是回路中最低的转折频率，在大流量伺服阀中尤为突出08202rxpCKKKvsdfmaanmaKK 2)()()(brKKAKKbrrKAKKbrrKfanvqpfmfVqpfvf707. 0vfbKVqpvfAKbrrK)( 46六、力反馈伺服阀的静态特性

35、六、力反馈伺服阀的静态特性阀芯位移到输出流量是开环控制，精确性要靠滑阀加工精度保证阀芯位移到输出流量是开环控制，精确性要靠滑阀加工精度保证iKiKbrKxxvftv)()(1)(1)(LsxvdLsftdLppiWKCppiKbrKWCq47七、力反馈伺服阀的设计计算七、力反馈伺服阀的设计计算给定：给定：流量、压力、动态响应流量、压力、动态响应设计：设计：滑阀滑阀（阀芯行程、阀芯直径、阀杆直径、开口形式）（阀芯行程、阀芯直径、阀杆直径、开口形式）、喷嘴挡板阀、喷嘴挡板阀（喷嘴孔直径、固（喷嘴孔直径、固定节流口直径、节流孔直径）定节流口直径、节流孔直径）、力矩马达、力矩马达（反馈杆刚度、力矩系数

36、、极化磁通、磁弹簧刚度、（反馈杆刚度、力矩系数、极化磁通、磁弹簧刚度、弹簧管刚度）弹簧管刚度）经验参数参考同类产品经验参数参考同类产品额定供油压力：额定供油压力：额定流量（最大空载流量）：额定流量（最大空载流量）：额定电流（最大差动电流）：额定电流（最大差动电流）：第一级泄漏量：第一级泄漏量：伺服阀频宽：伺服阀频宽：Pa102105spmA10mImin/L150mqHz225bminL/5 . 0cq48 262530104 . 2850/1021065. 060/1015mmpCqWxsdomm（一）滑阀主要结构参数确定（一）滑阀主要结构参数确定mxm30104 . 0mW33610610

37、4 . 0104 . 26715104 . 0106330mxWmd3105mdr3103mrWxdd0224)(4验算流量饱和情况，满足要求验算流量饱和情况，满足要求 根据额定流量求开口面积根据额定流量求开口面积（阀芯行程、阀芯直径、阀杆直径、开口形式）（阀芯行程、阀芯直径、阀杆直径、开口形式）不能采用全周开口不能采用全周开口 49 （二）喷嘴挡板阀主要结构参数确定（二）喷嘴挡板阀主要结构参数确定min/45. 0LqcHzsradb2 .435/4/104 . 0106 .194 . 160/1045. 0363max517. 02 .435225max0bbffxxmxf301003.

38、0smsmxqKfcqp/101250/1003. 0260/1045. 022423301）根据泄漏流量以及频宽要求验算挡板的工作范围）根据泄漏流量以及频宽要求验算挡板的工作范围2）根据过滤精度、泄露量确定流量增益）根据过滤精度、泄露量确定流量增益3）根据流量增益确定：）根据流量增益确定：喷嘴孔直径、固定节流孔直径喷嘴孔直径、固定节流孔直径4）根据背压确定：）根据背压确定：节流孔直径节流孔直径mmppCKDrsdfqpN3541042. 0850/10)23210(14. 364. 0101250/ )(000max4 . 1707. 0VVcVVfqpbXAqXAXK50 14/0fNxD

39、满足要求满足要求 mmxDCCDfNddf3330001202 . 01003. 01042. 08 . 022mmpCqDrdrcr353104 . 0102385028 . 060/1045. 0424Pa10235rp 回油溢流腔保持一定压力，可改善挡板间的工作条件，稳定流量系数，利于抑回油溢流腔保持一定压力，可改善挡板间的工作条件，稳定流量系数，利于抑制伺服阀零漂、使工作平稳制伺服阀零漂、使工作平稳51 （三）力矩马达设计计算（三）力矩马达设计计算1）根据伺服阀的频宽要求确定力矩马达固有频率）根据伺服阀的频宽要求确定力矩马达固有频率115 .9992252707. 0707. 0ssK

40、bvfsradsradKvfmf/3998/5 .99944sradmf/4600707. 0vfbK25. 0mfvfKmfmfvfK 22）计算反馈杆刚度）计算反馈杆刚度2733.1078. 1,103 .13,109 . 8mkgJmbmraradmNradmNJKmfamf/.766. 3/.)4600(1078. 1272mNmNKbrrKKAKqpvfmfVf/2987/10125010)3 .139 . 8(109 . 85 .999766. 31096. 1)(4336523）计算力矩马达力矩系数）计算力矩马达力矩系数AmNAmNIxKbrKmmft/.65. 2/.10101

41、04 . 0298710)3 .139 . 8()(3330)(00brKIKXftV53 4）计算极化磁通和磁弹簧刚度）计算极化磁通和磁弹簧刚度fNlaKcgtg)/(23800,1025. 0,105 .14,101 . 83326cggNmlmamAWbWbg63310486. 434. 13800)1025. 0/105 .14(265. 217167301046. 2101 . 81041025. 0HHAlRgggWbWbRINgmcc731072. 710746. 221010380023/1172. 010486. 41072. 767gc符合要求符合要求 radmNradmN

42、RlaKgggm/.43. 7/.)10486. 4(1046. 2)1025. 0105 .14(4)(42672332234. 1fgcgtNlaK254 5）计算弹簧管刚度）计算弹簧管刚度radmNrxppCKbrKKKfrsdfmfmfa/18.10)109 . 8(1003. 010)23210(64. 0843. 710) 3 .139 . 8(2987766. 3)(8)(2335262202255 、结构及工作原理、结构及工作原理 组成：组成： 动圈式力马达动圈式力马达 + 两极滑阀式电液伺服阀（带两个固定节流孔的四通阀（双边滑两极滑阀式电液伺服阀（带两个固定节流孔的四通阀（双

43、边滑阀）阀）+ 零开口四边滑阀）零开口四边滑阀）特点：特点： 功率级阀芯是前置级阀套功率级阀芯是前置级阀套 采用阀芯、阀套直接比较法采用阀芯、阀套直接比较法 二、动圈式两级滑阀伺服阀的方块图二、动圈式两级滑阀伺服阀的方块图dtdxKdtdiLirRuKbcccpcgu)()1)(apcbgucsrRsXKUKIcgbDNBKcpcaLrR 1）控制线圈电压平衡方程）控制线圈电压平衡方程LctFKxdtdxBdtxdmiK2212/00202ssKKIXtcVeXXX)12(22sssAKXXhphphpVqpeV2）线圈组件力平衡方程）线圈组件力平衡方程动圈式两级滑阀伺服阀的传递函数方块图动圈

44、式两级滑阀伺服阀的传递函数方块图动铁式力反馈两级喷嘴挡板式电液伺服阀的传递函数方块图动铁式力反馈两级喷嘴挡板式电液伺服阀的传递函数方块图三、动圈式两级滑阀伺服阀的传递函数三、动圈式两级滑阀伺服阀的传递函数hphpvK2) 12)(1(12ssKsXXhphphpVV1)12(1)(00202sKKKrRsKsKrRKKUXtbPcVpctugVhp1） 较高，可忽略较高，可忽略2）在稳定的前提下，可提高在稳定的前提下，可提高3）一级阀为滑阀，其流量增益比喷嘴挡板阀大得多，因此一级阀为滑阀，其流量增益比喷嘴挡板阀大得多，因此 较大较大4）伺服阀频宽主要由力马达的固有频率伺服阀频宽主要由力马达的固

45、有频率 决定决定5）由于力马达动圈组件（包括一级阀阀芯）质量比较大，而对中弹簧刚度又较低，由于力马达动圈组件（包括一级阀阀芯）质量比较大，而对中弹簧刚度又较低，因此固有频率较低，一般为因此固有频率较低，一般为3070HzvK0vK6162结构：结构： 第一级：双喷嘴挡板阀第一级：双喷嘴挡板阀 第二级：滑阀第二级：滑阀+对中弹簧对中弹簧工作原理：工作原理： 对中弹簧力与喷嘴挡板阀输出的液压力相平衡，对中弹簧力与喷嘴挡板阀输出的液压力相平衡，输出相应的阀芯位移输出相应的阀芯位移特点：特点： 1）开环控制，性能受外界影响（温度、压力、阀内部结构参数）开环控制，性能受外界影响（温度、压力、阀内部结构参

46、数） 2）衔铁及挡板的位移都较大，对力矩马达的线性要求较高）衔铁及挡板的位移都较大，对力矩马达的线性要求较高 3）对中弹簧应体积小、刚度大、抗疲劳好，故制造困难）对中弹簧应体积小、刚度大、抗疲劳好，故制造困难 4）对中弹簧易有制造和安装误差，故对阀芯产生侧向卡紧力，增加）对中弹簧易有制造和安装误差，故对阀芯产生侧向卡紧力，增加阀芯摩擦力，使阀的滞环增大，分辨率降低阀芯摩擦力，使阀的滞环增大，分辨率降低 5）结构简单、造价低，适用于一般的、性能要求不高的电液伺服系）结构简单、造价低，适用于一般的、性能要求不高的电液伺服系统。统。63力反馈两级电液伺服阀 64结构：结构： 第一级：射流管第一级：射

47、流管+弹簧板弹簧板+反馈弹簧丝反馈弹簧丝 第二级：滑阀第二级：滑阀工作原理：工作原理： 通过反馈弹簧丝构成对力矩马达的力反馈通过反馈弹簧丝构成对力矩马达的力反馈特点：特点： 1）抗污染能力强）抗污染能力强 2）动态相应较慢，特性不易预测）动态相应较慢，特性不易预测 3）力矩马达结构及工艺复杂）力矩马达结构及工艺复杂 4）细长的射流管及柔性供压管易出现结构谐振）细长的射流管及柔性供压管易出现结构谐振65结构：结构： 第一级：力矩马达第一级：力矩马达+偏转板射流放大器（射流盘偏转板射流放大器（射流盘+偏转板）偏转板） 第二级：滑阀第二级：滑阀工作原理：工作原理： 滑阀位移通过反馈杆产生机械力矩反馈

48、到力矩马达衔铁组件滑阀位移通过反馈杆产生机械力矩反馈到力矩马达衔铁组件特点：特点： 1）抗污染能力强）抗污染能力强 2）特性不易预测）特性不易预测 3）可动的偏转板重量轻，动态响应快些）可动的偏转板重量轻，动态响应快些 4）结构简单，工作可靠）结构简单，工作可靠66工作原理：工作原理： 滑阀输出的压力经反馈通道引入滑阀两端的弹簧腔（通滑阀输出的压力经反馈通道引入滑阀两端的弹簧腔（通过反馈喷嘴到挡板，通过压力传感器到伺服放大器）过反馈喷嘴到挡板，通过压力传感器到伺服放大器）负载压力负反馈负载压力负反馈 在位置反馈伺服阀的基础上引入负载压力负反馈在位置反馈伺服阀的基础上引入负载压力负反馈特点：特点

49、： 1）流量）流量-压力系数大压力系数大 2）增加了系统的阻尼，降低了系统的静刚度，刚性差）增加了系统的阻尼，降低了系统的静刚度，刚性差 3）通常用在负载惯性大，外负载力小或带谐振负载的）通常用在负载惯性大，外负载力小或带谐振负载的伺服系统伺服系统veeLvLpxKApApLeeLpevvpKApKAx负载压力增大，输出流量减小负载压力增大，输出流量减小阀开口量减小，输出流量进一步减小阀开口量减小，输出流量进一步减小负载流量曲线的斜率比流量伺服阀的大负载流量曲线的斜率比流量伺服阀的大67 p2 p1xTORQUE MATOR p2 p168工作原理：工作原理： 由弹簧活塞和液阻（固定节流孔）组

50、成压力微分网络由弹簧活塞和液阻（固定节流孔）组成压力微分网络特点：特点： 1）增加系统阻尼，不降低系统静刚度）增加系统阻尼，不降低系统静刚度 2）动态时：压力）动态时：压力-流量伺服阀；稳态时：流量伺服阀流量伺服阀；稳态时：流量伺服阀 3）适用于大惯量负载的伺服系统）适用于大惯量负载的伺服系统dtpddtpdKAdtxdfLpppppp31xKApp1Lfssppfpp1pRdtdxA69 p2 p1xTORQUE MATOR pc2 pc170工作原理：工作原理： 1）将流量压力伺服阀滑阀两端的对中弹簧去掉，）将流量压力伺服阀滑阀两端的对中弹簧去掉，得到阀芯力平衡式压力控制伺服阀得到阀芯力平

51、衡式压力控制伺服阀 2）滑阀输出压力通过喷嘴反馈到挡板上，与负载）滑阀输出压力通过喷嘴反馈到挡板上，与负载压力成比例的反馈力矩等于力矩马达输入电流产生的压力成比例的反馈力矩等于力矩马达输入电流产生的电磁力矩电磁力矩特点：特点： 1）阀芯力平衡式的力矩马达及挡板工作范围大，对）阀芯力平衡式的力矩马达及挡板工作范围大，对力矩马达线性要求高。压力反馈有固定的线性增益力矩马达线性要求高。压力反馈有固定的线性增益（阀芯大小凸肩面积之比）（阀芯大小凸肩面积之比） 2）反馈喷嘴式的力矩马达及挡板在零位附近工作，）反馈喷嘴式的力矩马达及挡板在零位附近工作，线性好，但不是严格的线性。阀的压力特性线性度稍线性好，

52、但不是严格的线性。阀的压力特性线性度稍差差反馈喷嘴式压力伺服阀71 p2 p1xTORQUE MATOR p2 p172vLpeLApAp负载流量大，液动力大，输出压力负载流量大，液动力大，输出压力小小压力压力-流量曲线略微倾斜流量曲线略微倾斜7374（一）负载流量特性（压力（一）负载流量特性（压力-流量特性）流量特性） 为产生额定流量对线圈任一极性所规定的输入电为产生额定流量对线圈任一极性所规定的输入电流（不含零偏电流），单位为流（不含零偏电流），单位为A 额定电流与线圈的连接方式有关：串联、并联、额定电流与线圈的连接方式有关：串联、并联、差动差动1.额定电流额定电流In 包括负载流量特性、

53、空载流量特性、压力特性、内泄漏特性包括负载流量特性、空载流量特性、压力特性、内泄漏特性零位附近难测零位附近难测确定伺服阀的类型，估计伺服阀的规格确定伺服阀的类型，估计伺服阀的规格负载（压力负载（压力/流量）匹配的基础流量）匹配的基础753.额定流量额定流量qn 在规定的阀压降下，对应于额定电流的负载流量，单位在规定的阀压降下，对应于额定电流的负载流量，单位m3/s。说明：说明： 1）通常，在空载条件下规定伺服阀的额定流量）通常，在空载条件下规定伺服阀的额定流量 国外，额定流量指负载压降为国外，额定流量指负载压降为7MPa及额定电流下，伺服阀的输出流量。及额定电流下，伺服阀的输出流量。 2）负载

54、压降为）负载压降为2/3供油压力时规定的额定流量对应伺服阀的最大功率输出点供油压力时规定的额定流量对应伺服阀的最大功率输出点 3）额定流量的允差一般为额定流量的允差一般为10%10%。额定流量表征伺服阀的规格和容量。额定流量表征伺服阀的规格和容量。 2.额定压力额定压力pn 额定工作条件时的供油压力，单位额定工作条件时的供油压力，单位Pa76（二）空载流量特性（二）空载流量特性空载流量曲线（简称流量曲线）是输出流量与输入电流呈回环状的函数曲线。空载流量曲线（简称流量曲线）是输出流量与输入电流呈回环状的函数曲线。试验时要求：试验时要求：1）给定伺服阀压降）给定伺服阀压降2）负载压降为零）负载压降

55、为零3）阀的动态特性不受影响）阀的动态特性不受影响流量曲线中点的轨迹称为名义流量曲线。（零滞环流量曲线）流量曲线中点的轨迹称为名义流量曲线。（零滞环流量曲线）（1）流量增益）流量增益 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，单位为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，单位为(m3/s)/A。 名义流量增益线：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名义流量增益线：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最小的直线 名义流量增益：两个极性的名义流量增益线斜率的平均值名义流量增益：两个极性的名义流量增益线斜率的平均值额

56、定流量与额定电流之比称额定流量增益。额定流量与额定电流之比称额定流量增益。 如果零位时滑阀有正重叠现象，则零位工作区的流量增益要低于名义流量增益。反如果零位时滑阀有正重叠现象，则零位工作区的流量增益要低于名义流量增益。反之，如果零位时有正开口，则零位流量增益将大于名义流量增益。之，如果零位时有正开口，则零位流量增益将大于名义流量增益。77流量特性曲线流量特性曲线 名义流量增益、线性度名义流量增益、线性度 、对称度、对称度78流量滞环、名义流量曲线、零偏流量滞环、名义流量曲线、零偏 QL名义流量曲线名义流量曲线Ic Icmax b IcmaxIc2Ic1名义流量增益、线性度名义流量增益、线性度

57、QL夸大了的夸大了的名义流量曲线名义流量曲线Ic Icmax Icmax斜率为斜率为s2的直线的直线 i1 i2 QnQn斜率为斜率为s1的直线的直线79 名义流量曲线的直线性。名义流量曲线的直线性。（名义流量曲线与名义流量增益曲线最大偏差电流（名义流量曲线与名义流量增益曲线最大偏差电流 / 额定电流）额定电流）线性度通常小于线性度通常小于7.5%（2）线性度）线性度 两个极性名义流量增益的一致程度，两个极性名义流量增益的一致程度，通常小于通常小于10%（差值（差值 / 最大者）最大者）（3）对称度）对称度 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，产生相同输出流量的往返输入

58、电流的最大差值与额定电流的百分比，通通常小于常小于5%原因：原因： 1）力矩马达磁路的磁滞（输入信号小，磁滞回环小）；）力矩马达磁路的磁滞（输入信号小，磁滞回环小）； 2）伺服阀中的游隙（机械固定处的滑动，阀芯与阀套的摩擦力，油的清洁度）伺服阀中的游隙（机械固定处的滑动，阀芯与阀套的摩擦力，油的清洁度）（4）滞环）滞环 80（5） 分辨率分辨率 使输出流量发生变化所需的输入电流的最小变化值与额定电流之百分比。使输出流量发生变化所需的输入电流的最小变化值与额定电流之百分比。（通常为从输出流量的增加状态回复到输出流量减小状态）（通常为从输出流量的增加状态回复到输出流量减小状态） 1）一般小于一般小

59、于1%。 2）主要由于静摩擦力引起）主要由于静摩擦力引起1）零位：空载流量为零的几何零位）零位：空载流量为零的几何零位2）经常工作在零位附近，零区特性很重要）经常工作在零位附近，零区特性很重要3）两极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）两极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。（零重叠、正重叠、负重叠）的百分比。（零重叠、正重叠、负重叠）（6）重叠）重叠 81（7） 零偏零偏 使阀处于零位所需的输入电流值（不计滞环影响）与额定电流的百分比。使阀处于零位所需的输入电流值（不计滞环影响）与额定电流的百分比。 通常小于通常小于3%1）输出流量为零（两个油口关闭）时，负载压降与输入电流呈回环状的函数曲线）输出流量为零（两个油口关闭）时，负载压降与输入电流呈回环状的函数曲线2）压力增益：负载压力对输入电流的变化率，单位）压力增益：负载压力对输入电流的变化率，单位Pa/A， 通常规定为在通常规定为在最大负载压降的最大负载压降的 40%之间之间，负载压降对输入电流曲线的平均斜率，负载压降对输入电流曲线的平均斜率3）压力增益指标压力增益指标：输入：输入1%的额定电流时，负载压降应超过的额定电流时，负载压降应超过30%的额定工作压力的额定工作压力（三）压力特性（三）压力特性 1）负载流量为零时，从