汽車液壓控制系統(tǒng) 課件 第六章 電液伺服閥

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。在電液伺服系統(tǒng)中,電液伺服閥將系統(tǒng)的電氣部分與液壓部分連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)電、液信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大以及對(duì)液壓執(zhí)行元件的控制。電液伺服閥是電液伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,它的性能及正確使用,直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度,也直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性和壽命。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)中得到廣泛應(yīng)用。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。力矩馬達(dá)或力馬達(dá)的作用是把輸入的電氣控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為力矩或力,控制液壓放大器運(yùn)動(dòng)。液壓放大器的運(yùn)動(dòng)又去控制液壓能源流向液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量或壓力。在二級(jí)或三級(jí)電液伺服閥中,通常采用反饋機(jī)構(gòu)將輸出級(jí)(功率級(jí))的閥芯位移、或輸出流量、或輸出壓力,以位移、力或電信號(hào)的形式反饋到第一級(jí)或第二級(jí)的輸入端,也有反饋到力矩馬達(dá)銜鐵組件或力矩馬達(dá)輸入端的。平衡機(jī)構(gòu)一般用于單級(jí)伺服閥或二級(jí)彈簧對(duì)中式伺服閥。平衡機(jī)構(gòu)通常采用各種彈性元件,是一個(gè)力位移轉(zhuǎn)換元件。伺服閥輸出級(jí)所采用的反饋機(jī)構(gòu)或平衡機(jī)構(gòu)是為了使伺服閥的輸出流量或輸出壓力獲得與輸入電氣控制信號(hào)成比例的特性。由于反饋機(jī)構(gòu)的存在,使伺服閥本身成為一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng),提高了伺服閥的控制性能。二、電液伺服閥的分類1.按液壓放大器的級(jí)數(shù)分類可分為單級(jí)、兩級(jí)、三級(jí)電液伺服閥。2.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。3.按反饋形式分類可分為滑閥位置反饋、負(fù)載流量反饋和負(fù)載壓力反饋三種。所采用的反饋形式不同,伺服閥的穩(wěn)態(tài)壓力-流量特性也不同,如圖6-1所示。4.按力矩馬達(dá)是否浸泡在油中分類按力矩馬達(dá)是否浸泡在油中可分為濕式和干式兩種。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。一、力矩馬達(dá)的分類及要求1.力矩馬達(dá)的分類(1)按可動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式可分為:直線位移式和角位移式,前者稱為馬達(dá),后者稱為力矩馬達(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。(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(1)能夠產(chǎn)生足夠的輸出力和行程,同時(shí)體積小、質(zhì)量輕。(2)動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)速度快。(3)直線性好、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、永磁動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)1.力矩馬達(dá)的工作原理圖6-2所示為種常用的永磁動(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。2.力矩馬達(dá)的電磁力矩通過(guò)力矩的磁路分析可以求出電磁力矩的計(jì)算公式。假定力矩馬達(dá)的兩個(gè)控制線圈由一個(gè)放大器供電,如圖6-2所示。當(dāng)放大器有輸入

時(shí),將使一個(gè)控制線圈中的電流增加,另一個(gè)控制線圈中的電流減少,兩個(gè)線圈中的電流分別為兩個(gè)線圈中的差動(dòng)電流為圖6-3a)所示為力矩馬達(dá)的磁路原理圖。假定磁性材料的非工作氣隙的磁阻可以忽略不計(jì),只考慮四個(gè)工作氣隙的磁阻,則力矩馬達(dá)的磁路可用圖6-3b)所示的等效磁路表示。當(dāng)銜鐵處于中位時(shí),每個(gè)工作氣隙的磁阻為銜鐵偏離中位時(shí)的氣隙磁阻為由于磁路是對(duì)稱的橋式磁路,故通過(guò)對(duì)角線氣隙的磁通是相等的。對(duì)包含氣隙①、③、極化磁動(dòng)勢(shì)Mp

和控制磁動(dòng)勢(shì)

的閉合回路,應(yīng)用磁路的基爾霍夫第二定律可得氣隙①、③的合成磁通為對(duì)氣隙②、④可得合成磁通為利用銜鐵在中位時(shí)的極化磁通

的控制磁通

來(lái)表示Mp

和

更為方便,此時(shí)式(6-7)、式(6-8)可寫成銜鐵在磁場(chǎng)中所受電磁吸力可按麥克斯韋公式計(jì)算,即由控制磁通和極化磁通相互作用在銜鐵上產(chǎn)生的電磁力矩為式中,是銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)中心到磁極面中心的距離,F1、F4

是氣隙①、④外的電磁吸力?？紤]到氣隙②、③外也產(chǎn)生同樣的電磁力矩,所以乘以2倍。根據(jù)式(6-13),電磁力矩可進(jìn)一步寫成將式(6-9)和式(6-10)代入上式,并考慮到銜鐵轉(zhuǎn)角

很小,故有有

則上式可以寫為從式(6-15)可以看出,力矩馬達(dá)的輸出力矩具有非線性。為了改善線性度和防止銜鐵被永久磁鐵吸附,力矩馬達(dá)一般都設(shè)計(jì)成

即(x和

。則式(6-15)可簡(jiǎn)化為式中,KtΔi是銜鐵在中位時(shí),由控制電流Δi產(chǎn)生的電磁力矩,稱為中位電磁力矩。Kmθ是由于銜鐵偏離中位時(shí),氣隙發(fā)生變化而產(chǎn)生的附加電磁力矩,它使銜鐵近一步偏離中位。這個(gè)力矩與轉(zhuǎn)角成比例,相似于彈簧的特性,稱為電磁彈簧力矩。在進(jìn)行力矩馬達(dá)電路分析時(shí),將要用到銜鐵上的磁通,在此先求出銜鐵上的磁通表達(dá)式。在圖6-3中,對(duì)分支點(diǎn)A或B應(yīng)用磁路基爾霍夫第一定律可得銜鐵磁通為將式(6-9)和式(6-10)代入上式,整理后得三、永磁動(dòng)圈式力馬達(dá)圖6-4所示是一種常見(jiàn)的永磁動(dòng)圈式力馬達(dá)的結(jié)構(gòu)原理圖。由于電流方向與磁通方向垂直,根據(jù)載流導(dǎo)體在均勻磁場(chǎng)中所受電磁力分工,可得力馬達(dá)線圈所受電磁力為四、動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)與動(dòng)圈式力馬達(dá)的比較動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)與動(dòng)圈式力馬達(dá)相比較有:(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,支撐彈簧剛度可以取得大,使銜鐵組件固有頻率高,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。綜上所述,在要求頻率高、體積小、質(zhì)量輕的場(chǎng)合,多采用動(dòng)鐵力矩馬達(dá),而在尺寸要求不嚴(yán)格、頻率要求不高,又希望價(jià)格低的場(chǎng)合,往往采用動(dòng)圈式力馬達(dá)。力反饋兩級(jí)電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理圖如圖6-5所示,這是目前廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)形式。一、工作原理無(wú)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(wú)液壓輸出。當(dāng)有差動(dòng)控制電流Δi=i1-i2輸入時(shí),在銜鐵上產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻碾姶帕?使銜鐵擋板組件繞彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)中心逆時(shí)針?lè)较蚱D(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,引起滑閥右腔控制壓力p2p

增大,左腔控制壓力p1p

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)平衡位置。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。這使控制壓力p2p又降低,p1p又增高,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閥的液動(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)載壓差一定時(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。這種伺服閥由于銜鐵和擋板均在中位附近工作,所以線性好。對(duì)力矩馬達(dá)的線性要求也不高,可以允許滑閥有較大的工作行程。二、基本方程與框圖(一)力矩馬達(dá)運(yùn)動(dòng)方程力矩馬達(dá)工作時(shí)包含兩個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,一個(gè)是電的動(dòng)態(tài)過(guò)程,另一個(gè)是機(jī)械的動(dòng)態(tài)過(guò)程。電的動(dòng)態(tài)過(guò)程可用電路的基本電壓方程表示,機(jī)械的動(dòng)態(tài)過(guò)程可用銜鐵擋板組件的運(yùn)動(dòng)方程表示。1.基本電壓方程參看圖6-2。推挽工作時(shí),輸入每個(gè)線圈的信號(hào)電壓為每個(gè)線圈回路的電壓平衡方程為由式(6-23)減去式(6-24),并將式(6-22)和式(6-3)代入,則得這就是力矩馬達(dá)電路的基本電壓方程。它表明,經(jīng)放大器放大后的控制電壓2Kuu一部分消耗在線圈電阻和放大器內(nèi)阻上,另一部分用來(lái)克服銜鐵磁通變化在控制線圈中所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。將銜鐵磁通表達(dá)式(6-20)代入式(6-25),得力矩馬達(dá)電路基本電壓方程的最后形式,即其拉氏變換式為方程式左邊為放大器加在線圈上的總控制電壓,右邊第一項(xiàng)為電阻上的電壓降,第二項(xiàng)為銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)在線圈內(nèi)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì),第三項(xiàng)是線圈內(nèi)電流變化所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),它包括線圈的自感和兩個(gè)線圈之間的互感。由于兩個(gè)線圈對(duì)信號(hào)電流i來(lái)說(shuō)是串聯(lián)的,并且是緊密耦合的,因此互感等于自感。所以每個(gè)線圈的總電感為2Lc。式(6-26)可以改寫為銜鐵擋板組件受力情況如圖6-6所示。作用在擋板上的液流力對(duì)銜鐵擋板組件產(chǎn)生的負(fù)載力矩為反饋桿變形對(duì)銜鐵擋板組件產(chǎn)生的負(fù)載力矩為將式(6-31)~式(6-34)合并,經(jīng)拉氏變換得銜鐵擋板組件的運(yùn)動(dòng)方程為式(6-35)可改寫為(二)擋板位移與銜鐵轉(zhuǎn)角的關(guān)系擋板位移與銜鐵轉(zhuǎn)角的關(guān)系為(三)噴嘴擋板至滑閥的傳遞函數(shù)忽略閥芯移動(dòng)所受到的黏性阻尼力、穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和反饋桿彈簧力,則擋板位移至滑閥位移的傳遞函數(shù)為(四)閥控液壓缸的傳遞函數(shù)在式(6-38)中包含有噴嘴擋板閥的負(fù)載壓力pLp,其大小與滑閥受力情況有關(guān)為簡(jiǎn)單起見(jiàn),動(dòng)力元件的負(fù)載只考慮慣性,則閥芯位移至液壓缸位移的傳遞函數(shù)為(五)作用在擋板上的壓力反饋略去滑閥閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的黏性阻尼力和反饋桿彈簧力,只考慮閥芯的慣性力和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力,則噴嘴擋板閥的負(fù)載壓力為上式中的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力是pL

和

兩個(gè)變量的函數(shù),需將上式在

和pLo處線性化。因液壓缸的負(fù)載為純慣性,所以在穩(wěn)態(tài)時(shí)的pLo=0,則得線性化增量方程的拉氏變換形式為滑閥負(fù)載壓力為由式(6-29)、式(6-28)、式(6-41)~式(6-45)可畫出力反饋兩級(jí)電液伺服閥的框圖,如圖6-7所示。三、力反饋伺服閥的穩(wěn)定性分析1.力反饋回路的穩(wěn)定性分析力反饋兩級(jí)伺服閥的性能主要由力反饋回路決定。由圖6-7可見(jiàn),力反饋回路包含力矩馬達(dá)和滑閥兩個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。首先求出力矩馬達(dá)小閉環(huán)的傳遞函數(shù)。為避免伺服放大器特性對(duì)伺服閥特性的影響,通常采用電流負(fù)反饋伺服放大器,以使控制線圈回路的轉(zhuǎn)折頻率ωa

很高，

，則力矩馬達(dá)小閉環(huán)的傳遞函數(shù)為滑閥的固有頻率ωhp很高,ωhp>>ωmf,故滑閥動(dòng)態(tài)可以忽略。簡(jiǎn)化后的力反饋回路框圖如圖6-8所示。力反饋回路的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為這是個(gè)Ⅰ型伺服回路。根據(jù)式(6-47)可畫出力反饋的開(kāi)環(huán)伯德圖,如圖6-9所示?；芈反┰筋l率ωc近似等于開(kāi)環(huán)放大系數(shù)KVf,即ωc≈KVf。力反饋回路的穩(wěn)定條件為ωmf處的諧振峰值不能超過(guò)零分貝線,即在設(shè)計(jì)時(shí)可取這一關(guān)系具有充分的穩(wěn)定儲(chǔ)備。2.壓力回路的穩(wěn)定性由圖6-7可見(jiàn),作用在擋板上的壓力反饋回路,是由滑閥位移和執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載變化形成的。首先求出壓力反饋回路前向通道的傳遞函數(shù)的增益,為此需求出力反饋回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖6-8可求力反饋回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)為通常KVf<<ωmf,一階慣性環(huán)節(jié)在ωmf

處的衰減對(duì)ωmf

處的諧振峰值有一定的抵消作用,則Φ2(s)的最大增益可近似為由于

所以mV

可以忽略不計(jì);又因?yàn)?/p>

前向通道與反饋通道最大增益的乘積即是整個(gè)壓力反饋回路的最大增益。為了確保壓力反饋回路的穩(wěn)定性,并使壓力反饋回路的影響可以忽略不計(jì),應(yīng)滿足以下條件:四、力反饋伺服閥的傳遞函數(shù)在一般情況下,ωa>>ωhp>>ωmf,力矩馬達(dá)控制線圈的動(dòng)態(tài)和滑閥的動(dòng)態(tài)可以忽略。作用在擋板上的壓力反饋的影響比力反饋小得多,壓力反饋回路也可以忽略。這樣,力反饋伺服閥的框圖可簡(jiǎn)化成圖6-10所示的形式。伺服閥的簡(jiǎn)化框圖圖6-10與圖6-8相比較,只是增加了放大器和力矩馬達(dá)的增益

。因此,由式(6-51)可以得到力反饋伺服閥的傳遞函數(shù)為伺服閥通常以電流

作輸入?yún)⒘?以空載流量

作輸出參量。此時(shí),伺服閥的傳遞函數(shù)可表示為在大多數(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)特性分析與設(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)。二階近似的傳遞函數(shù)可由下式估計(jì):在由式(6-53)計(jì)算或由實(shí)驗(yàn)得到的相頻特性曲線上,取相位滯后90°所對(duì)應(yīng)的頻率作為ωSV。阻尼比ζSV可由兩種方法求得:(1)根據(jù)二階環(huán)節(jié)的相頻特性公式,即由頻率特性曲線求出每一相角φ

所對(duì)應(yīng)的ζSV值,然后取平均值。(2)由自動(dòng)控制原理可知,對(duì)各種不同的ζ

值,有一條對(duì)應(yīng)的相頻特性曲線。將伺服閥的相頻特性曲線與此對(duì)照,通過(guò)比較確定ζSV值。一階近似的傳遞函數(shù)可由下式估計(jì):五、力反饋伺服閥的頻寬在力反饋伺服閥的閉環(huán)傳遞函數(shù)式(6-51)中,由于KVf是最低的轉(zhuǎn)折頻率,所以力反饋伺服閥的頻寬主要由KVf決定。下面根據(jù)頻寬的定義近似估計(jì)伺服閥的頻寬。設(shè)電液伺服閥輸入的差動(dòng)電流

為正弦信號(hào),閥芯位移也按正弦規(guī)律運(yùn)動(dòng),即由式(6-58)可得閥芯的運(yùn)動(dòng)速度為根據(jù)圖6-10,可近似求得擋板峰值位移Xf。當(dāng)伺服閥工作頻率ω

大于穿越頻率ωc

時(shí),由于開(kāi)環(huán)增益很低,圖6-10中的反饋可以忽略。此時(shí)偏差信號(hào)ε=KtΔI0sinωt,忽略力矩馬達(dá)動(dòng)態(tài),則有將上式代入式(6-59),得伺服閥頻寬的近似表達(dá)式為穩(wěn)態(tài)時(shí),由圖6-10得將上式代入式(6-60),得再引入式(6-48),得上式表明,若已知電液伺服閥的開(kāi)環(huán)增益KVf,就可以估算出伺服閥的幅頻寬ωb。當(dāng)Xf=Xf0時(shí),由式(6-59)可得到伺服閥的極限頻寬為

由式(6-48)可知,為了提高KVf,應(yīng)減小綜合剛度Kmf。在設(shè)計(jì)時(shí)可使銜鐵擋板的凈剛度Kna=0,即作用在擋板上的液動(dòng)力剛度一般很小,可以忽略不計(jì)。這樣,彈簧管剛度Ka與磁彈簧剛度Km近似相等,銜鐵擋板組件剛好處在靜穩(wěn)定的邊緣上。當(dāng)力矩馬達(dá)裝入伺服閥后,反饋桿剛度Kf

就成為主要的彈簧剛度。當(dāng)Kan=0時(shí),由式(6-48)可得六、力反饋伺服閥的靜態(tài)特性在穩(wěn)態(tài)情況下,由圖6-10可得伺服閥的功率級(jí)一般采用零開(kāi)口四邊滑閥,故伺服閥的流量方程為七、力反饋伺服閥的設(shè)計(jì)計(jì)算伺服閥的設(shè)計(jì)一般是從給定的流量、壓力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等性能要求出發(fā),從滑閥放大器的計(jì)算開(kāi)始往前推到力矩馬達(dá)。這個(gè)過(guò)程是反復(fù)進(jìn)行的,直到得出一組匹配的參數(shù)為止。設(shè)計(jì)所得的參數(shù)應(yīng)保證伺服閥穩(wěn)定工作,壓力反饋回路可以忽略,并滿足靜、動(dòng)態(tài)性能的要求。在設(shè)計(jì)中,有些參數(shù)和幾何尺寸可參考同類產(chǎn)品初步選定。下面舉一個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算的例子。(一)滑閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定根據(jù)滑閥流量方程可求出閥的最大開(kāi)口面積,即故不能采用全周開(kāi)口。取閥芯直徑d=5×10-3m,閥桿直徑dr=3×10-3m。按

驗(yàn)算流量飽和情況,滿足要求。(二)噴嘴擋板閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定根據(jù)設(shè)計(jì)要求,并考慮留有一定的余地,取噴嘴擋板閥的零位泄漏流量qc=0.45L/min。根據(jù)式(6-63)可計(jì)算出伺服閥的極限頻寬為由式(6-59)和式(6-63)可知擋板的工作范圍為伺服閥內(nèi)部油液過(guò)濾精度為20μm,為保證噴嘴擋板閥可靠工作,xf0應(yīng)大于25μm,取xf0=0.03×10-3m。則噴嘴擋板閥的流量增益為噴嘴擋板閥回油溢流腔保持一定壓力,可以改善噴嘴擋板間的工作條件,穩(wěn)定流量系數(shù),對(duì)抵制伺服閥回油零漂和工作平穩(wěn)有利。通常取回油溢流腔壓力pr=20×105Pa左右,本設(shè)計(jì)取pr=23×105Pa。由流量增益表達(dá)式可求出噴嘴孔直徑為取噴嘴與固定節(jié)流孔的液導(dǎo)比,則

取,于是固定節(jié)流孔直徑為為了產(chǎn)生背壓pr,在回油溢流腔與回油口之間設(shè)置節(jié)流孔。通過(guò)回油節(jié)流孔的流量為qc,則節(jié)流孔的直徑為(三)力矩馬達(dá)設(shè)計(jì)計(jì)算1.根據(jù)伺服閥的頻寬要求確定力矩馬達(dá)固有頻率ωmf根據(jù)伺服閥的頻寬要求,由式(6-62)求出開(kāi)環(huán)增益,即由式(6-50)確定力矩馬達(dá)的固有頻率為2.計(jì)算反饋桿剛度Kf參考已有結(jié)構(gòu),選取結(jié)構(gòu)參數(shù)由式(6-39)得力矩馬達(dá)綜合剛度為由式(6-48)可求出反饋桿剛度,即3.計(jì)算力矩馬達(dá)力矩系數(shù)Kt由式(6-65)求得一、結(jié)構(gòu)及工作原理動(dòng)圈式直接位置反饋兩級(jí)滑閥式電液伺服閥如圖6-11所示。該閥由動(dòng)圈式力馬達(dá)和兩級(jí)滑閥式液壓放大器組成。前置級(jí)是帶兩個(gè)固定節(jié)流孔的四通閥(雙邊滑閥),功率級(jí)是零開(kāi)口四邊滑閥。功率級(jí)閥芯也是前置級(jí)的閥套,構(gòu)成直接位置反饋當(dāng)信號(hào)電流輸入力馬達(dá)線圈時(shí),線圈上產(chǎn)生的電磁力使前置級(jí)閥芯移動(dòng),假定閥芯向上移動(dòng)x,此時(shí)上節(jié)流口開(kāi)大,下節(jié)流口關(guān)小。從而使功率級(jí)滑閥上控制腔壓力減小,而下控制腔壓力增大,功率級(jí)閥芯上移。當(dāng)功率級(jí)閥芯位移xV=x時(shí)停止移動(dòng),功率級(jí)滑閥開(kāi)口量為xV,使閥輸出流量。二、動(dòng)圈式兩級(jí)滑閥伺服閥的框圖動(dòng)圈式力馬達(dá)控制線圈的電壓平衡方程為式(6-67)等號(hào)左邊為放大器加在控制線圈上的信號(hào)電壓。等號(hào)右邊第一項(xiàng)是在電阻上的電壓降,第二項(xiàng)是電流變化時(shí)在控制線圈中產(chǎn)生的自感反電動(dòng)勢(shì),第三項(xiàng)是線圈在極化磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。式(6-67)的拉氏變換式可寫成線圈組件的力平衡方程為作用在線圈組件上的負(fù)載力FL為第一級(jí)滑閥的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力,可以忽略不計(jì)。則式(6-69)可以寫成前置級(jí)滑閥的負(fù)載為功率級(jí)滑閥的質(zhì)量和液動(dòng)力,忽略液動(dòng)力的影響,其傳遞函數(shù)為由式(6-68)、式(6-70)~式(6-72)可畫出直接位置反饋滑閥式伺服閥的框圖,如圖6-12所示。直接位置反饋滑閥式伺服閥的簡(jiǎn)化框圖如圖6-13所示。三、動(dòng)圈式兩級(jí)滑閥伺服閥的傳遞函數(shù)伺服閥的穩(wěn)定性取決于直接位置反饋回路的穩(wěn)定性,穩(wěn)定條件為參考力反饋兩級(jí)伺服閥傳遞函數(shù)的簡(jiǎn)化方法,直接位置反饋回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)可寫成因?yàn)棣豩p比較高,不會(huì)限制閥的頻寬,因此可以忽略。則直接位置反饋兩級(jí)滑閥式伺服閥的傳遞函數(shù)可寫為一、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)泄漏特性等曲線和性能指標(biāo)加以評(píng)定。1.負(fù)載流量特性(壓力-流量特性)負(fù)載流量特性曲線如圖6-14所示,它完全描述了伺服閥的靜態(tài)特性。伺服閥的規(guī)格也可以由額定電流In、額定壓力pn、額定流量qn

來(lái)表示。(1)額定電流In:為產(chǎn)生額定流量對(duì)線圈任一極性所規(guī)定的輸入電流(不包括零偏電流),以A為單位。規(guī)定額定電流時(shí),必須規(guī)定線圈的連接形式。額定電流通常指單線圈連接、并聯(lián)連接或差動(dòng)連接而言。當(dāng)串聯(lián)連接時(shí),其額定電流為上述額定電流的一半。(2)額定壓力pn:額定工作條件時(shí)的供油壓力,或稱額定供油壓力,以Pa

為單位。(3)額定流量qn:在規(guī)定的閥壓降下,對(duì)應(yīng)于額定電流的負(fù)載流量,以m3/s

為單位。通常,在空載條件下規(guī)定伺服閥的額定流量,此時(shí)閥壓降等于額定供油壓力,也可以在負(fù)載壓降等于2/3供油壓力的條件下規(guī)定額定流量,這樣規(guī)定的額定流量對(duì)應(yīng)閥的最大功率輸出點(diǎn)。2.空載流量特性空載流量曲線(簡(jiǎn)稱流量曲線)是輸出流量與輸入電流呈回環(huán)狀的函數(shù)曲線,如圖6-15所示。2.空載流量特性空載流量曲線(簡(jiǎn)稱流量曲線)是輸出流量與輸入電流呈回環(huán)狀的函數(shù)曲線,如圖6-15所示。流量曲線中點(diǎn)的軌跡稱為名義流量曲線。這是零滯環(huán)流量曲線。閥的滯環(huán)通常很小,因此可以把流量曲線的任一側(cè)當(dāng)做名義流量曲線使用。流量曲線上某點(diǎn)或某段的低斜率就是閥在該點(diǎn)或該段的流量增益。從名義流量曲線的零流量點(diǎn)向兩極各作一條與名義流量曲線偏差為最小的直線,這就是名義流量增益線,如圖6-16所示。兩個(gè)極性的名義流量增益線斜率的平均值就是名義流量增益,以m3/s·A為單位。伺服閥的額定流量與額定電流之比稱為額定流量增益。流量曲線非常有用,它不僅給出閥的極性、額定空載流量、名義流量增益,而且從中還可以得到閥的線性度、對(duì)稱度、滯環(huán)、分辨率,并揭示閥的零區(qū)特性。(1)線性度:流量伺服閥名義流量曲線的直線性。以名義流量曲線與名義流量增益線的偏差電流值與額定電流的百分比表示,如圖6-16所示。線性度通常小于7.5%。(2)對(duì)稱度:閥的兩個(gè)極性的名義流量增益的一致程度。用兩者之差對(duì)較大者的百分比表示,如圖6-16所示。對(duì)稱度通常小于10%。(3)滯環(huán):在流量曲線中,產(chǎn)生相同輸出流量的往、返輸入電流的最大差值與額定電流的百分比,如圖6-15所示。伺服閥的滯環(huán)一般小于5%。滯環(huán)產(chǎn)生的原因,一方面是力矩馬達(dá)磁路的磁滯,另一方面是伺服閥中的游隙。磁滯回環(huán)的寬度隨輸入信號(hào)的大小而變化。當(dāng)辦公設(shè)備信號(hào)減小時(shí),磁滯回環(huán)的寬度將減小。游隙是由于力矩馬達(dá)中機(jī)械固定處的滑動(dòng)以及閥芯與閥套間的摩擦力產(chǎn)生的。如果油是臟的,則游隙會(huì)大大增加,有可能使伺服系統(tǒng)不穩(wěn)定。(4)分辨率:使閥的輸出流量發(fā)生變化所需的輸入電流的最小變化值與額定電流的百分比。通常分辨率規(guī)定為從輸出流量的增加狀態(tài)回復(fù)到輸出流量減小狀態(tài)所需之電流最小變化值與額定電流之比。伺服閥的分辨率一般小于1%。分辨率主要由伺服閥中的靜摩擦力引起。(5)重疊:伺服閥的零位是指空載流量為零的幾何零位。伺服閥經(jīng)常在零位附近工作,因此零區(qū)特性特別重要。零位區(qū)域是輸出級(jí)的重疊對(duì)流量增益起主要影響的區(qū)域。伺服閥的重疊用兩極名義流量曲線近似直線部分的延長(zhǎng)線與零流量線相交的總間隔與額定電流的百分比表示,如圖6-17所示。伺服閥的重疊分三種情況,即零重疊、正重疊和負(fù)重疊。(6)零偏:為使閥處于零位所需的輸入電流值(不計(jì)閥的滯環(huán)的影響),以額定電流的百分比表示,如圖6-15所示。零偏通常小于3%。3.壓力特性壓力特性曲線是輸出流量為零(兩個(gè)負(fù)載油口關(guān)閉)時(shí),負(fù)載壓降與輸入電流呈回環(huán)狀的函數(shù)曲線,如圖6-18所示。負(fù)載壓力對(duì)輸入電流的閥的壓力增益通常規(guī)定為最大負(fù)載壓降的-40%~40%之間,負(fù)載壓降對(duì)輸入電流曲線的平均斜率如圖6-18所示。壓力增益指標(biāo)為輸入1%的額定電流時(shí),負(fù)載壓降應(yīng)超過(guò)30%的額定工作壓力。內(nèi)泄漏流量是負(fù)載流量為零時(shí),從回油口流出的總流量,以m3/s為單位。內(nèi)泄漏流量隨輸入電流而變化,如圖6-19所示。當(dāng)閥處于零位時(shí),內(nèi)泄漏流量(零位內(nèi)泄漏流量)最大。對(duì)兩極伺服閥而言,內(nèi)泄漏流量由前置級(jí)的泄漏流量qp0和功率級(jí)泄漏流量q1

組成。功率滑閥的零位泄漏流量qc

與供油壓力ps之比可作為滑閥的流量-壓力系數(shù)。零位泄漏流量對(duì)新閥可作為滑閥制造質(zhì)量的指標(biāo),對(duì)舊閥可反映滑閥的磨損情況。5.零漂零漂是工作條件或環(huán)境變化所導(dǎo)致的零偏變化,以其對(duì)額定電流的百分比表示。通常規(guī)定有供油壓力零漂、回油壓力零漂、溫度零漂、零值電流零漂等。(1)供油壓力零漂:供油壓力在70%~100%額定供油壓力的范圍內(nèi)變化時(shí),零漂小于2%。(2)回油壓力零漂:回油壓力在0~20%額定供油壓力的范圍內(nèi)變化時(shí),零漂應(yīng)小于2%。(3)溫度零漂:工作油溫每變化40℃時(shí),零漂小于2%。(4)零值電流零漂:零值電流在0~100%額定電流范圍內(nèi)變化時(shí),零漂小于2%。二、動(dòng)態(tài)特性電液伺服閥的動(dòng)態(tài)特性可用頻率響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)表示,一般用頻率響應(yīng)表示。電液伺服閥的頻率響應(yīng)是輸入電流在某一頻率范圍內(nèi)作等幅變頻正統(tǒng)變化時(shí),空載流量與輸入電流的復(fù)數(shù)比。頻率響應(yīng)如圖6-20所示。伺服閥的頻率響應(yīng)隨供油壓力、輸入電流幅值、油溫和其他工作條件而變化。通常在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn),推薦輸入電流的峰值為額定電流的一半(±25%額定電流),基準(zhǔn)(初始)頻率通常為5Hz或10Hz。伺服閥的頻寬通常以幅值比為-3dB(即輸出流量為基準(zhǔn)頻率時(shí)的輸出流量的70.7%)時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率作為幅頻寬,以相位滯后90°時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率作為相頻寬。頻寬是伺服閥響應(yīng)速度的度量。伺服閥的頻寬應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要加以確定,頻寬過(guò)低會(huì)限制系統(tǒng)的響應(yīng)速度,過(guò)高會(huì)使高頻干擾傳到負(fù)載上去。伺服閥的幅值比一般不允許大于+2dB。三、輸入特性1.線圈接法伺服閥有兩個(gè)線圈,可根據(jù)需要采用圖6-21中的任何一種接法。(1)單線圈接法:輸入電阻等于單線圈電阻,線圈電流等于額定電流,電控功率

P=I2nRc。單線圈接法可以減小電感的影響。(2)雙線圈單獨(dú)接法:一只線圈接輸入,另一只線圈可用來(lái)調(diào)偏、接反饋或引入顫振信號(hào)。(3)雙線圈串聯(lián)接法:輸入電阻為單線圈電阻Rc的2倍,額定電流為單線圈時(shí)的一半,電控功率為

串聯(lián)連接的特點(diǎn)是額定電流和電控功率小,但易受電源電壓變動(dòng)的影響。(4)雙線圈并聯(lián)接法:輸入電阻為單線圈電阻的一半,額定電流為單線圈接法時(shí)的額定電流,電控功率

。其特點(diǎn)是工作可靠性高,一只線圈壞了也能工作,但易受電流、電壓變動(dòng)的影響。(5)差動(dòng)接法:差動(dòng)電流等于額定電流,等于2倍的信號(hào)電流,電控功率

。差動(dòng)接法的特點(diǎn)是不易受電子放大器和電壓變動(dòng)的影響。2.顫振為了提高伺服閥的分辨能力,可以在伺服閥的輸入信號(hào)上疊加一個(gè)高頻低幅值的電信號(hào),顫振使伺服閥處在一個(gè)高頻低幅值的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中,這可以減小或消除伺服閥中由于干摩擦所產(chǎn)生的游隙。同時(shí)還可以防止閥的堵塞。但顫振不能減小力矩馬達(dá)磁路所產(chǎn)生的磁滯影響。顫振的頻率和幅度對(duì)其所起的作用都有影響。顫振頻率應(yīng)大大超過(guò)預(yù)計(jì)的信號(hào)頻率,而不應(yīng)與伺服閥或執(zhí)行元件與負(fù)載的諧振頻率相重合。因種種原因這類諧振的激勵(lì)可能引起疲勞破壞或者使所含元件飽和。顫振幅度應(yīng)足夠大以使峰間值剛好填滿游隙寬度,這相當(dāng)于主閥芯運(yùn)動(dòng)2.5μm左右。顫振幅度又不能過(guò)大,以致通過(guò)伺服閥傳到負(fù)載。顫振信號(hào)的波形采用正弦波、三角波或方波,其效果是相同的。一、伺服閥選擇方法根據(jù)液壓執(zhí)行元件所需的最大負(fù)載流量QLm

及最大負(fù)載壓力pLm,計(jì)算伺服閥的閥壓降ΔpV,再根據(jù)QLm、ΔpV,計(jì)算伺服閥樣本對(duì)