機(jī)器人驅(qū)動(dòng)及控制 課件 第5-7章 微型機(jī)器人壓電電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制-機(jī)器人電液伺服驅(qū)動(dòng)及控制

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)及控制第5章微型機(jī)器人壓電電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制●學(xué)習(xí)目標(biāo)了解微型壓電電動(dòng)機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史了解微型壓電電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用掌握微型壓電電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理掌握行波型超聲電機(jī)機(jī)理和運(yùn)行特性掌握行波型超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法了解新構(gòu)型壓電電機(jī)工作原理了解壓電電機(jī)在關(guān)節(jié)機(jī)器人中應(yīng)用01020304050607

傳統(tǒng)電磁電機(jī)由于受工作原理和結(jié)構(gòu)型式限制已無(wú)法滿足微型機(jī)器人所需驅(qū)動(dòng)器具有的能耗低、易于微型化、位移和力輸出較大、動(dòng)作響應(yīng)快、線性控制性能好等技術(shù)要求。

利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)使彈性體產(chǎn)生振動(dòng)的壓電電機(jī)因具有設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、低速大轉(zhuǎn)矩、低噪聲和不產(chǎn)生磁場(chǎng)、也不被外界磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前包括微型機(jī)器人在內(nèi)的機(jī)電驅(qū)動(dòng)和控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。5.1概述壓電電機(jī)不像傳統(tǒng)電磁電機(jī)利用電磁力而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和振動(dòng)來(lái)獲得運(yùn)動(dòng)和力矩，將材料的微觀變形通過(guò)機(jī)械共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子（或動(dòng)子）的旋轉(zhuǎn)（或直線）運(yùn)動(dòng)。壓電電動(dòng)機(jī)定義2025/2/115.1概述5.1.1發(fā)展簡(jiǎn)史

1942年，美國(guó)學(xué)者首次申請(qǐng)了專利，揭示了基本原理，進(jìn)入了電機(jī)研究萌芽階段。

1972年，德國(guó)西門子和日本松下電器公司研制出具有應(yīng)用前景的壓電超聲電動(dòng)機(jī)。

1987年，日本佳能公司將環(huán)狀行波壓電超聲電機(jī)應(yīng)用于相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，標(biāo)志著壓電超聲電動(dòng)機(jī)正式走向?qū)嶋H應(yīng)用階段。

1990年，清華大學(xué)申請(qǐng)了國(guó)內(nèi)首項(xiàng)超聲電機(jī)的發(fā)明專利，從此進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。

1995年，南京航空航天大學(xué)成功研制出首臺(tái)具有應(yīng)用前景的環(huán)形壓電行波超聲電機(jī)。2025/2/11

5.1.2壓電電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)靈活。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于微型化和多樣化。選用合適壓電陶瓷材料和摩擦材料，可在低溫、高溫和真空等極端條件下工作。

環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。沒(méi)有磁極和繞組，利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)、超聲振動(dòng)和摩擦耦合來(lái)轉(zhuǎn)換動(dòng)力；工作時(shí)不產(chǎn)生磁場(chǎng)，也不受外界磁場(chǎng)影響，抗電磁干擾性強(qiáng)。

定位精度高、響應(yīng)速度快。依靠定子產(chǎn)生微米級(jí)振幅來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，響應(yīng)速度快，沒(méi)有游隙和回程間隙，系統(tǒng)可達(dá)到微米級(jí)的定位精度。

低速、大扭矩。不存在減速機(jī)構(gòu)，可直接驅(qū)動(dòng)，提高了傳動(dòng)效率，降低了能耗和傳動(dòng)誤差。單位體積上輸出扭矩較大，一般為傳統(tǒng)電磁電機(jī)的10倍左右。5.1概述2025/2/11

5.1.2壓電電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)

缺點(diǎn)

輸出功率較小。壓電電機(jī)及其控制系統(tǒng)輸出功率較小，難以制造出輸出功率1kW以上的壓電電機(jī)，目前，旋轉(zhuǎn)行波型壓電超聲電機(jī)輸出功率小于50W。

壽命較短。大多數(shù)的壓電電機(jī)通過(guò)定、轉(zhuǎn)子間的摩擦傳遞能量，摩擦界面磨損嚴(yán)重。此外，壓電陶瓷在高頻振動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生疲勞損壞，特別是在電機(jī)功率較大和溫度較高時(shí)疲勞損傷更為嚴(yán)重。

價(jià)格昂貴。壓電陶瓷作為一種智能材料，其工藝精度要求較高，且電機(jī)的集成控制電路成本較高，使得壓電電機(jī)及壓電系統(tǒng)在應(yīng)用中的性價(jià)比還不高。只有在一些特殊的場(chǎng)合，性價(jià)比才得以呈現(xiàn)。5.1概述2025/2/11

5.1概述5.1.3壓電電動(dòng)機(jī)分類轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理行波型壓電電動(dòng)機(jī)定子中產(chǎn)生的行走橢圓運(yùn)動(dòng)推動(dòng)轉(zhuǎn)子，屬于連續(xù)驅(qū)動(dòng)方式駐波型壓電電動(dòng)機(jī)做固定橢圓運(yùn)動(dòng)的定子推動(dòng)轉(zhuǎn)子，屬于間斷驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)形式旋轉(zhuǎn)型壓電電動(dòng)機(jī)直線型壓電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)自由度單自由度壓電電動(dòng)機(jī)多自由度壓電電動(dòng)機(jī)彈性體和移動(dòng)體接觸情況接觸式壓電電動(dòng)機(jī)非接觸式壓電電動(dòng)機(jī)2025/2/11

5.1概述5.1.4壓電電動(dòng)機(jī)應(yīng)用

航空航天領(lǐng)域。壓電電機(jī)自身不產(chǎn)生磁場(chǎng)，也不受磁場(chǎng)干擾，電磁兼容性好，勝任太空輻射、太陽(yáng)磁暴和極端溫度變化等惡劣、極端的工作環(huán)境，結(jié)構(gòu)易于微型化和多樣化，是空間探測(cè)器的理想動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器。2025/2/11

5.1概述5.1.4壓電電動(dòng)機(jī)應(yīng)用

照相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)。日本佳能公司將超聲波電動(dòng)機(jī)成功應(yīng)用到EOS系列照相機(jī)鏡頭中。尼康公司和奧林巴斯公司也均將超聲波電動(dòng)機(jī)應(yīng)用到自己的產(chǎn)品中。具有調(diào)焦時(shí)間短、噪聲低、定位精度高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。2025/2/11

5.1概述5.1.4壓電電動(dòng)機(jī)應(yīng)用

機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)。隨著人工智能的發(fā)展，機(jī)器人手臂越來(lái)越向輕型化、柔性化、低剛度和定位精確化方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)自如的活動(dòng)。以往驅(qū)動(dòng)裝置多采用電磁電機(jī)或液壓裝置驅(qū)動(dòng)，配套件復(fù)雜，增加了手臂的體積和重量，不利于機(jī)器人向微型化方向發(fā)展。2025/2/11

5.1概述5.1.4壓電電動(dòng)機(jī)應(yīng)用

精密定位裝置和隨動(dòng)系統(tǒng)。超聲波電機(jī)響應(yīng)速度快，當(dāng)位置傳感器檢測(cè)到目標(biāo)位置信號(hào)的瞬間，切斷電源，電機(jī)立即停止工作，定位精確，開環(huán)控制即可實(shí)現(xiàn)較高的精密定位。超聲波電機(jī)用于精密定位裝置，啟、停響應(yīng)速度快的特點(diǎn)很適合隨動(dòng)系統(tǒng)。

掃描電子顯微鏡試料架的驅(qū)動(dòng)。掃描電子顯微鏡試料架位置采用超聲波電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，省掉了復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減小了手動(dòng)誤差，使定位更加精確。2025/2/115.1概述5.1.4壓電電動(dòng)機(jī)應(yīng)用

生物醫(yī)療領(lǐng)域。磁共振兼容設(shè)備基于靜態(tài)磁場(chǎng)工作，這些設(shè)備在靜態(tài)磁場(chǎng)中工作時(shí)不應(yīng)產(chǎn)生電磁干擾。超聲波電機(jī)因具有不產(chǎn)生磁場(chǎng)、也不受外界磁場(chǎng)所干擾的特性，不會(huì)對(duì)成像過(guò)程造成干擾，在該領(lǐng)域已成功商業(yè)化。

汽車領(lǐng)域。德國(guó)奔馳將超聲電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)汽車車窗或調(diào)整座椅。日本豐田將超聲電機(jī)用于豪華轎車上操縱后視鏡和座椅頭靠。2025/2/115.2微型壓電電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)理

5.2.1壓電效應(yīng)概述

壓電顧名思義就是當(dāng)外力使材料發(fā)生形變時(shí)隨之發(fā)生的發(fā)電現(xiàn)象。

當(dāng)晶體受到某固定方向外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變。這一現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)或正壓電效應(yīng)。

反之，若在晶體上施加電場(chǎng)，從而使該晶體產(chǎn)生電極化，同時(shí)也將產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力，當(dāng)電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這就是逆壓電效應(yīng)。

壓電電動(dòng)機(jī)就是利用逆壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。2025/2/115.2微型壓電電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)理

5.2.1壓電效應(yīng)概述

自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。通常把明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫作壓電材料。

壓電材料分為壓電晶體和壓電陶瓷兩大類，其中壓電陶瓷是制造壓電電機(jī)的重要材料。

箭頭方向?yàn)閴弘娞沾蓸O化方向。當(dāng)壓電材料上下表面施加正向電壓，即形成上正下負(fù)電場(chǎng)，則壓電材料在長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)，高度方向收縮；反之，若施加反向電壓，則會(huì)在長(zhǎng)度方向收縮，高度方向伸長(zhǎng)。

在壓電體表面施加交變電場(chǎng)時(shí)，壓電體就會(huì)激發(fā)出某種模態(tài)的彈性振動(dòng)。外加電場(chǎng)交變頻率與壓電體機(jī)械諧振頻率相同時(shí)，壓電體就進(jìn)入諧振狀態(tài)，稱為壓電振子。

當(dāng)振動(dòng)頻率高于20kHz時(shí)，就進(jìn)入超聲振動(dòng)狀態(tài)。2025/2/115.2微型壓電電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)理

5.2.2橢圓運(yùn)動(dòng)及作用

超聲振動(dòng)是超聲波電動(dòng)機(jī)工作的基本條件，起驅(qū)動(dòng)源作用。但并不是任意超聲波振動(dòng)都具有驅(qū)動(dòng)作用，必須具備一定的形態(tài)，即振動(dòng)位移的軌跡是一個(gè)橢圓時(shí)，才具有連續(xù)的定向驅(qū)動(dòng)作用。

靜止?fàn)顟B(tài)下定子與轉(zhuǎn)子表面有一微小間隙。定子產(chǎn)生超聲振動(dòng)時(shí)，其上的接觸摩擦點(diǎn)A做周期性運(yùn)動(dòng)，軌跡為一橢圓。

A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到橢圓上半圓周時(shí)與轉(zhuǎn)子表面接觸，通過(guò)摩擦撥動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；

A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到橢圓下半圓周時(shí)與轉(zhuǎn)子表面脫離，并反向回程。

如果這種橢圓運(yùn)動(dòng)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，則對(duì)轉(zhuǎn)子就具有連續(xù)定向的撥動(dòng)，從而使轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。2025/2/115.2微型壓電電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)理

5.2.2橢圓運(yùn)動(dòng)及作用

φ=nπ(n=0,±1,,±2)時(shí)，兩位移同相運(yùn)動(dòng)，合成軌跡為一直線。

φ≠nπ時(shí)，軌跡為一橢圓。且φ=nπ±π/2時(shí)，軌跡為規(guī)則橢圓。

相位差φ的取值決定了橢圓運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方向，φ＞0時(shí)，橢圓運(yùn)動(dòng)為順時(shí)針?lè)较?；φ?時(shí)，橢圓運(yùn)動(dòng)為逆時(shí)針?lè)较颉?/p>

橢圓運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向決定了定子對(duì)轉(zhuǎn)子的撥動(dòng)方向，也就決定了超聲波電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

若在空間有兩個(gè)相互垂直簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)形成的振動(dòng)位移ux和uy，振動(dòng)角頻率為w，振幅為和，時(shí)間相位差為φ，則有消去時(shí)間整理得2025/2/115.3行波型超聲波電動(dòng)機(jī)

5.3.1電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

環(huán)形行波型超聲波電機(jī)由下端蓋、定子、轉(zhuǎn)子、上端蓋、軸承、碟簧和輸出軸組成。

核心是由壓電陶瓷和彈性體組成的定子和與定子接觸的接觸面粘有摩擦材料的轉(zhuǎn)子。

定子和轉(zhuǎn)子均為一薄圓環(huán)結(jié)構(gòu)，整個(gè)電動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)扁圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。

定子上端面開有一圈梳狀齒槽，下端面通過(guò)粘接劑粘有環(huán)狀壓電陶瓷片，定、轉(zhuǎn)子之間依靠碟簧形變所產(chǎn)生的軸向壓力壓緊在一起。2025/2/115.3行波型超聲波電動(dòng)機(jī)

5.3.1電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

壓電陶瓷按下圖極化，即可產(chǎn)生兩個(gè)在時(shí)間和空間上都相差90°的駐波。

壓電陶瓷環(huán)極化為A、B兩個(gè)相區(qū)，為驅(qū)動(dòng)的兩相電極；兩相區(qū)之間有λ/4的S區(qū)域未極化，利用正壓電效應(yīng)實(shí)時(shí)產(chǎn)生反映定子振動(dòng)狀態(tài)的反饋信號(hào)作為控制驅(qū)動(dòng)電源的輸出頻率。

另有3λ/4區(qū)域作為A、B相區(qū)公共區(qū)。每隔λ/2沿厚度方向極化。相鄰兩個(gè)分區(qū)極化方向相反，分別以“+”“-”表示，電壓激勵(lì)下，一段收縮，另一段伸長(zhǎng)，構(gòu)成一個(gè)波長(zhǎng)為λ的彈性波。2025/2/11

5.3行波型超聲波電動(dòng)機(jī)5.3.2工作原理定子行波的產(chǎn)生

將極化方向相反的壓電陶瓷片粘貼于彈性體上，壓電陶瓷施加交變電壓時(shí)，產(chǎn)生交替伸縮形變，在一定電壓和頻率作用下，彈性體產(chǎn)生駐波，用方程表示為A、B區(qū)駐波在時(shí)間和空間上分別相差90°，方程為在彈性體中，兩列駐波疊加可得2025/2/11

5.3行波型超聲波電動(dòng)機(jī)5.3.2工作原理定子表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

定子A區(qū)和B區(qū)施加對(duì)稱周期性激勵(lì)電壓，在定子圓環(huán)表面圓周上形成行波。行波的振幅比其波長(zhǎng)小得多，彈性體彎曲角度φ很小，z方向位移近似為彈性體厚度h，h0=h/2。彈性體表面任一點(diǎn)P在彈性體未撓曲時(shí)的位置為P0，從P0到P在z方向的位移為從P0到P在x方向位移為2025/2/11

5.3行波型超聲波電動(dòng)機(jī)5.3.2工作原理定子表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

彈性體表面任意一點(diǎn)P按橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，使表面質(zhì)點(diǎn)對(duì)移動(dòng)體產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，且運(yùn)動(dòng)方向與行波傳播方向相反。彈性體彎曲角度φ為整理得x方向的位移近似為

彈性體制成環(huán)形結(jié)構(gòu)，受到壓電陶瓷激勵(lì)產(chǎn)生逆時(shí)針彎曲行波時(shí)，表面質(zhì)點(diǎn)呈現(xiàn)順時(shí)針?lè)较驒E圓旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

在摩擦力的驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)子壓緊在彈性體表面就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

為增大定、轉(zhuǎn)子接觸處的振動(dòng)速度，定子表面開槽，提高超聲波電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，改善電機(jī)的性能。2025/2/11

5.3行波型超聲波電動(dòng)機(jī)5.3.3轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)速度

調(diào)節(jié)激振頻率可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。保持兩相駐波等幅的前提下，忽略激勵(lì)電壓的非線性對(duì)壓電陶瓷應(yīng)變的影響，改變駐波振幅，即調(diào)節(jié)壓電陶瓷的激勵(lì)電壓，可以做到線性調(diào)速，這是調(diào)壓調(diào)速的一大優(yōu)點(diǎn)。彈性體表面質(zhì)點(diǎn)沿x方向運(yùn)動(dòng)速度為沿x方向的運(yùn)動(dòng)速度在行波的波峰和波谷處最大。最大速度為“-”表示移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)方向與行波行進(jìn)方向相反。若定、轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有滑動(dòng)，且轉(zhuǎn)子表面與定子振動(dòng)波形相切，則轉(zhuǎn)子速度=橢圓最高點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度。實(shí)際上，定子與轉(zhuǎn)子表面存在滑動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際速度<假設(shè)行波移動(dòng)速度v為常數(shù)，由行波特點(diǎn)上式可得f

為電動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率。2025/2/11

5.3行波型超聲波電動(dòng)機(jī)5.3.4電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性

運(yùn)行特性主要是指轉(zhuǎn)速、效率和輸出功率等與輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。這些特性與電機(jī)類型和控制方式有關(guān)。

機(jī)械特性與直流電機(jī)相似，但電機(jī)轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增大快速下降，并且明顯呈現(xiàn)出非線性的變化趨勢(shì)。

效率特性與直流電機(jī)明顯不同，最大效率出現(xiàn)在低速、大轉(zhuǎn)矩區(qū)域，故超聲波電動(dòng)機(jī)適合低速運(yùn)行。

效率較低，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)效率一般不超過(guò)45%。2025/2/115.4行波型超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制5.4.1驅(qū)動(dòng)控制方法

電壓幅值控制改變電壓幅值可以直接改變行波的振幅。但是電壓過(guò)低，壓電元件有可能不起振，電壓過(guò)高又會(huì)接近壓電元件的工作極限，實(shí)際應(yīng)用中一般不采用調(diào)壓調(diào)速方案。

變頻控制調(diào)節(jié)諧振點(diǎn)附近的頻率可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，頻率控制對(duì)超聲波電機(jī)最為合適。由于電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)在諧振點(diǎn)附近，故調(diào)頻具有響應(yīng)快的特點(diǎn)。但是電動(dòng)機(jī)工作時(shí)由于諧振頻率的漂移，控制系統(tǒng)要有自動(dòng)跟蹤頻率變化的反饋回路。2025/2/115.4行波型超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制5.4.1驅(qū)動(dòng)控制方法

相位差控制改變兩相電壓的相位差，可以改變定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是這種控制方法低速啟動(dòng)困難，驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)較復(fù)雜。

正反脈寬調(diào)幅控制調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)正反脈寬比例（占空比）即可實(shí)現(xiàn)速度控制。

在以上四種控制方式中，由于變頻控制響應(yīng)快、易于實(shí)現(xiàn)低速起動(dòng)，應(yīng)用得最多。2025/2/11

5.4行波型超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制5.4.2驅(qū)動(dòng)控制電路

超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路主要由高頻信號(hào)發(fā)生電路、移相電路、功率放大電路和頻率自動(dòng)跟蹤電路四部分組成。

驅(qū)動(dòng)控制電路為超聲波電機(jī)提供一定幅值、相位差90°的高頻激勵(lì)電壓信號(hào)。

高頻信號(hào)發(fā)生電路是驅(qū)動(dòng)電路的核心。用于產(chǎn)生超聲頻率的激勵(lì)信號(hào)。

超聲頻率信號(hào)可以由諧振電路、計(jì)算機(jī)控制的定時(shí)計(jì)數(shù)器和壓控振蕩電路等多種方法產(chǎn)生。

為保證超聲波電動(dòng)機(jī)始終在最佳驅(qū)動(dòng)頻率下工作，驅(qū)動(dòng)電源中設(shè)置自動(dòng)頻率跟蹤電路。2025/2/11

5.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.1駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)

定子激勵(lì)單純駐波振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置或與其他運(yùn)動(dòng)組合，把往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

由蘭杰文振子（由兩塊金屬夾持兩片壓電陶瓷元件，并用螺栓緊固在一起）、振子前端的楔形振動(dòng)片和轉(zhuǎn)子三部分組成。

振子端面沿長(zhǎng)度方向振動(dòng)，楔形結(jié)構(gòu)振動(dòng)片的前端面與轉(zhuǎn)子表面傾斜接觸，誘發(fā)振動(dòng)片前端向上運(yùn)動(dòng)，形成橫向共振。

縱、橫向振動(dòng)的合成使振動(dòng)片前端質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為橢圓，滿足超聲波電機(jī)運(yùn)動(dòng)的形成機(jī)理。

楔形超聲波電機(jī)以縱振動(dòng)為驅(qū)動(dòng)力，前端振動(dòng)片在驅(qū)動(dòng)力作用下橫向彎曲振動(dòng)，從而撥動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

楔形超聲波電動(dòng)機(jī)2025/2/115.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.1駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)

定子由兩個(gè)獨(dú)立的振子組成。縱振子控制定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦力，扭振子控制輸出轉(zhuǎn)矩?？v向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)在定子彈性體合成為質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)。

一個(gè)振動(dòng)周期，當(dāng)定子做伸長(zhǎng)縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子接觸，扭轉(zhuǎn)振子的運(yùn)動(dòng)通過(guò)摩擦力傳遞給轉(zhuǎn)子，以輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)定子做縮短縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子脫離，定子相反方向的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不傳遞給轉(zhuǎn)子，保證轉(zhuǎn)子單方向旋轉(zhuǎn)。

兩種復(fù)合運(yùn)動(dòng)可以獨(dú)立控制，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大，工作穩(wěn)定，可雙向旋轉(zhuǎn)。

縱扭復(fù)合型超聲波電動(dòng)機(jī)2025/2/115.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.2直線型超聲波電動(dòng)機(jī)

利用兩個(gè)蘭杰文振子作為激振器和吸振器的結(jié)構(gòu)型式。

激振器上外加激勵(lì)電壓產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，使梁振動(dòng)。此時(shí)吸振器受到梁的振動(dòng)產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，所產(chǎn)生的能量消耗在與之相連的負(fù)載上。

當(dāng)吸振器能很好地吸收激振器傳來(lái)的振動(dòng)波時(shí)，有限長(zhǎng)直梁就好像變成了半無(wú)限長(zhǎng)直梁，形成單向行波。

與環(huán)形行波型超聲波電機(jī)工作原理相同，梁表面質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體做直線運(yùn)動(dòng)。

激振器和吸收器調(diào)換位置，形成反向行波，實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)。2025/2/115.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.3多自由度超聲波電動(dòng)機(jī)

在高性能機(jī)器人的柔性關(guān)節(jié)、人形機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)和全方位仿生運(yùn)動(dòng)的球形關(guān)節(jié)等應(yīng)用場(chǎng)合，要求輸出軸能全方位運(yùn)動(dòng)，即要求有多個(gè)自由度的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

兩自由度球形超聲波電動(dòng)機(jī)

主要由一個(gè)球形轉(zhuǎn)子和兩個(gè)定子組成。

定子與行波型超聲波電機(jī)定子類似，但端面加工成內(nèi)凹球面，以便與球形轉(zhuǎn)子保持良好接觸。

定子位于空間不同位置，每個(gè)定子可驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子繞相應(yīng)軸線旋轉(zhuǎn)，故電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)自由度。2025/2/115.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)

三自由度超聲波電動(dòng)機(jī)5.5.3多自由度超聲波電動(dòng)機(jī)

電機(jī)定子為圓柱體，轉(zhuǎn)子為球體。

定子采用螺桿結(jié)構(gòu)，把金屬?gòu)椥泽w和3組6片壓電陶瓷元件及電極片夾持在一起。

彎曲振子的壓電陶瓷元件分割為兩部分，相互反向極化。壓電陶瓷按極性相反順序兩兩疊合為一組。

為激發(fā)正交彎曲振動(dòng)模態(tài)，兩彎曲振動(dòng)陶瓷元件在空間相位差90°，即U、V兩組激發(fā)彎曲振動(dòng)，W組激發(fā)縱向振動(dòng)。

質(zhì)點(diǎn)彎曲振動(dòng)與縱向振動(dòng)合成為橢圓運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)彎曲振動(dòng)合成行波，因此任意兩組壓電陶瓷通電都可以驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子沿相應(yīng)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)為兩兩正交的三自由度。2025/2/115.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.4桿式壓電電動(dòng)機(jī)

將壓電驅(qū)動(dòng)、諧波傳動(dòng)和活齒傳動(dòng)集成于一體，利用活齒嚙合取代定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦力來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，減小摩擦和磨損，提高電動(dòng)機(jī)的工作效率和使用壽命。

壓電陶瓷片組驅(qū)動(dòng)型

由電機(jī)定子（提供動(dòng)力）和活齒傳動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成。

定子包括上配重塊、下配重塊和壓電陶瓷片組。陶瓷片組通過(guò)定子上、下配重塊上的螺紋連接并壓緊。

活齒傳動(dòng)系統(tǒng)主要由激波器（柔輪）、活齒架、活齒和中心輪組成。2025/2/115.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)2025/2/11

壓電陶瓷片組由5片壓電陶瓷片、3片接電片和2片地極片組成。每片陶瓷片表面鍍銀，上表面分兩個(gè)區(qū)，一個(gè)正向極化，另一個(gè)反向極化，下表面不分區(qū)為全電極。

當(dāng)極化方向與所加電壓的電場(chǎng)方向一致時(shí)，此分區(qū)產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形，反之將產(chǎn)生壓縮變形。

每片陶瓷片在交變電壓產(chǎn)生的交變電場(chǎng)作用下，若其頻率接近定子的一階彎曲共振頻率時(shí)，將使定子上配重塊產(chǎn)生彎曲共振。

取4片陶瓷片，將其分為U相和V相兩組。

壓電陶瓷片組驅(qū)動(dòng)型5.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)

當(dāng)定子中的壓電陶瓷片組U相和V相同時(shí)施加同頻、同幅的正弦和余弦交變電壓（其頻率接近定子一階彎曲共振頻率）時(shí)，定子將產(chǎn)生左右和前后方向的彎曲共振模態(tài)，這兩個(gè)共振模態(tài)的合成使定子上端圓周面呈現(xiàn)出一階勻速旋轉(zhuǎn)彎曲共振模態(tài)。

反饋相利用壓電陶瓷片的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的交變電壓，作為反饋電壓對(duì)電機(jī)定子彎曲狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定。2025/2/11

壓電陶瓷片組驅(qū)動(dòng)型5.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)

定子彎曲經(jīng)與之配合的柔輪放大后，柔輪對(duì)活齒將產(chǎn)生徑向推力，迫使與中心輪嚙合的活齒在沿活齒架均布的徑向?qū)Р垡苿?dòng)的同時(shí)，也沿著中心輪工作齒廓滑滾。

活齒架的徑向?qū)Р弁苿?dòng)活齒架以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與之固連的輸出軸旋轉(zhuǎn)。

與中心輪非嚙合的活齒，在活齒架均布的徑向?qū)Р鄯赐谱饔孟?，順序地返回工作起始位置?/p>

傳動(dòng)系統(tǒng)完成了由定子彎曲運(yùn)動(dòng)到輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。2025/2/11

壓電陶瓷片組驅(qū)動(dòng)型5.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)

若用ns

表示柔輪旋轉(zhuǎn)速度，nR

表示活齒架旋轉(zhuǎn)速度，O表示活齒架旋轉(zhuǎn)中心，O’表示柔輪幾何中心，則壓電陶瓷片組驅(qū)動(dòng)型桿式壓電電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)見右圖。

壓電陶瓷片組驅(qū)動(dòng)型2025/2/11

5.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)2025/2/11

由驅(qū)動(dòng)部分和傳動(dòng)部分構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)部分包括壓電疊堆、彈性體、擺動(dòng)體和調(diào)整彈簧，傳動(dòng)部分包括波發(fā)生器、中心輪、活齒架和活齒。

壓電疊堆驅(qū)動(dòng)型

壓電疊堆驅(qū)動(dòng)型

由兩個(gè)互為90°布置于下殼體內(nèi)側(cè)的壓電疊堆提供動(dòng)力。

未工作時(shí)，各零件在調(diào)整彈簧彈力的作用下緊密接觸，擺動(dòng)體朝彈性體一側(cè)偏移。

工作時(shí)，被施加正弦和余弦信號(hào)的壓電疊堆產(chǎn)生伸縮變形，作用于彈性體再傳遞給擺動(dòng)體，實(shí)現(xiàn)前后和左右擺動(dòng)，通過(guò)彈性體和擺動(dòng)體兩級(jí)位移放大，與擺動(dòng)體固連的波發(fā)生器圓周形成連續(xù)性行波。

波發(fā)生器推動(dòng)活齒沿中心輪齒廓移動(dòng)，活齒帶動(dòng)活齒架和轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。5.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)2025/2/115.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.5旋轉(zhuǎn)尺蠖壓電電動(dòng)機(jī)

驅(qū)動(dòng)器根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率可分為準(zhǔn)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)器和超聲驅(qū)動(dòng)器。

尺蠖壓電電動(dòng)機(jī)屬于準(zhǔn)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率較低。

該電機(jī)以壓電疊堆為驅(qū)動(dòng)源，因定子的特殊結(jié)構(gòu)，工作時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可產(chǎn)生角位移，具有鉗位裝置可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能夠?qū)崿F(xiàn)大行程與高精度、高分辨率很好兼容等優(yōu)點(diǎn)。

基于尺蠖運(yùn)動(dòng)機(jī)理的壓電電機(jī)逐漸應(yīng)用于高精密測(cè)量、微小機(jī)器人、精密加工裝配和納米科學(xué)儀器等領(lǐng)域。2025/2/115.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.5旋轉(zhuǎn)尺蠖壓電電動(dòng)機(jī)

旋轉(zhuǎn)尺蠖壓電電機(jī)主要由軸承、轉(zhuǎn)子、鉗位機(jī)構(gòu)、壓電疊堆、底板、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、基座和底座組成。

2025/2/115.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.5旋轉(zhuǎn)尺蠖壓電電動(dòng)機(jī)

施加圖(a)時(shí)序信號(hào)，壓電疊堆1伸長(zhǎng)，鉗位機(jī)構(gòu)3頂住轉(zhuǎn)子。

施加圖(b)時(shí)序信號(hào)，壓電疊堆5伸長(zhǎng)，由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)利用杠桿位移放大原理，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)7發(fā)生彎曲。鉗位機(jī)構(gòu)3帶動(dòng)轉(zhuǎn)子9順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一定角度θ。

2025/2/115.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.5旋轉(zhuǎn)尺蠖壓電電動(dòng)機(jī)

施加圖(c)時(shí)序信號(hào)，壓電疊堆2伸長(zhǎng)頂住轉(zhuǎn)子后撤消壓電疊堆1和5的電壓信號(hào)，鉗位機(jī)構(gòu)3和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)7恢復(fù)原狀。鉗位機(jī)構(gòu)4帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)角度θ。2025/2/115.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.5旋轉(zhuǎn)尺蠖壓電電動(dòng)機(jī)

施加圖(d)時(shí)序信號(hào)，壓電疊堆6伸長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)8發(fā)生彎曲，鉗位機(jī)構(gòu)4再帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)角度θ。

撤消壓電疊堆2和6電壓信號(hào)，鉗位機(jī)構(gòu)4和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)8恢復(fù)原狀。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)角度3θ，完成周期動(dòng)作。

時(shí)序信號(hào)回到初始狀態(tài)，壓電疊堆1開始伸長(zhǎng)，重復(fù)上述動(dòng)作實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)。2025/2/115.6壓電電動(dòng)機(jī)在關(guān)節(jié)機(jī)器人中的應(yīng)用5.6.1關(guān)節(jié)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

關(guān)節(jié)機(jī)器人各關(guān)節(jié)均采用超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)。每一關(guān)節(jié)配備一臺(tái)中空型旋轉(zhuǎn)編碼器，與電機(jī)輸出軸固聯(lián)于一起，超聲電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)編碼器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)位置測(cè)量。

各關(guān)節(jié)與超聲電機(jī)直接連接，可以提供低速大扭矩，沒(méi)有減速齒輪，不存在齒輪傳動(dòng)的間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，使整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊輕巧。2025/2/115.6壓電電動(dòng)機(jī)在關(guān)節(jié)機(jī)器人中的應(yīng)用5.6.2關(guān)節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是機(jī)器人的神經(jīng)中樞，是實(shí)現(xiàn)各種控制算法和控制策略的實(shí)際載體。機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、輸入/輸出設(shè)備及裝置、關(guān)節(jié)執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和傳感器系統(tǒng)等各子系統(tǒng)組成。2025/2/115.6壓電電動(dòng)機(jī)在關(guān)節(jié)機(jī)器人中的應(yīng)用5.6.2關(guān)節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為集中控制、主從控制和分散控制三類。

集中控制方式

主從控制方式分散控制方式用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但實(shí)時(shí)性差，難以擴(kuò)展。主CPU實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等，從CPU實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制。系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，維修困難。將系統(tǒng)控制分成幾個(gè)模塊，每個(gè)模塊各有不同的控制任務(wù)和控制策略，各模塊之間可以是主從關(guān)系，也可以是平等關(guān)系。系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，易于實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)智能控制，是目前流行的控制方式。2025/2/115.6壓電電動(dòng)機(jī)在關(guān)節(jié)機(jī)器人中的應(yīng)用5.6.2關(guān)節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)

三自由度機(jī)器人采取集中控制方式，在PC內(nèi)嵌入高性能數(shù)字控制模塊（運(yùn)動(dòng)控制卡），以插件形式插入到PC系統(tǒng)中。

運(yùn)動(dòng)控制卡：

利用其模擬電壓量輸出來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

利用該卡提供的功能讀出光電編碼器的脈沖值。

驅(qū)動(dòng)電路采用隔離型的半橋、全橋或推挽式的兩相諧振驅(qū)動(dòng)電路。2025/2/115.6壓電電動(dòng)機(jī)在關(guān)節(jié)機(jī)器人中的應(yīng)用

調(diào)頻調(diào)速調(diào)相調(diào)速脈寬調(diào)制調(diào)速5.6.3關(guān)節(jié)機(jī)器人速度控制

行波型超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制是改變對(duì)壓電陶瓷的激勵(lì)參數(shù)，來(lái)控制定子的振動(dòng)特性。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)原理，電機(jī)調(diào)速有調(diào)壓調(diào)速、調(diào)頻調(diào)速、調(diào)相調(diào)速和脈寬調(diào)制調(diào)速四種方法。

調(diào)壓調(diào)速改變施加在壓電陶瓷上的電壓幅值，從而調(diào)節(jié)行波的幅值以改變轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)頻率工作在諧振頻率時(shí)，振幅最大，轉(zhuǎn)速最高。反之轉(zhuǎn)速降低。改變頻率可直接影響轉(zhuǎn)速。改變電機(jī)兩相工作電壓之間的相位差，從而改變定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡以改變轉(zhuǎn)速。通過(guò)改變通斷電時(shí)間比例或正反轉(zhuǎn)時(shí)間比例（調(diào)節(jié)低頻占空比）來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。2025/2/11本章小結(jié)行波超聲電機(jī)桿式壓電電機(jī)電機(jī)控制方式壓電電動(dòng)機(jī)壓電電動(dòng)機(jī)利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)和振動(dòng)來(lái)獲得其運(yùn)動(dòng)和力矩，將材料的微小變形通過(guò)機(jī)械共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)/直線運(yùn)動(dòng)。行波型超聲波電機(jī)定子由環(huán)形彈性體和環(huán)形壓電陶瓷組成，壓電陶瓷極化兩個(gè)相區(qū)，通以相位差90°的高頻電壓，激勵(lì)彈性體形成行波，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。超聲波電機(jī)可采用電壓幅值控制、變頻控制、相位差控制和正反脈寬調(diào)幅控制四種速度控制方式。變頻控制響應(yīng)快、易于實(shí)現(xiàn)低速起動(dòng)，應(yīng)用最多。桿式壓電電機(jī)將壓電驅(qū)動(dòng)、諧波傳動(dòng)和活齒傳動(dòng)集成于一體，利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)激勵(lì)定子上端圓周面產(chǎn)生諧波，驅(qū)動(dòng)活齒傳動(dòng)系統(tǒng)輸出動(dòng)力。2025/2/11第6章液壓控制元件基礎(chǔ)●學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握液壓伺服控制系統(tǒng)原理及特點(diǎn)了解液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類掌握滑閥靜態(tài)特性分析方法掌握零開口四邊滑閥靜態(tài)特性掌握正開口四邊滑閥靜態(tài)特性了解滑閥輸出功率及效率掌握四邊閥控缸傳遞函數(shù)建立和特性01020304050607

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制最常見的驅(qū)動(dòng)方式為電力驅(qū)動(dòng)，但電力驅(qū)動(dòng)的輸出功率較小、驅(qū)動(dòng)器與機(jī)器人關(guān)節(jié)連接處的減速齒輪等傳動(dòng)元件易磨損或破壞，在一些大功率作業(yè)場(chǎng)合，一般采用液壓驅(qū)動(dòng)控制。

液壓驅(qū)動(dòng)具有高功率、高帶寬、快響應(yīng)及精確性，能夠滿足機(jī)器人尤其是特種機(jī)器人戶外或野外作業(yè)所需要的高負(fù)荷及快速運(yùn)動(dòng)需求。

液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用內(nèi)燃機(jī)提供能源動(dòng)力，通過(guò)添加燃料進(jìn)行快速補(bǔ)給，具有續(xù)航能力長(zhǎng)，比電力驅(qū)動(dòng)更具優(yōu)勢(shì)。大狗機(jī)器人排澇機(jī)器人林業(yè)機(jī)器人6.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述

液壓伺服控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、抗負(fù)載剛度大、功率-重量比大、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域占據(jù)重要位置。相比電力伺服控制系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)調(diào)整能力更強(qiáng)。2025/2/116.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述

液壓伺服控制系統(tǒng)是以液壓動(dòng)力元件作驅(qū)動(dòng)裝置所組成的反饋控制系統(tǒng)。輸出量（位移、速度和力）能夠自動(dòng)、快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。同時(shí)，還對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行功率放大，因此也是一個(gè)功率放大裝置。6.1.1液壓伺服控制系統(tǒng)工作原理及組成

液壓泵是系統(tǒng)壓力源，以恒定的壓力向系統(tǒng)供油，供油壓力由溢流閥調(diào)定。

液壓動(dòng)力元件由四邊滑閥和液壓缸組成?；y是轉(zhuǎn)換放大元件，將輸入的機(jī)械信號(hào)（閥芯位移）轉(zhuǎn)換成液壓信號(hào)（流量、壓力）輸出，并加以功率放大。

液壓缸是執(zhí)行元件，輸入壓力油流量，輸出運(yùn)動(dòng)速度或位移。滑閥閥體與液壓缸缸體集成于一體，構(gòu)成反饋回路。此系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。2025/2/116.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述6.1.1液壓伺服控制系統(tǒng)工作原理及組成

當(dāng)滑閥閥芯處于閥套中位（零位）時(shí)，閥的四個(gè)窗口均關(guān)閉（閥芯凸肩寬度=閥套窗口寬度），閥沒(méi)有流量輸出，液壓缸不動(dòng)。

給閥芯輸入位移xi，則窗口a、b便有一個(gè)相應(yīng)開口量xv=xi，壓力油經(jīng)窗口a進(jìn)入液壓缸右腔，推動(dòng)缸體右移，液壓缸左腔油液經(jīng)窗口b回油。缸體右移的同時(shí)，帶動(dòng)閥體也右移xp，使閥的開口量減小，即xv=xi-xp。

缸體位移=閥芯位移(xi=xp)，閥的開口量xv=0，閥的輸出流量為零，液壓缸停止運(yùn)動(dòng)，達(dá)到一個(gè)新的平衡，從而完成了液壓缸輸出位移對(duì)閥芯輸入位移的跟隨運(yùn)動(dòng)。2025/2/116.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述6.1.1液壓伺服控制系統(tǒng)工作原理及組成

這個(gè)系統(tǒng)輸出位移之所以能自動(dòng)、快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入位移的變化，是因?yàn)殚y體與液壓缸缸體集成于一體，構(gòu)成了負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。

控制過(guò)程中液壓缸的輸出位移能夠持續(xù)不斷地反饋到閥體上，與滑閥閥芯輸入位移相比較，得出兩者之間的位置偏差，這個(gè)位置偏差就是滑閥的開口量。

滑閥有開口量就有壓力油輸出到液壓缸，驅(qū)動(dòng)液壓缸運(yùn)動(dòng)，使閥的開口量（偏差）減小，直至輸出位移與輸入位移相同。即此系統(tǒng)是靠偏差工作，用偏差來(lái)消除偏差，這就是反饋控制的原理。2025/2/11

6.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)中，移動(dòng)滑閥閥芯所需要的信號(hào)功率很小，而系統(tǒng)的輸出功率可以達(dá)到很大，這是一個(gè)功率放大裝置。功率放大所需的能量由液壓能源提供，由伺服系統(tǒng)偏差的大小自動(dòng)進(jìn)行供給能量的控制。因此，液壓伺服系統(tǒng)也是一個(gè)控制液壓能源輸出的裝置。6.1.1液壓伺服控制系統(tǒng)工作原理及組成

該系統(tǒng)控制工作臺(tái)（負(fù)載）的位置，使之按照指令電位器給定的規(guī)律變化。系統(tǒng)由指令電位器、反饋電位器、電子放大器、電液伺服閥、液壓缸和工作臺(tái)組成。

由于采用電液伺服閥作為液壓控制元件，所以也稱為閥控式電液位置伺服系統(tǒng)。2025/2/11

6.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述6.1.1液壓伺服控制系統(tǒng)工作原理及組成

指令電位器將動(dòng)觸點(diǎn)位置指令xi轉(zhuǎn)換成指令電壓ur，被控制的工作臺(tái)位置xp由反饋電位器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為反饋電壓uf。兩線性電位器接成橋式電路，得到偏差電壓ue=ur-uf=K(xi-xp)，K=U/x0為電位器增益。

當(dāng)工作臺(tái)位置xp與指令位置xi一致時(shí)，電橋輸出偏差電壓ue=0，此時(shí)伺服放大器輸出電流為零，電液伺服閥處于中位（零位），沒(méi)有流量輸出，工作臺(tái)靜止。2025/2/11

6.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述6.1.1液壓伺服控制系統(tǒng)工作原理及組成

指令電位器動(dòng)觸點(diǎn)位置發(fā)生變化時(shí)，如向右移動(dòng)一個(gè)位移△xi，在工作臺(tái)位置發(fā)生變化之前，電橋輸出偏差電壓ue=K△xi，偏差電壓經(jīng)伺服放大器放大后變?yōu)殡娏餍盘?hào)去控制電液伺服閥，電液伺服閥輸出壓力油到液壓缸推動(dòng)工作臺(tái)右移。

隨工作臺(tái)的移動(dòng)，電橋輸出偏差電壓逐漸減小，當(dāng)工作臺(tái)位移=指令電位器位移(△xp=△xi)時(shí)，電橋輸出偏差電壓為零，工作臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)。若指令電位器動(dòng)觸點(diǎn)反向運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)也反向跟隨運(yùn)動(dòng)。2025/2/11

6.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述

以液壓為能源，具有功率放大作用，是一個(gè)功率放大裝置。功率放大所需能源由壓力油源提供，供給能量大小是由轉(zhuǎn)換元件根據(jù)系統(tǒng)偏差大小調(diào)節(jié)。

液壓控制系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)（即隨動(dòng)系統(tǒng)）。伺服控制系統(tǒng)中，液壓缸的位移按輸入指令的變化規(guī)律變化。即系統(tǒng)的輸出量能夠自動(dòng)跟隨輸入量的變化而變化。

液壓控制系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，依靠偏差信號(hào)工作。此類系統(tǒng)都是靠偏差信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，按照控制理論中負(fù)反饋控制原理來(lái)工作的，即以偏差來(lái)消除偏差。液壓伺服控制系統(tǒng)特點(diǎn)2025/2/11

6.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述

輸入元件也稱指令元件，它給出輸入信號(hào)（指令信號(hào)）加于系統(tǒng)的輸入端?？梢允菣C(jī)械、電氣等。

比較元件也稱比較器，它將反饋信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，給出偏差信號(hào)。

放大轉(zhuǎn)換元件將比較元件給出的偏差信號(hào)進(jìn)行放大、并進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，以液壓信號(hào)（流量或壓力）的形式輸入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)，如伺服放大器、機(jī)液伺服閥和電液伺服閥等。系統(tǒng)組成2025/2/11

6.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述

執(zhí)行元件按指令規(guī)律動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象做功，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)任務(wù)，如液壓缸和液壓馬達(dá)等。

反饋測(cè)量元件測(cè)量系統(tǒng)的輸出并轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)，這類元件也有多種形式，位移、速度、壓力或拉力等各種類型傳感器就是常用的反饋測(cè)量元件。

被控對(duì)象它是與執(zhí)行元件可動(dòng)部分相連接并一起運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)或裝置，即系統(tǒng)所要控制的對(duì)象，即負(fù)載。系統(tǒng)組成2025/2/116.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述6.1.2液壓伺服控制優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

功率-重量比和力矩-慣量比（或力-質(zhì)量比）大電氣元件最小尺寸取決于最大有效磁通密度和功率損耗產(chǎn)生的發(fā)熱量，而最大有效磁通密度受磁性材料磁飽和限制，散熱困難，故結(jié)構(gòu)尺寸大，功率-重量比和力矩-慣量比小。液壓元件功率損耗產(chǎn)生的熱量可由油液帶到散熱器進(jìn)行散熱，尺寸主要取決于最大工作壓力。由于最大工作壓力可以很高（可達(dá)32MPa），所以液壓元件的體積小、重量輕，而輸出力或力矩卻很大，使功率-重量比和力矩-慣量比（或力-質(zhì)量比）大。

快速性好，系統(tǒng)響應(yīng)快液壓系統(tǒng)中油液的體積彈性模量大，由油液壓縮形成的液壓彈簧剛度大，而液壓動(dòng)力元件的慣量比較小，所以由液壓彈簧剛度和負(fù)載慣量耦合成的液壓固有頻率高，故系統(tǒng)的響應(yīng)速度快。2025/2/116.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述6.1.2液壓伺服控制優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

液壓伺服系統(tǒng)抗負(fù)載的剛度大輸出位移受負(fù)載變化的影響小，定位準(zhǔn)確，控制精度高。由于液壓固有頻率高，允許液壓伺服系統(tǒng)特別是電液伺服系統(tǒng)有較大的開環(huán)放大系數(shù)，因此可獲得較高的精度和響應(yīng)速度。而液壓系統(tǒng)中油液的壓縮性和泄漏都很小，故液壓動(dòng)力元件速度剛度大，組成閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)位置剛度也大。

液壓伺服系統(tǒng)體積小、重量輕、控制精度高和響應(yīng)速度快。而且還具有潤(rùn)滑性好、壽命長(zhǎng)；調(diào)速范圍寬、低速穩(wěn)定性好；動(dòng)力通過(guò)油管傳輸較方便；能量借助蓄能器存儲(chǔ)較便捷；液壓執(zhí)行元件有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式兩種形式，工作適應(yīng)性強(qiáng)；過(guò)載易保護(hù)；系統(tǒng)溫升方便解決等優(yōu)點(diǎn)。2025/2/116.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述6.1.2液壓伺服控制優(yōu)缺點(diǎn)

缺點(diǎn)

液壓元件特別是精密的液壓控制元件（電液伺服閥）抗污染能力差，對(duì)工作油液清潔度要求高，污染的油液會(huì)使閥磨損而降低其性能，甚至被堵塞而不能正常工作。這是液壓伺服系統(tǒng)發(fā)生故障的主要因素。因此液壓伺服系統(tǒng)必須采用精細(xì)過(guò)濾器。

油液的體積彈性模量隨油溫和混入油中的空氣含量而變化。油液的黏度也隨油溫變化而變化。因此油溫變化對(duì)系統(tǒng)的性能影響很大。

液壓元件的密封設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)不當(dāng)時(shí)，容易引起外泄，造成環(huán)境污染。

液壓元件制造精度要求高，成本高。

液壓能源的獲得和遠(yuǎn)距離傳輸都不如電氣系統(tǒng)方便。2025/2/116.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類

液壓控制閥是一種以機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)控制液體動(dòng)力的元件。它將輸入的較小功率的機(jī)械信號(hào)（位移或轉(zhuǎn)角）轉(zhuǎn)換為較大功率的可連續(xù)控制的液壓信號(hào)（流量或壓力）輸出，也稱為液壓放大器。它既是能量轉(zhuǎn)換元件，也是功率放大元件。

液壓控制閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單位體積輸出功率大、工作可靠和動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。

液壓控制閥按其結(jié)構(gòu)和工作原理不同可分為圓柱滑閥、噴嘴擋板閥和射流管閥三類，其中滑閥的控制性能好，在液壓伺服系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛。2025/2/11

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.1圓柱滑閥

圓柱滑閥是節(jié)流式元件，借助于閥芯與閥套間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)改變節(jié)流口面積的大小，對(duì)液體流量或壓力進(jìn)行控制。

圓柱滑閥分為四通閥、三通閥和二通閥。

四通閥有兩個(gè)控制口，可用來(lái)控制雙作用液壓缸或液壓馬達(dá)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

三通閥有一個(gè)控制口，控制差動(dòng)液壓缸的一個(gè)方向移動(dòng)。

二通閥有一個(gè)可變節(jié)流口，和一個(gè)固定節(jié)流孔配合使用，才能控制一腔的壓力，用來(lái)控制差動(dòng)液壓缸。

按進(jìn)、出閥通道數(shù)劃分2025/2/11

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.1圓柱滑閥

圓柱滑閥分為四邊、雙邊和單邊滑閥。四邊滑閥(a-c)有四個(gè)可控的節(jié)流口，控制性能最好；雙邊滑閥(d-e)有兩個(gè)可控的節(jié)流口，控制性能次之；單邊滑閥(f)只有一個(gè)可控的節(jié)流口，控制性能最差。

按滑閥工作邊數(shù)劃分

按閥套窗口形狀劃分

有矩形、圓形和三角形等多種閥套窗口形狀。矩形窗口與閥芯位移成比例，可以獲得線性的流量增益（零開口閥），用得最多。圓形窗口工藝性好，但流量增益是非線性的，用于要求不高的場(chǎng)合。2025/2/11

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.1圓柱滑閥

按滑閥預(yù)開口形式劃分

圓柱滑閥分為正開口（負(fù)重疊）、零開口（零重疊）和負(fù)開口（正重疊）三種形式。

閥的預(yù)開口形式對(duì)其性能特別是中位（零位）附近特性影響較大。2025/2/11

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.1圓柱滑閥

零開口滑閥的流量與閥芯位移呈線性。線性的流量增益對(duì)反饋控制非常有利，應(yīng)用最廣泛，但加工制造困難。

負(fù)開口滑閥閥口密封性好，零位泄漏小，但流量增益曲線存在死區(qū)非線性，對(duì)反饋控制非常不利，故很少采用。

正開口滑閥零位時(shí)閥口是部分開啟的，零位泄漏較大。

按滑閥預(yù)開口形式劃分

按閥芯凸肩數(shù)劃分

有兩凸肩、三凸肩和四凸肩滑閥。二通閥一般采用兩個(gè)凸肩，三、四通閥由兩個(gè)或以上閥芯凸肩組成。二凸肩四邊閥閥芯軸向移動(dòng)時(shí)導(dǎo)向性差，三、四凸肩四邊閥導(dǎo)向性和密封性好，是常用形式。2025/2/11

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.2噴嘴擋板閥

噴嘴擋板閥是節(jié)流式元件，由噴嘴、擋板和固定節(jié)流口組成。擋板可繞支撐軸擺動(dòng)，利用擋板位移來(lái)調(diào)節(jié)噴嘴與擋板之間的環(huán)狀節(jié)流面積，從而改變噴嘴腔兩邊的壓力。噴嘴兩邊的壓力差與擋板位移成正比。

有單噴嘴擋板閥和雙噴嘴擋板閥兩種。雙噴嘴擋板閥有較高功率放大倍數(shù)，應(yīng)用較多。2025/2/11

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.2噴嘴擋板閥

噴嘴擋板閥與圓柱滑閥相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要有嚴(yán)格的制造公差，擋板一般懸掛在溢流腔內(nèi)，體積和慣量小，移動(dòng)過(guò)程幾乎沒(méi)有摩擦，所需控制力小、響應(yīng)快、動(dòng)作靈敏度高、抗污染能力強(qiáng)，但零位泄漏大、功率小，通常用在小功率液壓控制系統(tǒng)中或多級(jí)控制閥的前置級(jí)。2025/2/11

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.3射流管閥

射流管閥是基于動(dòng)量轉(zhuǎn)換原理的分流式元件，由射流管和接收器組成。射流管可繞支撐軸偏轉(zhuǎn)。

無(wú)信號(hào)輸入，射流口處于閥中位，射流被兩接收口均勻接收，兩接收器內(nèi)壓力相等。

有輸入信號(hào)，射流口偏離中位，接收射流多的接收口內(nèi)產(chǎn)生較高壓力，接收射流少的接收口內(nèi)產(chǎn)生較小壓力。上述壓差可以用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載液壓缸運(yùn)動(dòng)。

從射流管噴嘴處高速噴出的液體，形成的液流動(dòng)能在擴(kuò)散形接收器內(nèi)恢復(fù)成壓力能。兩接收嘴內(nèi)壓力差與射流管位移成正比。2025/2/11

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.3射流管閥

射流管閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工精度低、抗污染能力強(qiáng)和對(duì)油液清潔度要求不高，但慣量大、響應(yīng)速度低、零位泄漏流量大、油液黏度變化對(duì)特性影響較大和低溫特性較差。

適用于低壓、小功率的場(chǎng)合，用在小功率液壓控制系統(tǒng)或多級(jí)控制閥的前置級(jí)。2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析

滑閥靜態(tài)特性（壓力-流量特性）指穩(wěn)態(tài)情況下，閥的負(fù)載流量、、負(fù)載壓力和滑閥位移即三者之間的關(guān)系，即表示滑閥工作能力和性能，對(duì)液壓伺服系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算具有重要意義。

閥的靜態(tài)特性可用方程、曲線或特性參數(shù)（閥的系數(shù)）表示。最常用的是壓力-流量曲線圖，它能夠全面描述控制閥靜態(tài)特性。

壓力-流量方程表達(dá)式

建立理想四邊滑閥的一般模型，四邊滑閥及等效橋路（見下頁(yè)圖）。模型中預(yù)開口量U

(0≤U≤xvmax)，其中xvmax是相對(duì)于零位的最大閥芯位移。

以中位為基準(zhǔn)，閥芯向兩側(cè)移動(dòng)最大位移xvmax>0。若U=0，為零開口閥；0<U<xvmax為小正開口閥；U=xvmax閥芯在其全部行程內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，閥都是正開口的，表示為全程正開口閥。2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析

壓力-流量方程表達(dá)式

滑閥四個(gè)可變節(jié)流口以四個(gè)可變液阻表示，組成一個(gè)四臂可變的全橋。通過(guò)每一橋臂的流量qi

(i=1~4)，壓降pi

(i=1~4)，qL負(fù)載流量，pL負(fù)載壓降，ps供油壓力，qs供油流量，p0回油壓力。

液壓能源是理想的恒壓源，供油壓力ps為常數(shù)，回油壓力p0=0。

忽略管道和閥腔內(nèi)的壓力損失。為簡(jiǎn)化分析做如下假設(shè)：

液體是不可壓縮的。

各節(jié)流口流量系數(shù)相等。即

各閥口是矩形窗口，滑閥結(jié)構(gòu)上各閥口是匹配與對(duì)稱的。2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析由橋路的壓力平衡得匹配且對(duì)稱閥空載（PL=0）時(shí)，與負(fù)載相連的兩個(gè)管道中壓力均為ps/2。加負(fù)載后，一個(gè)管道壓力升高恰等于另一個(gè)管道壓力降低值。即通過(guò)橋路斜對(duì)角線上的兩個(gè)橋臂壓降也是相等的。即上式聯(lián)立求解：根據(jù)橋路流量平衡得各橋臂的流量方程為閥套油路面積梯度為W，滑閥結(jié)構(gòu)上閥口是匹配與對(duì)稱的，閥芯位移為xv時(shí)，即閥對(duì)稱閥匹配

預(yù)開口范圍內(nèi)，四邊滑閥流量公式2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析匹配且對(duì)稱閥通過(guò)液壓橋路斜對(duì)角線上的兩個(gè)橋臂流量相等。聯(lián)立求解：令恒壓源下，閥芯位移為xv時(shí)的負(fù)載流量將上式除以，歸一化處理得式中分別表示歸一化的負(fù)載流量、負(fù)載壓力、閥芯位移、預(yù)開口量，均是無(wú)因次量。2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析

歸一化后的方程簡(jiǎn)化為：

系統(tǒng)供油流量為：適用范圍為閥芯位移為，即正開口段。它表示四個(gè)閥口全部有工作油液流過(guò)時(shí)四邊滑閥的負(fù)載流量方程?；y閥芯工作范圍是即。閥口1、3關(guān)閉，全部負(fù)載流量流經(jīng)閥口2、4。

閥芯在范圍內(nèi)四邊滑閥流量公式閥口2、4關(guān)閉，全部負(fù)載流量流經(jīng)閥口1、3。

閥芯在范圍內(nèi)四邊滑閥流量公式

閥芯在其全部運(yùn)行行程內(nèi)四邊滑閥流量公式2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析

理想零開口四邊滑閥靜態(tài)特性

理想零開口四邊滑閥沒(méi)有預(yù)開口量相應(yīng)理想滑閥壓力-流量方程為描述四邊滑閥靜態(tài)特性的曲線有流量特性曲線、壓力特性曲線和壓力-流量曲線三種。流量特性指負(fù)載壓降為常數(shù)時(shí)，負(fù)載流量與閥芯位移之間的關(guān)系。

流量特性曲線負(fù)載壓降時(shí)的流量特性稱為空載流量特性，相應(yīng)曲線為空載流量特性曲線。由上式可得空載流量特性式

壓力特性曲線壓力特性指負(fù)載流量為常數(shù)時(shí)負(fù)載壓降與閥芯位移之間的關(guān)系2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析

壓力-流量特性曲線壓力-流量曲線指閥芯位移一定時(shí)，負(fù)載流量與負(fù)載壓降與之間關(guān)系的圖形描述。以閥芯位移為閥開口狀態(tài)變量，從閥芯全部行程范圍內(nèi)壓力-流量曲線可知，閥口開度越小，壓力-流量曲線越趨近水平線。2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析

實(shí)際零開口四邊滑閥靜態(tài)特性

實(shí)際與理想滑閥結(jié)構(gòu)上主要區(qū)別：

理想滑閥閥芯與閥套之間無(wú)間隙，閥口銳邊無(wú)圓角，無(wú)泄漏。

實(shí)際滑閥閥芯與閥套之間有間隙，閥口銳邊有圓角，有泄漏。

泄漏流量曲線

閥口銳邊圓角、閥芯與閥套間隙等因素會(huì)產(chǎn)生閥口泄漏現(xiàn)象。

滑閥泄漏流量與閥芯位移關(guān)系可以用泄漏流量曲線表示。閥芯在中位（零位）時(shí)泄漏流量最大，隨閥芯位移

增大，泄漏流量急劇下降至很小數(shù)值（幾乎為零）。保持供油壓力恒定，改變閥芯位移

，測(cè)出滑閥泄漏流量，可畫出泄漏流量曲線2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析

理想正開口四邊滑閥靜態(tài)特性

壓力特性曲線供油壓力一定，改變閥芯位移

，測(cè)出相應(yīng)負(fù)載壓力，畫出實(shí)際零開口四邊滑閥壓力特性曲線。原點(diǎn)附近曲線斜率很大，閥芯只要有一個(gè)很小位移即，負(fù)載壓力很快就能上升到供油壓力。

按預(yù)開口量不同，理想正開口四邊滑閥分為小正開口滑閥和全程正開口滑閥兩類。

小正開口滑閥預(yù)開口量較小，只有閥芯位于中位附近時(shí)，這類正開口滑閥在正開口狀態(tài)（四個(gè)閥口同時(shí)工作）工作。

全程正開口滑閥的預(yù)開口量等于閥行程，即在閥芯行程范圍內(nèi)這類正開口滑閥始終在正開口狀態(tài)工作。2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析

流量特性曲線負(fù)載壓力，代入理想零開口四邊滑閥靜態(tài)特性公式得，畫出小正開口四邊滑閥空載流量特性曲線。

壓力特性曲線負(fù)載流量，代入理想零開口四邊滑閥靜態(tài)特性公式，畫出理想小正開口四邊滑閥壓力特性曲線。2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析

小正開口理想四邊滑閥壓力-流量曲線小正開口條件，以閥口開度為條件變量，利用閥芯在全部運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)四邊滑閥流量公式，畫出壓力-流量曲線?；y預(yù)開口范圍內(nèi)壓力-流量曲線是一族負(fù)斜率曲線。線性度比零開口四邊滑閥好得多。閥芯在零位附近，負(fù)載壓力和負(fù)載流量有較好線性關(guān)系。2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析

全程正開口理想四邊滑閥壓力-流量曲線全程正開口理想四邊滑閥的預(yù)開口量是滑閥的全部行程，則負(fù)載流量方程可寫為上式描述了四個(gè)閥口全部有油液流過(guò)時(shí)四邊滑閥的負(fù)載流量方程，根據(jù)此方程可以畫出理想正開口滑閥的壓力-流量曲線。2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析

滑閥線性化分析

由四邊滑閥負(fù)載流量公式可知，恒壓源供油時(shí)，控制滑閥的負(fù)載流量為負(fù)載壓力和閥芯位移的函數(shù)，即

滑閥線性化流量方程與閥系數(shù)在某一特定工作點(diǎn)，，對(duì)變量即和的各階導(dǎo)數(shù)均存在，則可在該工作點(diǎn)附近小范圍內(nèi)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開：忽略高階無(wú)窮小，左式可寫成這是壓力-流量方程以增量形式表示的線性化表達(dá)式。2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析

流量增益

它是流量特性曲線上某一工作點(diǎn)處的曲線切線斜率。

流量增益表示負(fù)載壓降一定時(shí)，滑閥單位輸入位移所引起的負(fù)載流量變化的大小。

值越大，閥對(duì)負(fù)載流量的控制就越靈敏。

流量-壓力系數(shù)

流量-壓力系數(shù)表示閥開度一定時(shí)，負(fù)載壓降變化所引起的負(fù)載流量變化大小。

值小，負(fù)載力變化引起的負(fù)載流量變化越大，即閥剛度大。

是系統(tǒng)中的一種阻尼，系統(tǒng)振動(dòng)加劇時(shí)，負(fù)載壓力的增大使閥輸出給系統(tǒng)的流量減小，有助于系統(tǒng)振動(dòng)的衰減。

壓力增益（壓力靈敏度）

它是壓力特性曲線的切線斜率。

壓力增益是指時(shí)，單位輸入閥芯位移所引起的負(fù)載壓力變化的大小。

值大，閥對(duì)負(fù)載壓力的控制靈敏度高。2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析

因?yàn)樗粤髁吭鲆?、流?壓力系數(shù)和壓力增益的關(guān)系為

流量增益、流量-壓力系數(shù)和壓力增益是表示閥靜態(tài)特性的重要參數(shù)，被稱為閥系數(shù)。

負(fù)載流量增量公式可以簡(jiǎn)化為

上式線性化滑閥負(fù)載流量方程，適用于負(fù)載流量可線性化各種結(jié)構(gòu)的液壓控制閥。液壓控制系統(tǒng)中常用上式作為控制閥的數(shù)學(xué)模型。

閥系數(shù)

流量增益是反饋控制系統(tǒng)開環(huán)增益的組成部分。

流量增益增大，則系統(tǒng)開環(huán)增益也成比例增大，流量增益對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)誤差有直接影響。

壓力增益反映負(fù)載壓力對(duì)閥芯位移變化的敏感狀況，表示液壓閥控制大負(fù)載壓力的能力。

系統(tǒng)中壓力增益不直接顯現(xiàn)，是通過(guò)流量-壓力系數(shù)來(lái)影響系統(tǒng)。

壓力增益增大，流量-壓力系數(shù)減小。

干擾力和力矩通過(guò)流量-壓力系數(shù)影響系統(tǒng)。

減小干擾力和力矩對(duì)控制系統(tǒng)影響，希望閥的流量-壓力系數(shù)小，系統(tǒng)容易獲得較高的剛度和精度。2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析

零位閥系數(shù)

零位是空載流量特性曲線、壓力特性曲線和壓力-流量曲線的原點(diǎn)。零位閥系數(shù)是相關(guān)曲線在原點(diǎn)處的斜率。

閥系數(shù)隨閥工作點(diǎn)的變化而變化。

反饋控制的滑閥經(jīng)常在零位附近工作。

當(dāng)工作點(diǎn)在零位處的閥系數(shù)稱為零位閥系數(shù)，分別表示為

矩形閥口伺服閥的零位流量增益最大，流量-壓力系數(shù)最小，系統(tǒng)阻尼比最低。壓力-流量特性原點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)是穩(wěn)定性最差的點(diǎn)。

如果一個(gè)系統(tǒng)在零位工作點(diǎn)能穩(wěn)定工作，那么在其他工作點(diǎn)也能穩(wěn)定工作。

在進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)以原點(diǎn)處的靜態(tài)放大系數(shù)作為閥的性能參數(shù)。

理想零開口四邊滑閥零位閥系數(shù)

理想零開口四邊滑閥在零位對(duì)負(fù)載流量方程求導(dǎo)得零位閥系數(shù)：2025/2/116.3滑閥靜態(tài)特性分析

實(shí)際零開口四邊滑閥零位閥系數(shù)

實(shí)際零開口閥的零位壓力增益主要取決于閥的徑向間隙值，而與閥的面積梯度無(wú)關(guān)。

正開口四邊滑閥的零位流量增益是理想零開口四邊滑閥的兩倍。

正開口四邊滑閥提高零位流量增益并改善壓力-流量曲線的線性度。

正開口四邊滑閥零位閥系數(shù)

理想零開口四邊滑閥在零位對(duì)負(fù)載流量方程求導(dǎo)，得正開口四邊滑閥零位閥系數(shù)：2025/2/11

6.4閥控系統(tǒng)功率及效率簡(jiǎn)化為輸出功率為最大值時(shí)pL：

液壓泵供油壓力，供油流量，閥的負(fù)載壓力，負(fù)載流量，則零開口四邊滑閥的輸出功率（負(fù)載功率）為最大輸出功率：2025/2/11

采用變量泵供油時(shí)，由于變量泵可自動(dòng)調(diào)節(jié)其供油流量qs來(lái)滿足負(fù)載流量qL要求，因此qs=qL，那么閥在最大輸出功率時(shí)，系統(tǒng)最高效率為

在時(shí)，整個(gè)液壓伺服系統(tǒng)效率最高，閥的輸出功率最大，故通常取作為閥的設(shè)計(jì)負(fù)載壓力。

采用定量泵加溢流閥作為液壓能源時(shí)，定量泵供油流量等于或大于閥的最大負(fù)載流量qLmax（即閥最大空載流量q0m）。閥在最大輸出功率時(shí)，系統(tǒng)最高效率為

該系統(tǒng)效率比較低，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維護(hù)方便，在中、小功率系統(tǒng)仍獲得廣泛應(yīng)用。6.4閥控系統(tǒng)功率及效率2025/2/11

6.5液壓動(dòng)力元件

液壓動(dòng)力元件由液壓控制元件（或稱液壓放大元件）和液壓執(zhí)行元件組成。

液壓控制元件是液壓控制閥或伺服變量泵，液壓執(zhí)行元件是液壓缸或液壓馬達(dá)。

組成閥控液壓缸、閥控液壓馬達(dá)、泵控液壓缸和泵控液壓馬達(dá)四種基本型式的液壓動(dòng)力元件。

閥控液壓缸和閥控液壓馬達(dá)構(gòu)成的閥控系統(tǒng)又稱節(jié)流控制系統(tǒng)，是通過(guò)液壓控制閥控制從油源流入執(zhí)行元件的流量，從而改變執(zhí)行元件的輸出速度。該系統(tǒng)通常采用恒壓油源，使供油壓力恒定。

泵控液壓缸和泵控液壓馬達(dá)構(gòu)成的泵控系統(tǒng)又稱容積控制系統(tǒng)，是通過(guò)改變伺服變量泵的排量改變流入執(zhí)行元件的流量，進(jìn)而改變執(zhí)行元件的輸出速度。該系統(tǒng)的壓力取決于負(fù)載。2025/2/116.5液壓動(dòng)力元件

四邊閥控液壓缸基本方程的建立

由零開口四邊滑閥和對(duì)稱液壓缸組成。

這種閥控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性取決于控制閥和液壓缸的動(dòng)態(tài)特性，并與系統(tǒng)負(fù)載有關(guān)。

假定系統(tǒng)負(fù)載由質(zhì)量、彈簧和黏性阻尼組成，且系統(tǒng)為單自由度系統(tǒng)。

液壓動(dòng)力元件是液壓伺服系統(tǒng)中重要的組成部分，它的動(dòng)態(tài)特性對(duì)大多數(shù)液壓伺服系統(tǒng)的性能有著決定性的影響，其傳遞函數(shù)是分析整個(gè)液壓伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)。2025/2/116.5液壓動(dòng)力元件

滑閥流量方程

流入進(jìn)油腔的流量和從回油腔流出的流量分別為

系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)及考慮泄漏的情況，故負(fù)載流量為

利用對(duì)上式線性化得

液壓缸流量連續(xù)方程

從閥流入液壓缸左腔的流量q1除了推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)外，還要補(bǔ)償缸內(nèi)、外泄漏和液體壓縮及管道等的膨脹所需的流量。

流入液壓缸進(jìn)油腔的流量q1

液壓缸回油腔流出的流量q22025/2/116.5液壓動(dòng)力元件

液壓缸流量連續(xù)方程

由以上兩式可得負(fù)載流量連續(xù)方程：

上式簡(jiǎn)化可得

Vt為液壓缸兩腔的總?cè)莘e為常數(shù)

Cs1為總泄漏系數(shù)

左式是四邊閥控液壓缸流量連續(xù)性方程的常用形式。

負(fù)載流量包含推動(dòng)液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)所需的流量、總泄漏流量和總壓縮流量。2025/2/116.5液壓動(dòng)力元件

液壓缸負(fù)載力平衡方程

液壓缸的輸出力與負(fù)載力相平衡。負(fù)載力一般包括活塞與負(fù)載的慣性力、黏性阻尼力、彈性負(fù)載力以及其他外干擾力。

上述三式是四邊閥控液壓動(dòng)力元件的基本方程，它們確定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

初始狀態(tài)液體壓縮性影響最大，液壓剛度最小、動(dòng)力元件固有頻率最低、阻尼比最小，系統(tǒng)穩(wěn)定性最差。所以初始狀態(tài)點(diǎn)是系統(tǒng)最不利的工作點(diǎn)。

mt為活塞及由負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量。

Bt為活塞及負(fù)載等運(yùn)動(dòng)件的黏性阻尼系數(shù)。

Kt為負(fù)載運(yùn)動(dòng)時(shí)的彈簧剛度。

FL為作用在活塞上的外干擾力。2025/2/116.5液壓動(dòng)力元件

四邊閥控液壓缸框圖與傳遞函數(shù)

將上三式進(jìn)行拉普拉斯變換得

消去中間變量QL和PL，可以求得閥芯輸入位移xv和外干擾力FL同時(shí)作用下液壓缸活塞的總輸出位移為

為總壓力流量系數(shù)，

分子第一項(xiàng)是液壓缸活塞的空載速度，第二項(xiàng)是外干擾力作用下引起的速度降低。

分母第一項(xiàng)是慣性力變化引起的壓縮流量所產(chǎn)生的活塞速度；第二項(xiàng)是慣性力引起的泄漏流量所產(chǎn)生的活塞速度；第三項(xiàng)是黏性力變化引起的壓縮流量所產(chǎn)生的活塞速度；第四項(xiàng)是活塞運(yùn)動(dòng)速度；第五項(xiàng)是黏性力引起的泄漏流量所產(chǎn)生的活塞速度；第六項(xiàng)是彈性力變化引起的壓縮流量所產(chǎn)生的活塞速度；第七項(xiàng)是彈性力引起的泄漏流量所產(chǎn)生的活塞速度。2025/2/11

6.5液壓動(dòng)力元件

閥芯位移xv是指令（輸入）信號(hào)，F(xiàn)L是外干擾信號(hào)，由上式可求出液壓缸活塞位移對(duì)閥芯位移的傳遞函數(shù)Xt/xv和對(duì)外干擾力的傳遞函數(shù)Xt/FL。

以負(fù)載流量為基礎(chǔ)的框圖適用于負(fù)載慣量較小、動(dòng)態(tài)過(guò)程較快的場(chǎng)合。

以負(fù)載壓力為基礎(chǔ)的框圖適用于負(fù)載慣量和泄漏系數(shù)較大，而動(dòng)態(tài)過(guò)程比較緩慢的場(chǎng)合。2025/2/116.5液壓動(dòng)力元件

沒(méi)有彈性負(fù)載整理得液壓缸活塞總輸出位移為

伺服系統(tǒng)的負(fù)載在多數(shù)情況下是以慣性負(fù)載為主，而彈性負(fù)載很小或沒(méi)有，此時(shí)。為液壓固有頻率為液壓相對(duì)阻尼系數(shù)

上式給出了以慣性負(fù)載為主時(shí)的閥控液壓缸的動(dòng)態(tài)特性。2025/2/116.5液壓動(dòng)力元件

分子中第一項(xiàng)可認(rèn)為xv輸入下液壓缸的輸出速度，第二項(xiàng)給出了因外干擾造成的速度降低。

對(duì)指令輸入xv的傳遞函數(shù)為

對(duì)外干擾輸入FL的傳遞函數(shù)為2025/2/116.5液壓動(dòng)力元件

有彈性負(fù)載整理得

有些兩級(jí)液壓放大元件采用對(duì)中彈簧反饋定位，前置級(jí)放大元件控制功率級(jí)放大，因功率級(jí)閥芯有對(duì)中彈簧，彈性負(fù)載較大，不能忽略，。粘性阻尼系數(shù)Bt較小，可忽略。

液壓缸活塞總輸出位移為

上頁(yè)P(yáng)PT公式中分母積分環(huán)節(jié)s改為慣性環(huán)節(jié)，既是有彈性負(fù)載的傳遞函數(shù)。2025/2/116.5液壓動(dòng)力元件

考慮彈性負(fù)載時(shí)

對(duì)指令輸入xv的傳遞函數(shù)為

對(duì)外干擾輸入FL的傳遞函數(shù)為

由圖可知w>wk，有/無(wú)彈性負(fù)載幅頻特性相同。彈性負(fù)載對(duì)中頻段無(wú)影響，即對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、截止頻率沒(méi)有影響。沒(méi)有彈性負(fù)載在圖中低頻段是積分環(huán)節(jié)。有彈性負(fù)載在圖中低頻段（虛線表示）是具有拐點(diǎn)頻率wk的慣性環(huán)節(jié)。2025/2/116.5液壓動(dòng)力元件

其他簡(jiǎn)化形式

式中

式中

考慮負(fù)載質(zhì)量

,對(duì)指令輸入

xv的傳遞函數(shù)為

考慮負(fù)載剛度Kt及Ey，以及

,對(duì)指令輸入

xv的傳遞函數(shù)為

考慮空載

,對(duì)指令輸入xv的傳遞函數(shù)為2025/2/11在原點(diǎn)

閥控液壓缸主要性能參數(shù)

速度放大系數(shù)

液壓固有頻率

上述傳遞函數(shù)中，決定閥控液壓缸的主要性能參數(shù)有速度放大系數(shù)、液壓固有頻率、液壓相對(duì)阻尼系數(shù)以及剛度。

傳遞函數(shù)式中令，當(dāng)閥芯位移xv

輸入即有一定流量輸出給液壓缸，活塞以一定的速度運(yùn)動(dòng)。Kv具有速度量綱，稱為速度放大系數(shù)。At一定時(shí)Kv取決于Kq

。

活塞處于中間位置時(shí)固有頻率wh最小，活塞處于液壓缸一端時(shí)固有頻率wh

最大。6.5液壓動(dòng)力元件2025/2/11

液壓相對(duì)阻尼系數(shù)

剛度

單位負(fù)載干擾力所引起的輸出位移量稱為位置柔度，位置柔度的倒數(shù)稱為位置剛度。

位置剛度分為動(dòng)態(tài)位置剛度和靜態(tài)位置剛度。

動(dòng)態(tài)位置剛度是動(dòng)態(tài)過(guò)程中的剛度，與負(fù)載干擾力FL的變化頻率有關(guān)。

靜態(tài)位置剛度是w=0情況下的剛度。

6.5液壓動(dòng)力元件2025/2/11

剛度

根據(jù)前述外干擾輸入FL的傳遞函數(shù)，得動(dòng)態(tài)位置剛度表達(dá)式經(jīng)化簡(jiǎn)

當(dāng)二階微分及慣性環(huán)節(jié)不起作用。上式化簡(jiǎn)為

相當(dāng)一個(gè)黏性阻尼力，此時(shí)閥控缸好像一個(gè)阻尼系數(shù)為的黏性阻尼器。

當(dāng)系統(tǒng)在這段的動(dòng)態(tài)位置剛度不變。

當(dāng)慣性負(fù)載力很大，阻礙了活塞運(yùn)動(dòng)，很少采用。

此剛度正是液壓彈簧剛度。6.5液壓動(dòng)力元件2025/2/11本章小結(jié)液壓控制閥液壓動(dòng)力元件滑閥性能參數(shù)液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服控制系統(tǒng)以液壓動(dòng)力元件作驅(qū)動(dòng)裝置組成的反饋控制系統(tǒng)。輸出量自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，并對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行功率放大。液壓控制閥是一種以機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)控制液體動(dòng)力的元件。將輸入的較小功率的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為較大功率的可連續(xù)控制的液壓信號(hào)輸出，也稱為液壓放大器。表征滑閥靜態(tài)特性的三個(gè)性能參數(shù)有流量增益、流量-壓力系數(shù)和壓力增益。流量/壓力增益大，滑閥控制靈敏度高；流量-壓力系數(shù)小，滑閥的剛