电液伺服系统及其控制

1、文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持电液系统及其控制1 概述1.1 电液控制系统工作原理及组成一.工作原理电液控制系统又称电液伺服系统,是以电气信号为输入,以液压信号为输出,电气检测传感器元件为反馈构成闭环控制系统.由于是电气和液压相结合,因而系统可发挥两者的优点.电气信号便于测量转换放大处理校正,电气检测传感器元件便于检测各种物理量,且快速和多样性;液压信号输出功率大速度快,执行元件具有惯性小等优点.所以结合起来的电液控制系统具有控制精度高,响应速度快,信号处理灵活,输出功率大,结构紧凑,重量轻等优点.输入电气信号通常有电位器,电子放大器,PLC控制器和计算机等.

2、电气检测传感器元件通常有位置传感器,压力传感器,速度传感器,编码器等元件.输出是以液压动力执行元件（油缸和马达）和伺服元件组成的反馈控制系统.如图所示:在此系统中,输出量（位移,力,速度等）通过反馈传感器（位移传感器,力传感器,速度传感器等）能自动地快速地准确地反映其变化.并与原先的给定的给定量进行比较,再放大输入给伺服阀,改变其阀芯位移,从而控制输出的压力和流量,驱动执行元件运动,直至输人量与输出量一致为止.举例:1 .阀控式电液位置控制伺服系统（如上图）图中所示为双电位器电液位置控制伺服系统的工作原理图.该系统控制工作台的位置,使其按指令电位器给定的规律变化.系统由指令电位器,反馈电位器,

3、电子放大器,电液伺服阀,液压缸和工作台组成.其工作原理如下:指令电位器将位置指令xi转换成指令电压ur,被控制的工彳台位置xp由反馈电位器检测转换成反馈电压ui.两个线性电位器接成桥式电路，从而得到偏差电压ue=ur-uf.当工作台位置xp与指令位置xi一致时，电桥输出偏差电压ue=0,此时伺服放大器输出电流为零，电液伺服阀处于零位,没有流量输出,工作台不动.当指令电位器位置发生变化,如向右移动一个位移Oxi,在工作台位置发生变化之前,电桥输出偏差电压ue=KOx,偏差电压经伺服放大器放大后变为电流信号去控制电液伺服阀,电液伺服阀输出压力油到液压缸,推动工作台右移.随着工作台的移动,电桥输出偏

4、差电压逐渐减小,当工作台移动Oxp等于指令电位器位移Oxi时,电桥输出偏差电压为零,工作台停止移动.反之亦然.系统的工作原理方块图如下:2 .泵控式电液速度控制伺服系统该系统的液压动力执行元件由变量泵和液压马达组成,变量泵既是液压能源又是液压控制元件.由于操纵变量机构所需要的力较大,通常采用一个小功率的液压放大装置作为变量控制机构.如图所示为一泵控式电液速度控制伺服系统的原理图.图中所示系统采用阀控式电液位置控制机构作为泵的变量控制机构.液压马达的输出速度由测速发电机检测，转换为反馈电压信号uf,与输入指令电压信号ur相比较，得出偏差电压信号ue=ur-uf,作为变量控制机构的输入信号.当速度

5、指令为ur0时，负载以某个给定的转速w0工作，测速机输出反馈电压uf0,则偏差电压ue0=ur0-uf0,这个偏差电压对应于一定的液压缸位置,从而对应于一定的泵流量输出,此流量为保持负载转速w0所需的流量.如果负载变化或其它原因引起转速变化时,则uf不等于uf0,假如w大于w0,即uf大于uf0,则ue=ur0-uf小于ue0,使液压缸输出位移减小，使泵输出流量减小，液压马达转速自动下调至给定值.反之，如果转速下降，则uf小于uf0,则ue=ur0-uf大于ue0,使液压缸输出位移增大，使泵输出流量增大，液压马达转速自动回升至给定值.结论:速度指令一定时,液压马达转速保持恒定;速度指令变化时,

6、液压马达转速也相应变化.系统的工作原理方块图如下:二.电液伺服控制系统组成1 .输入元件-其功用是给出输入信号加于系统的输入端.可以是机械的,电气的等如靠模,电位器,计算机等.2 .反馈测量元件-测量系统输出并转换为反馈信号.如各类传感器（位置传感器,压力传感器,速度传感器等）.3 .比较元件-将输入信号与反馈信号进行比较,给出偏差信号.4 .放大转换元件-将偏差信号放大,转换成液压信号.妲伺服放大器,电液伺服阀等.5 .执行元件-产生调节动作加于控制对象上,如液压缸和液压马达等.6 .控制对象-被控制的设备等,即负载.7 .液压能源装置及各种校正装置等.1.2电液伺服控制的分类电液伺服控制系

7、统可按不同的原则分类,基本上有五大类.一.按被控对象的物理量名称分类1 .位置伺服控制系统主要是控制被控对象的位置精度的伺服控制系统,妲机床工作台的位置,板带轧机的板厚振动试验台等系统.2 .速度伺服控制系统主要是控制被控对象的速度精度的伺服控制系统,如原动机的调速,雷达天线的速度控制等.3 .力伺服控制系统以力为被调量的伺服控制系统,如材料试验机,轧机张力控制系统等.二.按执行元件的控制方式分类1 .阀控式伺服控制系统利用伺服阀控制的伺服控制系统称为阀控式伺服控制系统.它又可分为阀控缸系统和阀控马达系统两种.其优点是响应速度快,控制精度高,结构简单.缺点是效率低.2 .容积式伺服控制系统利用

8、变量泵或变量马达控制的伺服控制系统称为容积式伺服控制系统.它又可分伺服变量泵系统和伺服变量马达系统.三.按系统输入信号的变化规律分类1. 定值控制系统当系统输入信号为定值时称为定值控制系统.它的任务是将系统的实际输出量保持在希望值上.2. 程序控制系统当系统输入信号为按预先给定的规律变化时称为程序控制系统.3. 伺服控制系统文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.伺服控制系统又称随动系统,其输入信号是时间的未知函数,而输出量能够准确快速地复现输入量的变化规律.四.按信号的方式分类1 .模拟信号控制系统系统中全部信号都是连续的模拟量的系统称之.2 .数字信号控制系统系统

9、中全部信号都是数字量的系统称之.3 .数字-模拟混合控制系统系统中部分信号是数字量部分信号是模拟量的系统称之.五.按信号传递介质的形式分类1 .机液伺服控制系统输入信号给定,反馈测量和比较均用机械构件实现的系统称之.2 .电液伺服控制系统用液压动力元件,偏差信号的检测校正和初始放大等均用电气电子元件实现的系统称之.1.3电液伺服控制的优缺点一.电液伺服控制的优点1 .液压元件功率-重量比和力矩-惯量比（力-质量比）大，因而结构紧凑，体积小，重量轻，用于中大型功率系统优点更明显.比较举例：电气元件：最小尺寸取决于有效磁通密度，而有效磁通密度又受磁性材料的磁饱和限制；功率损耗产生的发热量散发又比较

10、困难.因此功率-重量比和力矩-惯量比小，结构尺寸大.液压元件：功率损耗产生的发热量由油带到散热器去散热，其最小尺寸取决于最大工作压力，而工作压力可以很高（通常可达32MPa）,因而元件尺寸小,重量轻,功率-重量比和力矩-惯量比大.同功率:液压泵重量/电动机重量=10%-20%液压泵尺寸/电动机尺寸=12%-13%液压马达功率重量比=10倍相当容量的电动机液压马达力矩-惯量比=10-20倍电动机2 .液压动力元件快速性好,系统响应快.加速能力强,能高速起动和制动.3 .液压伺服系统抗负载的刚度大.二.电液伺服控制的缺点1 .液压元件抗污染能力差,对工作介质清洁度要求高.工作介质随温度变化而变化,

11、对系统性能有影响.2 .液压元件制造精度高,成本高,且若元件的密封制造使用不当,易外漏,造成环境污染.3 .液压能源传输不如电气系统方便2电液伺服阀电液伺服阀是电液伺服系统中的主要元件,它既是电液转换元件,又是功率放大元件.它能够把微小的电信号转换成大功率的液压能（流量和压力）,是电液伺服控制系统的核心和关键.电液伺服阀的输入信号是由电气元件来完成的,由它再转换成液压流量和压力,输出给执行机构,实现对执行机构各物理量的控制.2.1电液伺服阀的组成与分类一.组成电液伺服阀通常由力矩马达,液压放大器,反馈机构三部分组成.以下图的两级中力反馈式电液伺服阀为例,简单介绍如下:图中上半部为力矩马达,下半

12、部为液压放大器（由四通滑阀组成的液压放大器）,反馈机构则由反馈杆11组成.它们的作用分别是:1 .力矩马达（力马达）将输入的电信号转换成力矩或力控制液压放大器运动.2 .液压放大器控制液压能源流向执行机构的流量和压力.3 .反馈机构使伺服阀输出的流量和压力获得与输入信号相应的特性.二.分类电液伺服阀的种类很多,按不同的结构和机能常有以下几种分类:1 .按输出量的控制功能分有:电液流量伺服阀-主要控制输出的液流流量特性,即在额定输入信号范围内,具有线性流量控制特性.电液压力伺服阀-在额定输入信号范围内,具有线性压力控制特性.电液压力-流量伺服阀-在额定输入信号范围内,具有线性压力-流量控制特性.

13、2 .按液压放大器的级数分有:单级伺服阀-只有一级放大元件.结构简单,价格低廉,但输出力和力矩小,输出流量小,对负载变化敏感.用于低压小流量和负载变化不大的场合.两级伺服阀-有两级放大元件.它克服了单级伺服阀的缺点,是最常用的型式.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.通常只用于大流量（200L/min）以上的场合.3 .按第一级阀的结构分有:滑阀-第一级阀的结构是滑阀.此类阀流量和压力增益高,输出流量大,对油清洁度要求较低.但加工复杂,分辨率低,响应慢,滞环较大,阀芯受力大.喷咀挡板-第一级阀的结构是喷咀挡板.此类阀灵敏,动态响应快,线性度好.但对油清洁度要求高,挡板受力

14、小,驱动功率小.射流管-第一级阀的结构是射流管阀.此类阀抗污染强,但动态响应慢,受油温响应大.4 .按反馈形式分有:滑阀位置反馈-利用滑阀的位置反馈的阀,常用的有直接位置反馈,机械位置反馈,位置电反馈,位置力反馈等.直接位置反馈-阀芯位移通过反馈杆与挡板相连,构成滑阀位移力反馈.常用于两级伺服阀.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.位置电反馈-将功率级滑阀的位移通过位移传感器反馈到伺服阀的放大器输入端,实现功率级滑阀阀芯定位.2.2力矩马达力矩马达是将电信号转换成机械运动的一种电气-机械转换.一.力矩马达工作原理利用电磁原理,由永久磁铁（或激磁线圈）产生极化磁场,而电信号

15、通过控制线圈产生控制磁场,两个磁场相互作用,产生与控制信号成比例并能反映控制信号的极性的力或力矩,使其运动部分产生直线位移或角位移的机械运动.二.力矩马达分类1. 根据运动形式分1) 角位移马达-力马达,可移动件是直角位移.2) 直线位移马达力马达,可移动件是直线位移.2.按可动件结构分1)动铁式-可动件是衔铁.2)动圈式-可动件是控制线圈.3.按极化磁场产生的方式分1)永磁式-利用永久磁铁建立极化磁通.2)非极磁式-无专门的极磁线圈,两个控制线圈差动连接,利用常值电流产生极化磁通.3) 固定电流极磁式-利用固定电流通过极磁线圈建立极化磁场.三.力矩马达要求1 .能产生足够的输出力和行程,且要

16、求体积小,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,磁滞小.4 .抗震,抗冲击,不受环境温度和压力影响.四.典型力矩马达1.永磁动铁式力矩马达1)组成下图所示为一种常用的永磁动铁式力矩马达工作原理图,它由永久磁铁(2),上下导磁体(3,5),衔铁(4),弹簧管(1),控制线圈(两个控制线圈套在衔铁上).2)工作原理永久磁铁将上下导磁体磁化，一个为N极，一个为S极.无信号电流时，即两个控制线圈的电流i1=i2,衔铁在上下导磁体的中间位置,由于力矩马达结构是对称的,永久磁铁在四个工作气隙中所产生的极化磁通是一样的,使衔铁两端所受的电磁吸力相同,力矩马达无力矩输出.当有

17、信号电流通过控制线圈时,线圈产生控制磁通(其大小和方向取决于信号电流的大小和方向).假设i1>i2,如上图所示,在气隙1,3中控制磁通与极化磁通方向相同,而在气隙2,4中控制磁通与极化磁通方向相反,因此气隙1,3中其控制磁通与永久磁铁磁通合成大于气隙2,4中控制磁通与极化磁通的合成,于是衔铁上产生顺时针方向的电磁力矩,使衔铁绕弹簧管转动中心顺时针方向转动.当弹簧管变形产生的反力矩与电磁力矩相平衡时,衔铁停止转动.如果信号电流反向,则电磁力矩也反向,衔铁向反方向转动.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.因此调节信号电流便可调节电磁力矩的大小,也就调节衔铁的转

18、角大小.2.永磁动圈式马达1)组成永久磁铁,可动线圈,对中弹簧等.2)工作原理图所示为一种常见的结构原理图图中,永久磁铁在工作气隙中形成极化磁通,当控制信号电流加到线圈上时,线圈就会受到电磁力的作用克服弹簧力和负载力而运动.线圈的位移与控制电流成比例.因此输入信号电流就会得到电磁力,且呈正比关系,具有线性特性.3.动铁式力矩马达与动圈式力马达比较动铁式力矩马达动圈式力马达磁滞大磁滞小工作行程小工作行程大输出力矩大,弹簧刚度大,.输出力矩小,固有频率低.固有频率高同功率体积小,价格高同功率体积大,价格低五.力矩马达的数学模型（电磁力矩计算）1）永磁动铁式力矩马达的数学模型（电磁力矩计算）电磁力矩

19、是由于控制线圈输入电流,在衔铁产生了控制磁通而形成的.因此需先求出力矩马达的控制电流.通过力矩马达的磁路分析可求出电磁力矩的计算公式.a.力矩马达的控制电流参看永磁动铁式力矩马达的工作原理图,在其工作时,两个控制线圈由一个放大器供电其常值电压Eb在每个控制线圈中产生的常值电流I0大小相等方向相反.当放大器有输入电压时,两个控制线圈的电流分别为:I1=I0+iI2=I0-i式中i1i2-每个控制线圈中的电流;I0-每个控制线圈中的常值电流i-每个控制线圈中的信号电流;两个控制线圈的差动电流为Ai=ii-i2=2I=ic（1）Ic-输入马达的控制电流b. 衔铁中产生的控制磁通根据力矩马达的磁路原理

20、图,应用磁路的基尔霍夫第二定律可得气隙的合成磁通,继而应用磁路的基尔霍夫第一定律求出衔铁磁通：（）a=（f）1-（f）2=2（）g0（a/Lg）+Ai（Nc/Rg）式中（）a-衔铁磁通；（）g-衔铁在中位时气隙的极化磁通；。-衔铁转角；a-衔铁转动中心到磁极面中心的距离；Lg-衔铁在中位时每个气隙的长度;Rg-工作气隙的磁阻;NcAi-永久磁铁产生的控制磁动势；c. 作用在衔铁上的电磁力矩根据马克斯威尔公式计算衔铁在磁场中所受的电磁吸力,可得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简化式为Td=KtAi+Km0式中Td-作用在衔铁上的电磁力矩;Kt-力矩马达的中位电磁力矩系数;Km-

21、力矩马达的中位磁弹簧刚度;从式中可看出,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.2）永磁动圈式力马达的数学模型（电磁力矩计算）参见永磁动圈式力马达的工作原理图,力矩马达的可动线圈悬置于工作气隙中,永久磁铁在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其运运动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,产生一个与控制电流成比例的位移.由于电流方向与磁通方向垂直,根据载流导体在均匀磁场中所受的电磁力公式,可得力马达线圈所受的电磁力:F=BgjiDNcic=Ktic文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支

22、持式中F-线圈所受的电磁力;Kt-电磁力系数F=BgJiDNcNc-控制线圈的匝数.Bg-工作气隙中的磁感应强度;D-线圈的平均直径Ic-通过线圈的控制电流.结论:永磁动圈式力马达的电磁力与控制电流成正比,具有线性特性.2.3液压放大元件电液伺服阀另一个组成部分是液压放大器,它是一种以机械运动来控制流体动力的元件.它将力矩马达（或力马达）输出的机械运动（转角或位移）转换为液压信号（液体的流量和压力）输出,并进行了功率放大.液压放大元件是伺服系统中的一种主要控制元件,其静动态特性对系统的性能影响很大.且结构简单,单位体积输出功率大,工作可靠和动态性能好.1 .液压放大元件的种类液压放大元件有滑阀

23、,喷咀挡板阀和射流管阀等.2 .滑阀滑阀是靠节流原理工作的.它借助于阀芯与阀套间的相对运动改变节流口面积的大小,对流体流量或压力进行控制.滑阀结构形式多,控制性能好,在电液系统中应用最广泛.1.滑阀的结构及分类（1） 按进出阀的通道数划分它与液压方向阀的通道数一样,有四通阀,三通阀和二通阀.四通阀有一个进油口,一个回油口,两个控制口.可用来控制双作用液压缸或马达.如图a所示.三通阀有一个进油口,一个回油口,一个控制口.只可用来控制差动液压缸.如图b所示.图b三通阀图c二通阀二通阀一个进油口,只有一个可变节流口,须和一个固定节流孔配合使用,才能用来控制差动液压缸.如图c所示.（2） 按滑阀的工作

24、边数划分a.四边滑阀-与上对应四通阀有四个可控的节流口，又称四边滑阀，控制性能最好.如上图a所示.b. 双边滑阀-三通阀有两个可控的节流口,又称双边滑阀,控制性能居中.如上图b所示.c. 单边滑阀-单边滑阀只有一个可控的节流口,控制性能最差（3） 按滑阀的预开口型式划分按滑阀阀芯在中位时,阀芯凸肩与阀套槽宽的几何尺寸关系划分有（即阀芯凸肩宽度大于阀套槽宽）,（即阀芯凸肩宽度等于阀套槽宽）,（即阀芯凸肩宽度小于阀套槽宽）,a.正开口-阀芯凸肩与阀套槽宽的几何尺寸是负重叠的参见图a.b.零开口阀芯凸肩与阀套槽宽的几何尺寸是零重叠的参见图b.c.负开口-阀芯凸肩与阀套槽宽的几何尺寸是正重叠的参见图c

25、.a 正开口图 b 零开口c 负开口 .,特别是零位附近特性影响很大如下图所示:零开口阀具有线性流量增益特性,性能比较好.负开口阀由于流量增益特性有死区,将引起稳态误差,有时还可能引起游隙,从而产生稳定性问题.正开口在正开口区内外的流量增益变化大,压力灵敏度低,零位泄漏量大.图不同开口形式的流量特性1-零开口2-正开口3-负开口2.滑阀静态特性滑阀静态特性是指稳态情况下,阀的负载流量qL,负载压力pL和滑阀的位移xv三者之间的关系,即qL=f(pL,xv).它表示滑阀的工作能力和性能,对系统的静动态特性计算有重大意义.阀的静态特性可用方程(压力流量方程),曲线或特性参数(阀的系数)表示.(1)

26、滑阀静态特性a.压力一流量方程滑阀的控制流量可由滑阀节流口流量公式表示,其流量是阀芯位移和节流口的压降的函数.为了使问题简化,在推导压力流量方程时,作了以下假设:a)液压能源是理想的恒压源，供油压力Ps为常数，回油压力P0为零.b)忽略管道和阀腔内的压力损失.c)假定液体是不可压缩的.d)假定阀各节流口流量系数相等.e)阀的窗口都是匹配和对称的.根据节流口流量公式,以四边滑阀为例,可推导出压力流量方程:负载流量为QL=CdA2Vl/p(ps-pL)-CdA1Vl/p(ps+pL)式中Cd-为流量系数，p-为油密度，(p=870Kg/m3)A1-为节流口1的面积;A2-为节流口2的面积;ps为恒

27、压油源压力pL-为负载压力,pL=p1-p2.供油流量为Qs=CdA2Vl/p(ps-pL)+CdA1Vl/p(ps+pL)b.滑阀的静态特性曲线a)流量特性曲线阀的流量特性是指负载压降等于常数时,负载流量与阀芯位移之间的关系,其图形表示即为流量特性曲线.负载压降为0时的流量特性称空载流量特性.相应的曲线为空载流量特性曲线,如图a所示.图a空载流量特性曲线图图b压力特性曲线b)压力特性曲线阀的压力特性是指负载压降等于常数时,负载压降与阀芯位移之间的关系,其图形表示即为压力特性曲线.通常所指的压力特性是指负载流量为0时的压力特性,相应的曲线为压力特性曲线,如图b所示.c)压力-流量特性曲线阀的压

28、力-流量特性曲线是指阀芯位移一定时,负载流量与负载压降之间关系的图形.如下图所示为理想零开口四边滑阀的压力-流量特性曲线族.它全面描述了阀的稳态特性,并可获得阀的全部性能参数.阀在最大位移下的压力-流量特性曲线可以表示阀的工作能力和规格.当负载所需的压力和流量能被阀在最大位移下的压力-流量特性曲线所包围时,阀就能满足负载的要求阀的压力-流量特性曲线（2） 零开口四边滑阀的静态特性a.理想零开口四边滑阀的静态特性理想零开口滑阀是指径向间隙为零,工作边锐利的滑阀,如图所示.由于径向间隙为零,工作边锐利,因而在讨论静态特性时可不考虑它们的影响.且认为节流阀口为矩形,其面积A=Wxv,（W-面积梯度x

29、v-阀芯位移）.a）理想零开口四边滑阀的压力一流量方程理想零开口四边滑阀的压力流量方程:QL=CdWxv-（1）b）压力一流量曲线根据无因次压力流量方程绘制压力流量曲线如下图所示.因阀窗口是匹配且对称的,所以压力一流量曲线对称于原点.当阀在正常工作状态是按图中I,出象限曲线.只有在瞬态情况下，才会处于n,IV象限曲线.三.喷咀挡板阀喷咀挡板阀也称喷咀挡板式液压放大元件.与滑阀相比，其公差要求不太严格，易加工，造价低，对油液污染的敏感性也差.但零位泄漏量大，功率损失较大。用于小功率系统，多作为两级放大器的第一级.喷咀挡板阀有单喷咀挡板阀和双喷咀挡板阀两类.1. 双喷咀挡阀（1）双喷咀挡阀的结构及

30、工作原理双喷咀挡阀是由两个结构相同的单喷咀挡阀组合在一起按差动原理工作的,其结构及工作原理参见下图.如图所示,当挡板位于中间位置时,挡板与两个喷咀端面的距离均为初始缝隙xf0.此时两个中间控制腔内的压力相等,即p10=p20,而负载流量qL=0,负载静止不动.当挡板绕0轴逆时针方向旋转时,上边挡板与喷咀端面的距离xf减小,使压力p1增加;下边挡板与喷咀端面的距离xf增加,相应地p2降低.在压差pL=p1-p2的作用下,负载向下运动.反之,当挡板绕0轴顺时针方向旋转时,负载向上运动.和正开口的四边滑阀的工作情况相似.（2）双喷咀挡阀静态特性a.压力-流量方程（略）b.压力特性（略）3典型的电液伺

31、服阀3.1 力反馈两级电液伺服阀目前伺服系统中,以力反馈喷咀挡板两级电液伺服阀应用较广.此类伺服阀生产厂家较多,而且系列较全,其结构大体相同,如下图3.1所示.图3.1力反馈喷咀挡板两级电液伺服阀1-气隙2-上导磁体3-衔铁4-下导磁体5-挡板6- 喷咀7-固定节流孔8-过滤芯9-阀芯10-阀体11-反馈杆12-弹簧管13-线圈一.力反馈喷咀挡板两级电液伺服阀工作原理如上图所示,两级电液伺服阀是由力矩马达和二级放大器及反馈机构组成.力矩马达选文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持用永磁动铁式力矩马达控制；其第一级液压放大器为双喷咀挡板阀；第二级液压放大器为四通滑阀；反馈机

32、构由反馈杆与衔铁挡板组件构成滑阀位移力反馈回路无控制电流时，衔铁由弹簧管支承在上下磁体的中间位置，挡板也处于两个喷咀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.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逆时针方向偏转，弹簧管和反馈杆产生变形，挡板偏离中位，.这时喷咀挡板阀右间隙减小而左间隙增大，引起滑阀右腔控制压力p2P增大,左腔控制压力pip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.当腔控制压力p2P增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

33、减小，趋于中位.使控制压力p2p降低，pip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阀的液动力相平衡时，阀芯停止运动，其位移与控制电流成比例在负载压差一定时阀的输出流量也与控制电流成比例.所以是一种流量控制伺服阀.这种伺服阀由于衔铁和挡柄在中位附近工作，所以线性好.对力矩马达的线性要求也不高，可以允许滑阀有较大的工作行程.二.基本方程与方块图1.永磁动铁式力矩马达的基本方程和方块图a.力矩马达的运动方程力矩马达工作时包含两个动态过程：一个是电的动态过程，另一个是机械的动态过程.电的动态过程可用电路的基本电压方程表示，机械的动态过程可用衔铁组件的运动方程表示.(1)基本电压

34、方程参看永磁动铁式力矩马达的工作原理图，输入每个线圈的信号电压为U1=U2=Ku(1)式中uiu2输入每个线圈的信号电压；Ku-放大器每边的增益2Ku=(Rc+rp)Ai+2Kbs。+2LcsAi(2)式中Eb产生常值电流所需的电压；Zb-线圈公用边的阻抗；Rc-每个线圈的电阻；rp-每个线圈回路中的放大器内阻；Nc-每个线圈的匝数；()n-衔铁磁通；0-衔铁转角；a-衔铁转动中心到磁极面中的距离；Lc-每个线圈的自感系数；Kb-每个线圈的反电动势常数.方程式(2)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，第二项为衔铁运动时在线圈内产生的反电动势，第三项是线圈内电流变化所

35、引起的感应电动势.式(2)改写为传函形式：式中Wa-控制线圈回路的转折频率.Wa=Rc+rp/2Lc(2)衔铁挡板组件的运动方程由上述永磁动铁式力矩马达中得到控制磁通和极化磁通相互作用在衔铁上产生的电磁力矩简化式为：Td=KtAi+Km0Kt-力矩马达达的中位电磁力矩系数，Km-力矩马达达的中位磁弹簧刚度.根据上图所示的衔铁挡板组件受力情况，可得在电磁力矩作用下，衔铁挡板组件的运动方程:KtAi=(Jas2+Bas+Kmf)0+dr+b)KfXv+rPLPANb.力矩马达的传函写成传函形式：一1式中Kmf-_g马达白力争刚度;G mf-2注 mf-22.挡板位移与衔铁转角的关系mf2±

36、;m£mf有 K泽 I;Kf(rs达硼械阻尼比b)Xv凡xf=r03.喷咀挡板至滑阀的传递函数,喷咀挡板至滑阀的传递函PLp,其大小与滑阀的受力有忽略阀芯移动所受的粘性阻尼力，稳态液动力和反馈杆弹簧力式中Kqp-数为Kqp卿挡板阀的流量增蒿;Av-滑Xf阀芯端面国积；2hp3mL滑阀的液压鄱有顼率,三:SI,Emf力矩马达的机席随尼比pVop-滑阀一端所包含的容积；Kcp喷咀挡板阀的流量-压力增益；Mv-滑阀阀芯及油液的归化质量.4 .阀控缸的传递函数在衔铁挡板组件的运动方程中含有喷咀挡板阀的负载压力关.滑阀受惯性力，稳态液动力等，稳态液动力又与滑阀输出的负载有关，即与液压执行机构有

37、关.为此要写出动力元件的运动方程.为简单起见，动力元件的负载只考虑惯性，则根据动力元件推导结果，写出伺服阀至所控缸的传递函数为：式中Kq-功率级滑阀的流量增益Ap-缸的工作面积；Xp-缸的输出位移；3m-液压固有频率，Em-液压阻尼比5 .作用在挡板上的压力反馈，只考虑阀芯的惯性力和稳态液忽略滑阀阀芯运动时所受的粘性阻尼力和反馈杆弹簧力动力，则喷咀挡板阀的负载压力PLp为：在稳态时即PLp=0,将上式拉氏变换为滑阀的负载压力为根据上述方程便可画出力矩马达，喷咀挡板至滑阀，阀控缸，力反馈的方块图，即整个力反馈伺服阀的方块图.力反馈伺服阀的方块图包含两个反馈回路，一个是滑阀位移的力反馈回路，这是主

38、要回路，另一个是作用在挡板上的压力反馈回路，这是主次要回路.力反馈伺服阀的性能主要由力反馈回路决定.它包含力矩马达和滑阀两个动态环节.一般情况下，滑阀的固有频率comp和力矩马达控制线圈的固有频率30很高,远大于衔铁挡板组件的固有频率comf,故滑阀动态和力矩马达控制线圈的可以忽略.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.这样力反馈伺服阀的方块图可以简化，简化文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持后的力反馈伺服阀的方块图如图示.三.力反馈伺服阀的传递函数由简化后的力反馈伺服阀的方块图可得到力反馈伺服阀的传递函数为式中Ka伺服阀放大器增益,Kxv

39、-伺服阀增益伺服阀通常以电流作输入参数,以空载流量q0=Kqxv作输出参量.因而可表示为式中Ksv-伺服阀的流量增益.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.为了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为式中3sv-伺服阀固有频率,;Es一伺服阀阻尼比.如果伺服阀的二阶环节的固有频率高于动力元件的固有频率,伺服阀的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大于动力元件的固有频率,伺服阀的传递函数还可看成比例环节.3.2动圈式双级滑阀式电液伺服阀动圈式直接反馈双级滑阀式电液伺服阀是由动圈式力马达和两级滑阀式放大器组

40、成.前置级是带两个固定节流孔的双边滑阀,功率级是零开口的四边滑阀.功率级的阀阀芯也是前置级的阀套,构成直接反馈.下图为动圈式直接反馈双级滑阀式电液伺服阀的简单结构图.功率级滑阀开口量为Xv,使阀口B输出流量.若假定1 .工作原理如图所示,图中：1-锁紧螺母，2-调整螺钉，3-磁钢，4-导磁体，5-气隙，6-动圈，7-弹簧，8-一级阀芯，9-二级阀芯，10-阀体，11-下控制腔，12-下节流口，13-下固定节流孔，14-上固定节流孔，15-上节流口，16-上控制腔.当信号电流输入力马达线圈时,线圈上产生的电磁力使前置级阀芯8移动.若假定阀芯向上移动X,此时上节流口15开大，下节流口12关小.从而

41、使功率级滑阀阀芯9的上控制腔压力减小,而下控制腔压力增大,功率阀芯9上移.当功率级阀芯9位移Xv=X时停止移动,阀芯向下移动X,此时上节流口15关小,下节流口12开大.从而使功率级滑阀阀芯9的上控制腔压力增大,而下控制腔压力减小,功率阀芯9下移.当功率级阀芯9位移Xv=X时停止移动,功率级滑阀开口量为Xv,使阀口A输出流量.2.基本方程和传函1)力马达的基本方程和传函a.动圈式力马达的电压方程根据动圈式力马达的工作原理,加到控制线圈的控制电压,在电阻上产生的压降(Rc+rp)i,Rc为放大器的电阻,rp为控制线圈的电阻.由于电阻的变化,在控制线圈中产生自感反电动势,考虑到有漏磁通,只有一半起作

42、用.控制线圈在固定泵场中运动又产生反电动势.故动圈式力马达的电压方程为等式左边为放大器加在控制线圈上的信号电压.等式右边第一项为电阻上的电压降,第二项为电流变化时在控制线圈中产生的自感反电动势,第三项是线圈在极化磁场中运动产生的反电动势.式中ug-输入放大器的信号电压;Ku放大器增益;Lc控制线圈电感;Kb-线圈的反电动势常数.Kb=BujiDNcrp-放大器白电阻；Rc-控制线圈的电阻.Ic输入电流上式拉氏变换后可写成：b.动圈式力马达的运动方程（线圈组件的力平衡方程）力马达线圈所受电磁力F=Ktic动圈式力马达的运动方程2式中m-线圈组件的质量；KticmdlBdr-KrFLB-线圈组件的

43、阻尼系数；dtdtK弹簧刚度；FL-作用在线圈组件上的负载力.Kt-电磁力系数.2）前置级-功率级阀芯作用在线圈组件上的负载力FL为第一级（前置级）滑阀的稳态液动力，可忽略不计.将上式拉氏变换后可写成：前置级滑阀的开口量为Xe=X-Xv3）功率级-负载Xv为第二级滑阀的开口量，前置级滑阀的负载为功率级的质量和液动力，忽略液动力的影响根据阀控缸的简化传函公式：根据上几式，忽略液动力的影响，可画出其简化方块图如下图动圈式直接反馈双级滑阀式电液伺服阀简化方块图4）动圈式双级滑阀式电液伺服阀的传函因为3hp比较高，不会限制|彳的频宽，可以忽略.根据上述方块图，便可得动圈式力马达的传函：式中Kt-电磁力

44、系数；Kb-每个线圈的反电动势常数；K弹簧刚度；Kv-伺服阀增益.因为滑阀的流量增益比较大，故动圈式直接反馈双级滑阀式电液伺服阀的频宽主要由力马达的固有频率所决定.由于力马达动圈组件包括一级阀芯质量比较大，而对中弹簧刚度又比较低.所以这种阀固有频率较低，一般为20-70HZ.3.3电液伺服阀的特性及主要性能电液伺服阀是一个非常精密而又复杂的伺服控制元件.它的性能对整个系统的性能影响很大，因此要求十分严格.一.静特性电液伺服阀的静特性是根据负载流量特性，空载流量特，压力特性，内泄漏特性等曲线和性能指标加以评定.1 .负载流量特性（压力-流量特性）电液伺服阀的负载流量特性可用其曲线来描述.它与上述

45、零开口四边滑阀的压力-流量特性曲线相似如图a所示.我们通常用其第一，三象限.它完全描述了伺服阀的静特性.但要测得这组曲线特别是在零位附近的数值很难.图b为QDY系列伺服阀的实测压力-流量曲线负载流量特性（压力-流量特性）.图a伺服阀的压力-流量曲线图bQDY伺服阀白压力-流量曲线曲线的作用是用来确定伺服阀的类型和估计其规格的，以便与所要求的负载流量和额定压力相匹配.2 .空载流量特性空载流量特性用空载流量曲线来描述.空载流量曲线：空载流量曲线是输出流量与输入电流的函数曲线，表示空载流量与输入电流的关系曲线.见下图所示.它是在空载（给定的伺服阀压降和负载压降为零）的条件下，输入电流在正负额定电流

46、值间以不受阀的动态特性影响的循环速度（通常不大于HZ）,进一完整循环所绘的连续流量曲线.名义流量曲线：空载流量曲线中点的轨迹线也即零滞环流量曲线称之额定流量增益：额定流量与额定电流之比称之，qN/lN.从流量曲线中，可得到阀的线性度对称度，滞环，分辨率等1）线性度流量伺服阀名义流量曲线的直线性称之.用对名义流量曲线的最大偏差与额定电流的百分比表示.如图示.线性度%=- Ix100.=2）对称度.SiS2一阀的两个极性名义流量增益的一致程度.如图示.对称度%=-2x100S23）滞环流量曲线中，产生相同往和返的输入电流差的最大值以对额定电流之比的百分数表示.一般小于5%.4）分辨率在某一规定的车

47、入电流下，使阀的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的百分比称之.一般小于1%.5）重叠两极性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窘定电流的百分比称之.一般分三种情况：零重叠，正重叠，负重叠.6）零偏3 .压力特性压力特性曲线是串出流量为零（工作油口关闭）时，负载压降（即Ps）对输入电流呈回环状的函数曲线.压力增益负载压降（即Ps）对输入电流是的变化率，以MPa/mA为单位.通常规定为在最大负载压降的士40%范围内，曲线的平均斜率.也可规定在阀在零位输入1%额定电流时，负载压降相对于供油压力的百分比，用PL/Ps%表示（如图所示）.内泄漏特性曲线4 .内泄漏

48、特性负载流量为零时，从回油口流出的总流量称为内泄漏流量.单位为m3/s.内泄漏量随输入电流而变化.参见上图.当阀处于零位时，内泄漏流量最大.5 .零漂工作条件或环境变化所导致的零偏变化，以其对额定电流的百分比表示.1）供油压力零漂文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持供油压力在70%-100%供油额定压力的范围内变化时,零漂小于2%.2）回油压力零漂回油压力在-20%回油额定压力的范围内变化时,零漂小于2%.3）温度零漂工作油温每变化400C时,零漂小于2%.4）零值电流零漂零值电流在0-100%额定电流范围内变化时,零漂小于2%二.动特性电液伺服阀的动特性一般用频率响应

49、表示.电液伺服阀的频率响应是输入电流在某一频率范围内作等幅变频正弦变化时,空载流量与输入电流的复数比.如下图所示.上图为伺服阀在标准试验条件下测绘的波德图,一般在输入电流的峰值为额定电流的一半（额定电流的百分之二十五）,初始频率为5-10HZ.频率响应通常在输入电流幅值保持不变时测定,并以幅值比在-3db和相位角-900时所对应的频率来度量.分别称为幅频宽和相频宽.如上图所示,此阀的幅频宽为190HZ,相频宽190HZ.频宽是伺服阀响应速度的度量,应根据系统的实际需要确定,过低会限制系统的响应速度过高会使高频干扰传到负载上.三.输入特性1 .线圈接法单线圈接法:参见样本.双线圈接法:参见样本.

50、串联线圈接法:参见样本.半联线圈接法:参见样本.差动线圈接法:参见样本.2 .颤振为了提高伺服阀的分辨能力,可在其输入信号上叠加一个高频低幅值的电信号,使伺服阀处在一个高频低幅值的运动中,减小或消除由于干摩擦产生的游隙,还可防止堵塞.但颤振的频率和幅值对其所起的作用都有影响.颤振的频率应大大超过预计的信号频率,还不能与伺服阀或执行元件与负载的谐振频率相重合.引起疲劳破坏或使所含元件饱和颤振的幅值不能过大,以致传到负载上去.4液压动力元件4.1 液压动力元件的组成液压动力元件是由液压控制元件和液压执行元件组成的.液压控制元件可以是液压控制阀,也可以是伺服变量泵.液压执行元件是液压缸或液压马达.由

51、它们可以组成四种基本型式的液压动力元件:阀控液压缸;阀控马达;泵控液压缸;泵控液压马达.前两种构成阀控（节流控制）系统,后两种构成泵控（容积控制）系统.阀控（节流控制）系统特点：1 .由于伺服阀-执行元件所包容的容积小,且供油压力恒定,因此系统的动态响应快.2 .不论负载如何变化,供油压力恒定,溢流量和泄漏量大,效率较低.3 .伺服阀和执行元件可紧凑地装在一起,因而液压动力元件体积小重量轻,但液压油源笨重.4 .溢流量大，效率低使油温高，需用散热器.泵控(容积控制)系统特点：1 .由于伺服变量泵-执行元件所包容的容积较大，压力须逐步建立，因此系统的动态响应较慢.2 .由于油源流量和压力都与负载

52、匹配，因此效效率高.3 .伺服变量泵需配辅助供油装置，系统复杂和价格高.4 .伺服变量泵和执行元件不易安装在一起，液压动力元件体积大.一般小功率系统和控制精度要求高的系统多采用阀控(节流控制)系统.大功率系统多采用阀控(节流控制)系统.在大多液压伺服系统中，液压动力元件是一个关键性部件，它的动态特性在很大程度上决定着整个系统的性能.本章将建立基本的液压动力元件的传递函数，分析它们的动态特性和主要性能参数.4.2四通阀控液压缸的传函由伺服阀控液压缸是使用较广泛的一种液压动力元件.下面以零开口四边滑阀和对称液压缸组成的液压动力元件为例分析其动态特性1 .工作原理四通阀控液压缸的工作原理如如下图所示

53、，它是由零开口四边滑阀和对称液压缸组成的是最常用的一种液压动力元件.2 .基本方程为了推导液压动力元件的传函，先须列阀的流量方程，缸的流量方程，缸与负载的力平衡方程.1 .阀的流量方程设定：a.滑阀是理想零开口，四个节流窗口是匹配和对称的.b.供油压力恒定，回油压力为零.阀的线性化方程为式中qL-负载流量，考虑泄漏和油压缩性影响，qi不等于q2,为了简化按平均流量计算:qL=(qi+q2)/2;qi-流入液压缸进油腔的流量；q2-从液压缸回油腔流出的流量.Kq-滑阀的流量增益；Kc-滑阀的流量-压力系数；Xc-滑阀的阀芯位移；PL-负载压力，PL=Pi-P22 .缸的流量连续性方程设定：a.阀

54、与缸的连接管道短而粗，管道内压力损失流体质量影响和管道动态忽略不计；b.液压缸腔内各处压力相等，油温和体积弹性模量为常数；c.液压缸内外泄漏为层流流动.流入液压缸进油腔的流量qiAPd-PCip(PiF2)CepPiVLdP1dtedt从液压缸回油腔流出的流量q2APd-PCiP(RP2)CePP2VdP2dtedt上两式中，等号右边第一项是推动活塞运动所需的流量，第二项是经过活塞密封的内泄漏的流量，第三项是经过活塞杆密封处的外泄漏的流量，第四项是油液压缩和腔体变形所需的流量.式中Ap-液压缸活塞腔有效面积；Xp-活塞位移；CiP液压缸内泄漏系数；CeP-液压缸外泄漏系数；V1-液压缸进油腔的容积,Vi=Voi+ApXp,Voi