液壓伺服系統(tǒng)第7章電液伺服閥

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電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。它能夠?qū)⑤斎氲奈⑿‰姎庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為大功率的液壓信號(hào)(流量與壓力)輸出。根據(jù)輸出液壓信號(hào)的不同，電液伺服閥可分為電液流量控制伺服閥和電液壓力控制伺服閥兩大類。電液伺服閥控制精度高、響應(yīng)速度快，是一種高性能的電液控制元件，在液壓伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。7.1電液伺服閥組成與分類一、電液伺服閥的組成電液伺服閥通常由力矩馬達(dá)(或力馬達(dá))、液壓放大器、反饋機(jī)構(gòu)(或平衡機(jī)構(gòu))三部分組成。二、電液伺服閥的分類按液壓放大級(jí)數(shù)分為：?jiǎn)渭?jí)伺服閥此類閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但由于力矩馬達(dá)或力馬達(dá)輸出力矩或力小、定位剛度低，使閥的輸出流量有限，對(duì)負(fù)裁動(dòng)態(tài)變化敏感，閥的穩(wěn)定性在很大程度上取決于負(fù)載動(dòng)態(tài)，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。只適用于低壓、小流量和負(fù)載動(dòng)態(tài)變化不大的場(chǎng)合。兩級(jí)伺服閥此類閥克服了單級(jí)伺服閥缺點(diǎn)，是最常用的型式。三級(jí)伺服閥此類閥通常是由一個(gè)兩級(jí)伺服閥作前置級(jí)控制第三級(jí)功率滑閥．功率級(jí)滑閥閥芯位移通過電氣反饋形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)功率級(jí)滑閥閥芯的定位。三級(jí)伺服閥通常只用在大流量的場(chǎng)合。按第一級(jí)閥的結(jié)構(gòu)形式分類：可分為：滑閥、單噴嘴擋板閥、雙噴嘴擋板閥射流管閥和偏轉(zhuǎn)板射流閥。按反饋形式分類：可分為滑閥位置反嫂、負(fù)載流量反饋和負(fù)載壓力反饋三種。按力矩馬達(dá)是否浸泡在油中分類：濕式的可使力矩馬達(dá)受到油液的冷卻，但油液中存在的鐵污物使力短馬達(dá)持性變壞，干式的則可使力矩馬達(dá)不受油液污染的影響，目前的伺服閥都采用干式的。雙噴嘴擋板力反饋電液伺服閥1—閥體2—固定節(jié)流孔3—第二級(jí)滑閥閥芯4—閥套5—噴嘴與擋板6—永磁體7—銜鐵8—電磁線圈9—力矩馬達(dá)外殼10—彈簧管11—反饋彈簧12—固定節(jié)流孔13—濾清器Rexroth7.2力矩馬達(dá)7.2力矩馬達(dá)在電液伺服閥中力矩馬達(dá)的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因而是一個(gè)電氣—機(jī)械轉(zhuǎn)換器。電氣—機(jī)械轉(zhuǎn)換器是利用電磁原理工作的。它由永久磁鐵或激磁線圈產(chǎn)生極化磁場(chǎng)。電氣控制信號(hào)通過控制線圈產(chǎn)生控制磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)之間相互作用產(chǎn)生與控制信號(hào)成比例并能反應(yīng)控制信號(hào)極性的力或力矩，從而使其運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)直線位移或角位移的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。一、力矩馬達(dá)的分類及要求1、力矩馬達(dá)的分類

1)根據(jù)可動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式可分為：直線位移式和角位移式，前者稱力馬達(dá)，后者稱力矩馬達(dá)。

2)按可動(dòng)件結(jié)構(gòu)形式可分為：動(dòng)鐵式和動(dòng)圈式兩種。前者可動(dòng)件是銜鐵，后者可動(dòng)件是控制線圈。3)按極化磁場(chǎng)產(chǎn)生的方式可分為：非激磁式、固定電流激磁和永磁式三種。

2、對(duì)力矩馬達(dá)的要求

作為閥的驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)它提出以下要求；

1)能夠產(chǎn)生足夠的輸出力和行程，問時(shí)體積小、重量輕。

2)動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)速度快。

3)直線件好、死區(qū)小、靈敏度高和磁滯小。

4)在某些使用情況下，還要求它抗振、抗沖擊、不受環(huán)境溫度和壓力等影響。

二、永磁力矩馬達(dá)

1、力矩馬達(dá)的工作原理

圖2所示為一種常用的永磁動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)工作原理圖，它由永久磁鐵、上導(dǎo)磁體、下導(dǎo)磁體、銜鐵、控制線圈、彈簧管等組成。銜鐵固定在彈簧管上端，由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置，可繞彈簧管的轉(zhuǎn)動(dòng)中心作微小的轉(zhuǎn)動(dòng)。銜鐵兩端與上、下導(dǎo)磁體(磁極)形成四個(gè)工作氣隙①、②、⑤、①。兩個(gè)控制線圈套在銜鐵之上。上、下導(dǎo)磁體除作為磁極外，還為永久磁鐵產(chǎn)生的極化磁通和控制線圈產(chǎn)生的控制磁通提供磁路。永磁動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)的工作原理

力矩馬達(dá)磁路原理圖

三、

永磁動(dòng)圈式力馬達(dá)圖示為永磁動(dòng)式力馬達(dá)的結(jié)構(gòu)原理。力馬達(dá)的可動(dòng)線圈懸置于作氣隙中，永久磁鐵在工作氣隙中形成極化磁通，當(dāng)控制電流加到線圈上時(shí)，線圈就會(huì)受到電磁力的作用而運(yùn)動(dòng)。四、動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)與動(dòng)圈式力矩馬達(dá)的比較1)動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)因磁滯影響而引起的輸出位移滯后比動(dòng)圈式力馬達(dá)大。2)動(dòng)圈式力馬達(dá)的線性范圍比動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)寬。因此．動(dòng)圈式力馬達(dá)的工作行程大，而動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)的工作行程小。3)在同樣的慣性下，動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)的輸出力矩大，而動(dòng)圈式力馬達(dá)的輸出力小。動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)因輸出力矩大，支承彈簧剛度可以取得大，使銜鐵組件的固有頻率高，而力馬達(dá)的彈簧剛度小，動(dòng)圈組件的固有頻率低。4)減小工作氣隙的長(zhǎng)度可提高動(dòng)圈式力馬達(dá)和動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)的靈敏度。但動(dòng)圈式力馬達(dá)受動(dòng)圈尺寸的限制，而動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)受靜不穩(wěn)定的限制。5)在相同功率情況下，動(dòng)圈式力馬達(dá)比動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)體積大，但動(dòng)圈式力馬達(dá)的造價(jià)低。7.3力反饋兩級(jí)伺服閥一、工作原理無控制電流時(shí)，銜鐵由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置，擋板也處于兩個(gè)噴嘴的中間位置，滑閥閥芯在反饋桿小球的約束下處于中位，閥無液壓輸出。當(dāng)有差動(dòng)控制電流輸入時(shí)．在銜鐵上產(chǎn)生逆時(shí)針方向的電磁力矩，使銜鐵擋板組件繞彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)中心逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)，彈簧管和反饋桿產(chǎn)生變形，擋板偏離中位。這時(shí)，噴嘴擋板閥右間隙減小而左間隙增大，引起滑閥左腔控制壓力增大，右腔控制壓力減小，推動(dòng)滑閥閥芯左移。同時(shí)帶動(dòng)反饋桿端部小球左移，使反饋桿進(jìn)一步變形。當(dāng)反饋桿和彈簧管變形產(chǎn)生的反力矩與電磁力矩相平衡時(shí)，銜鐵擋板組件便處于一個(gè)平衡位旨。在反饋桿端部左移進(jìn)一步變形時(shí)，使擋板的偏移減小，趨于中位。這使左腔控制壓力又降低，右腔控制壓力增高，當(dāng)閥芯兩端的液壓力與反饋桿變形對(duì)閥芯產(chǎn)生的反作用力以及滑閻的液動(dòng)力相平衡時(shí)，閥芯停止運(yùn)動(dòng)，其位移與控制電流成比例。在負(fù)載壓差—定時(shí)，閥的輸出流量也與控制電流成比例。所以這是一種流量控制伺服閥。1―噴嘴2―噴嘴3―固定節(jié)流孔4―固定節(jié)流孔5―第二級(jí)滑閥閥芯6―永磁體7―銜鐵8―電磁線圈9―彈簧管10―反饋彈簧二、基本方程與方框圖力矩馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)方程包括基本電壓方程，銜鐵和擋板組件的運(yùn)動(dòng)方程，擋板位移于轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，噴嘴擋板至滑閥的傳遞函數(shù)，閥控液壓缸的傳遞函數(shù)，以及作用在擋板上的壓力反饋方程，根據(jù)這些方程可以畫出電液伺服閥的方框圖。伺服閥系統(tǒng)方塊圖三、力反饋伺服閥的傳遞函數(shù)給出的傳遞函數(shù)是一個(gè)慣性加振蕩的環(huán)節(jié)，重點(diǎn)介紹近似的傳遞函數(shù)：在大多數(shù)電液伺服系統(tǒng)中，伺服閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)往往高于動(dòng)力元件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)持性分析與設(shè)計(jì)，伺服閥的傳遞函數(shù)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，一般可用二階振蕩環(huán)節(jié)表示。如果伺服閥二階環(huán)節(jié)的固有頻率高于動(dòng)力元件的固有頻率，伺服閥傳遞函數(shù)還可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，當(dāng)伺服閥的固有頻率遠(yuǎn)大于動(dòng)力元件的固有頻率，伺服閥可看成比例環(huán)節(jié)。數(shù)學(xué)模型若伺服閥相位滯后-90o頻率高于液壓控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性頻率3倍至5倍

若伺服閥相位滯后-90o頻率與液壓控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性頻率接近

若伺服閥相位滯后-90o頻率高于液壓控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性頻率5倍以上，可以忽略電液伺服閥動(dòng)態(tài)特性，即7.4直接反饋兩級(jí)滑閥式伺服閥1―閥體2―固定節(jié)流孔3―第二級(jí)滑閥閥芯4―固定節(jié)流孔5―第一級(jí)滑閥閥芯

6，7―定位彈簧7.5其它型式伺服閥一、射流管力反饋流量電液伺服閥1—供油管2—永磁體3—銜鐵

4—射流管5—電磁線圈6—彈簧管7—接收器8—反饋彈簧9—滑閥射流管力反饋電液伺服閥是一種高抗工作液污染，安全性好，低壓性能優(yōu)良的電液伺服閥。二、射流管式兩級(jí)電液伺服閥

照?qǐng)D說明射流管式伺服閥的原理。射流管由力矩馬達(dá)帶動(dòng)偏轉(zhuǎn)。射流管焊接于銜鐵上，并由薄壁彈簧片支承。液壓油通過柔性的供壓管進(jìn)入射流管．從射流管噴射出的液壓油進(jìn)入與滑閥兩端控制腔分別相通的兩個(gè)接收孔中，推動(dòng)閥芯移動(dòng)。射流管的側(cè)面裝有彈簧板板及反饋彈簧絲．共末端插入閥從中的小槽內(nèi)，閥芯移動(dòng)推動(dòng)反饋彈簧絲．構(gòu)成對(duì)力矩馬達(dá)的力反饋。力矩馬達(dá)借助于薄壁彈簧片實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓部分的密封隔離。二、三級(jí)流量電液伺服閥三級(jí)電液流量伺服閥是為了滿足大功率和特大功率負(fù)載驅(qū)動(dòng)與控制需要。采用二級(jí)電液流量伺服閥作為前置級(jí)控制元件，控制大功率圓柱滑閥（大直徑閥芯滑閥）閥芯位移。從而能夠控制大流量（如500-1000L/min），甚至控制特大流量。1—位移傳感器2—控制電路板3—電纜4—二級(jí)電液伺服閥5—第三級(jí)滑閥閥體線性力馬達(dá)位移傳感器內(nèi)嵌控制電路板三、直驅(qū)閥直驅(qū)閥（directdrivevalve,DDV）也稱直驅(qū)伺服―比例伺服閥(directdriveservo-proportionalvalve)，它是一類新型的控制閥，主要用于建構(gòu)電液反饋控制系統(tǒng)。性能明顯優(yōu)于比例電磁換向閥（既明顯優(yōu)于內(nèi)部無反饋比例電磁換向閥，也明顯優(yōu)于內(nèi)部有反饋的比例電磁換向閥）。7.6特性及主要性能指標(biāo)一、靜態(tài)特性電液流量伺服閥的靜態(tài)性能，可根據(jù)測(cè)試所得到負(fù)載流量特性、空載流量特性、壓力特性、內(nèi)泄漏特性等曲線等性能指標(biāo)加以評(píng)定。包括1、負(fù)載流量特性2、壓力特性3、內(nèi)泄漏特性4、負(fù)載流量特性伺服閥的規(guī)格也可由額定流量、額定電流、額定壓力來確定。額定流量（ratedflow）：額定電流和額定壓力下，伺服閥流量輸出。額定電流（ratedcurrent）：為產(chǎn)生額定流量，對(duì)線圈任意極性輸入控制電流，通常指單線圈連接。工作壓力（Operatingpressure）:一般給出最大工作壓力（Maxoperatingpressure）和回油壓力(Returnflowpressure)滯環(huán)（Hysteresis）(%)：為產(chǎn)生額定流量，對(duì)線圈任意極性輸入控制電流，通常指單線圈連接。分辨率（Resolution）（Responsesensitivity）零偏（Nullbias）零漂（Nullshift）：供油壓力零漂（Nullshift

withsupplypressure）；回油壓力零漂（Nullshift