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1、第第7章章 电液伺服阀电液伺服阀液压伺服系统 OUTLINE 电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。它能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号它能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号(流流量与压力量与压力)输出。输出。根据输出液压信号的不同，电液伺服阀可分为电液根据输出液压信号的不同，电液伺服阀可分为电液流流量量控制伺服阀和电液控制伺服阀和电液压力压力控制伺服阀两大类。控制伺服阀两大类。电液伺服阀控制精度高、响应速度快，是一种高性能电液伺服阀控制精度高、响应速度快，是一种高性能的电液控制元件，在液压伺服系统中得到了广泛的应用。
2、的电液控制元件，在液压伺服系统中得到了广泛的应用。7.1 7.1 电液伺服阀组成与分类电液伺服阀组成与分类一、电液伺服阀的组成一、电液伺服阀的组成电液伺服阀通常由力矩马达电液伺服阀通常由力矩马达(或力马达或力马达)、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)三部分组成。三部分组成。二、电液伺服阀的分类二、电液伺服阀的分类按液压放大级数分为：按液压放大级数分为：单级伺服阀单级伺服阀 此类阀结构简单、价格低廉，但由于力矩马达或此类阀结构简单、价格低廉，但由于力矩马达或力马达输出力矩或力小、定位刚度低，使阀的输出流量有限，力马达输出力矩或力小、定位刚度低，使阀的输出流量有限，对
3、负裁动态变化敏感，阀的稳定性在很大程度上取决于负载动对负裁动态变化敏感，阀的稳定性在很大程度上取决于负载动态，容易产生不稳定状态。只适用于低压、小流量和负载动态态，容易产生不稳定状态。只适用于低压、小流量和负载动态变化不大的场合。变化不大的场合。两级伺服阀两级伺服阀 此类阀克服了单级伺服阀缺点，是最常用的型式。此类阀克服了单级伺服阀缺点，是最常用的型式。三级伺服阀三级伺服阀 此类阀通常是由一个两级伺服阀作前置级控制第此类阀通常是由一个两级伺服阀作前置级控制第三级功率滑阀功率级滑阀阀芯位移通过电气反馈形成闭环控三级功率滑阀功率级滑阀阀芯位移通过电气反馈形成闭环控制，实现功率级滑阀阀芯的定位。三级
4、伺服阀通常只用在大流制，实现功率级滑阀阀芯的定位。三级伺服阀通常只用在大流量的场合。量的场合。按按第一级阀的结构形式第一级阀的结构形式分类：分类：可分为：滑阀、单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀可分为：滑阀、单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀 射流管阀和偏射流管阀和偏转板射流阀。转板射流阀。按按反馈形式反馈形式分类：分类：可分为滑阀位置反嫂、负载流量反馈和负载压力反馈三种。可分为滑阀位置反嫂、负载流量反馈和负载压力反馈三种。按按力矩马达是否浸泡力矩马达是否浸泡在油中分类：在油中分类：湿式的可使力矩马达受到油液的冷却，但油液中存在的铁污物湿式的可使力矩马达受到油液的冷却，但油液中存在的铁污物使力短马达持性变坏，
5、干式的则可使力矩马达不受油液污染的影使力短马达持性变坏，干式的则可使力矩马达不受油液污染的影响，目前的伺服阀都采用干式的。响，目前的伺服阀都采用干式的。双喷嘴挡板力反馈电液伺服阀双喷嘴挡板力反馈电液伺服阀1阀体 2固定节流孔 3第二级滑阀阀芯 4阀套 5喷嘴与挡板 6永磁体 7衔铁 8电磁线圈 9力矩马达外壳 10弹簧管 11反馈弹簧 12固定节流孔 13滤清器 Rexroth7.2 7.2 力矩马达力矩马达3)按极化磁场产生的方式可分为：非激磁式、按极化磁场产生的方式可分为：非激磁式、固定电流激磁和永磁式三种。固定电流激磁和永磁式三种。2、对力矩马达的要求、对力矩马达的要求 作为阀的驱动装置
6、，对它提出以下要求；作为阀的驱动装置，对它提出以下要求；1)能够产生足够的输出力和行程，问时体积能够产生足够的输出力和行程，问时体积小、重量轻。小、重量轻。2)动态性能好、响应速度快。动态性能好、响应速度快。3)直线件好、死区小、灵敏度高和磁滞小。直线件好、死区小、灵敏度高和磁滞小。4)在某些使用情况下，还要求它抗振、抗冲在某些使用情况下，还要求它抗振、抗冲击、不受环境温度和压力等影响。击、不受环境温度和压力等影响。二、永磁力矩马达二、永磁力矩马达 1、力矩马达的工作原理、力矩马达的工作原理 图图2所示为一种常用的永磁动铁式力矩马达工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、
7、上导磁体、下导磁作原理图，它由永久磁铁、上导磁体、下导磁体、衔铁、控制线圈、弹簧管等组成。衔铁固体、衔铁、控制线圈、弹簧管等组成。衔铁固定在弹簧管上端，由弹簧管支承在上、下导磁定在弹簧管上端，由弹簧管支承在上、下导磁体的中间位置，可绕弹簧管的转动中心作微小体的中间位置，可绕弹簧管的转动中心作微小的转动。衔铁两端与上、下导磁体的转动。衔铁两端与上、下导磁体(磁极磁极)形成形成四个工作气隙四个工作气隙、。两个控制线。两个控制线圈套在衔铁之上。上、下导磁体除作为磁极外，圈套在衔铁之上。上、下导磁体除作为磁极外，还为永久磁铁产生的极化磁通和控制线圈产生还为永久磁铁产生的极化磁通和控制线圈产生的控制磁通
8、提供磁路。的控制磁通提供磁路。永永磁磁动动铁铁式式力力矩矩马马达达的的工工作作原原理理力力矩矩马马达达磁磁路路原原理理图图三、三、永磁动圈式永磁动圈式力马达力马达图示为图示为永磁动式永磁动式力马达力马达的结构原理。的结构原理。力马达的可动线圈力马达的可动线圈悬置于作气隙中，悬置于作气隙中，永久磁铁在工作气永久磁铁在工作气隙中形成极化磁通，隙中形成极化磁通，当控制电流加到线当控制电流加到线圈上时，线圈就会圈上时，线圈就会受到电磁力的作用受到电磁力的作用而运动而运动。四、动铁式力矩马达与动圈式力矩马达的比较四、动铁式力矩马达与动圈式力矩马达的比较1)动铁式力矩马达因磁滞影响而引起的输出位移滞后比动
9、圈式动铁式力矩马达因磁滞影响而引起的输出位移滞后比动圈式力马达大。力马达大。2)动圈式力马达的线性范围比动铁式力矩马达宽。因此动圈动圈式力马达的线性范围比动铁式力矩马达宽。因此动圈式力马达的工作行程大，而动铁式力矩马达的工作行程小。式力马达的工作行程大，而动铁式力矩马达的工作行程小。3)在同样的惯性下，动铁式力矩马达的输出力矩大，而动圈式在同样的惯性下，动铁式力矩马达的输出力矩大，而动圈式力马达的输出力小。动铁式力矩马达因输出力矩大，支承弹力马达的输出力小。动铁式力矩马达因输出力矩大，支承弹簧刚度可以取得大，使衔铁组件的固有频率高，而力马达的簧刚度可以取得大，使衔铁组件的固有频率高，而力马达的
10、弹簧刚度小，动圈组件的固有频率低。弹簧刚度小，动圈组件的固有频率低。4)减小工作气隙的长度可提高动圈式力马达和动铁式力矩马达减小工作气隙的长度可提高动圈式力马达和动铁式力矩马达的灵敏度。但动圈式力马达受动圈尺寸的限制，而动铁式力的灵敏度。但动圈式力马达受动圈尺寸的限制，而动铁式力矩马达受静不稳定的限制。矩马达受静不稳定的限制。5)在相同功率情况下，动圈式力马达比动铁式力矩马达体积大，在相同功率情况下，动圈式力马达比动铁式力矩马达体积大，但动圈式力马达的造价低。但动圈式力马达的造价低。7.3 7.3 力反馈两级伺服阀力反馈两级伺服阀一、工作原理一、工作原理无控制电流时，衔铁由弹簧管支承在上、下导
11、磁体的中间位无控制电流时，衔铁由弹簧管支承在上、下导磁体的中间位置，挡板也处于两个喷嘴的中间位置，滑阀阀芯在反馈杆小球置，挡板也处于两个喷嘴的中间位置，滑阀阀芯在反馈杆小球的约束下处于中位，阀无液压输出。当有差动控制电流输入的约束下处于中位，阀无液压输出。当有差动控制电流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，喷嘴挡板阀右间隙减小而左间隙增大，引板偏离中位。这时，喷嘴挡板阀右间隙减小而左间隙增大，引起滑
12、阀左腔控制压力增大，右腔控制压力减小，推动滑阀阀芯起滑阀左腔控制压力增大，右腔控制压力减小，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。左移。同时带动反馈杆端部小球左移，使反馈杆进一步变形。当反馈杆和弹簧管变形产生的反力矩与电磁力矩相平衡时，衔当反馈杆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旨。在反馈杆端部左移进一步变铁挡板组件便处于一个平衡位旨。在反馈杆端部左移进一步变形时，使挡板的偏移减小，趋于中位。这使左腔控制压力又降形时，使挡板的偏移减小，趋于中位。这使左腔控制压力又降低，右腔控制压力增高，当阀芯两端的液压力与反馈杆变形对低，右腔控
13、制压力增高，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阎的液动力相平衡时，阀芯停止运阀芯产生的反作用力以及滑阎的液动力相平衡时，阀芯停止运动，其位移与控制电流成比例。在负载压差动，其位移与控制电流成比例。在负载压差定时，阀的输出定时，阀的输出流量也与控制电流成比例。所以这是流量也与控制电流成比例。所以这是一种流量控制伺服阀一种流量控制伺服阀。1喷嘴 2喷嘴 3固定节流孔 4固定节流孔 5第二级滑阀阀芯 6永磁体 7衔铁 8电磁线圈 9弹簧管 10反馈弹簧 二、基本方程与方框图二、基本方程与方框图力矩马达的运动方程包括基本电压方程，衔铁和挡板力矩马达的运动方程包括基本电压方程，衔铁
14、和挡板组件的运动方程，挡板位移于转角之间的关系，喷嘴组件的运动方程，挡板位移于转角之间的关系，喷嘴挡板至滑阀的传递函数，阀控液压缸的传递函数，以挡板至滑阀的传递函数，阀控液压缸的传递函数，以及作用在挡板上的压力反馈方程，根据这些方程可以及作用在挡板上的压力反馈方程，根据这些方程可以画出电液伺服阀的方框图。画出电液伺服阀的方框图。伺服阀系统方块图伺服阀系统方块图三、力反馈伺服阀的传递函数三、力反馈伺服阀的传递函数给出的传递函数是一个惯性加振荡的环节，重点介绍给出的传递函数是一个惯性加振荡的环节，重点介绍近似的传递函数：在大多数电液伺服系统中，伺服阀近似的传递函数：在大多数电液伺服系统中，伺服阀的
15、动态响应往往高于动力元件的动态响应。为了简化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持性分析与设计，伺服阀的传递函数可以系统的动态持性分析与设计，伺服阀的传递函数可以进一步简化，一般可用二阶振荡环节表示。如果伺服进一步简化，一般可用二阶振荡环节表示。如果伺服阀二阶环节的固有频率高于动力元件的固有频率，伺阀二阶环节的固有频率高于动力元件的固有频率，伺服阀传递函数还可用一阶惯性环节表示，当伺服阀的服阀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，伺服阀可看成固有频率远大于动力元件的固有频率，伺服阀可看成比例环节比例环节。数学模型数学模型若伺服阀相位滞后
16、-90频率高于液压控制系统动态特性频率3倍至5倍 若伺服阀相位滞后-90频率与液压控制系统动态特性频率接近 若伺服阀相位滞后-90频率高于液压控制系统动态特性频率5倍以上，可以忽略电液伺服阀动态特性，即 7.4 7.4 直接反馈两级滑阀式伺服阀直接反馈两级滑阀式伺服阀1阀体 2固定节流孔 3第二级滑阀阀芯 4固定节流孔 5第一级滑阀阀芯 6，7定位弹簧 7.5 7.5 其它型式伺服阀其它型式伺服阀一、一、射流管力反馈流量电液伺服阀射流管力反馈流量电液伺服阀1供油管 2永磁体 3衔铁 4射流管 5电磁线圈 6弹簧管 7接收器 8反馈弹簧 9滑阀 射流管力反馈电液伺服阀是一种高抗工作液污染，安全性
17、好，低压性能优良的电液伺服阀。二、射流管式两级电液伺服阀 照图说明射流管式伺服阀的原理。射流管由力矩马达带动偏转。射流管焊接于衔铁上，并由薄壁弹簧片支承。液压油通过柔性的供压管进入射流管从射流管喷射出的液压油进入与滑阀两端控制腔分别相通的两个接收孔中，推动阀芯移动。射流管的侧面装有弹簧板板及反馈弹簧丝共末端插入阀从中的小槽内，阀芯移动推动反馈弹簧丝构成对力矩马达的力反馈。力矩马达借助于薄壁弹簧片实现对液压部分的密封隔离。二、三级流量电液伺服阀二、三级流量电液伺服阀三级电液流量伺服阀是为了满足大功率和特大功率负载驱动与控制需要。采用二级电液流量伺服阀作为前置级控制元件，控制大功率圆柱滑阀（大直径
18、阀芯滑阀）阀芯位移。从而能够控制大流量（如500-1000L/min），甚至控制特大流量。1位移传感器 2控制电路板 3电缆 4二级电液伺服阀 5第三级滑阀 阀体线性力马达位移传感器内嵌控制电路板 三、三、直驱阀直驱阀直驱阀（direct drive valve,DDV）也称直驱伺服比例伺服阀(direct drive servo-proportional valve)，它是一类新型的控制阀，主要用于建构电液反馈控制系统。性能明显优于比例电磁换向阀（既明显优于内部无反馈比例电磁换向阀，也明显优于内部有反馈的比例电磁换向阀）。7.6 7.6 特性及主要性能指标特性及主要性能指标一、静态特性一、静
19、态特性 电液流量伺服阀电液流量伺服阀的静态性能，可根据测的静态性能，可根据测试所得到试所得到负载流量特性、空负载流量特性、空载流量特性、压力特性、载流量特性、压力特性、内泄漏特性等曲线等性内泄漏特性等曲线等性能指标加以评定。能指标加以评定。包括包括1、负载流量特性、负载流量特性2、压力特性、压力特性3、内泄漏特性、内泄漏特性4、负载流量特性、负载流量特性伺服阀的规格也可由额定流量、额定电流、额定压力来确定。伺服阀的规格也可由额定流量、额定电流、额定压力来确定。额定流量（额定流量（rated flow）：额定电流和额定压力下，伺服阀）：额定电流和额定压力下，伺服阀流量输出。流量输出。额定电流（额
20、定电流（rated current）：为产生额定流量，对线圈任意）：为产生额定流量，对线圈任意极性输入控制电流，通常指单线圈连接。极性输入控制电流，通常指单线圈连接。工作压力（工作压力（Operating pressure）:一般给出最大工作压力一般给出最大工作压力（Max operating pressure）和回油压力）和回油压力(Return flow pressure)滞环（滞环（Hysteresis）(%)：为产生额定流量，对线圈任意极性：为产生额定流量，对线圈任意极性输入控制电流，通常指单线圈连接。输入控制电流，通常指单线圈连接。分辨率（分辨率（Resolution）（）（Resp
21、onse sensitivity）零偏零偏（Null bias）零漂（零漂（Null shift）：供油压力零漂（）：供油压力零漂（Null shift with supply pressure）；回油压力零漂（；回油压力零漂（Null shift with return pressure）；温度零漂（；温度零漂（Null shift with temperature）内漏（内漏（Internal leakage）：）：非线性度（非线性度（Nonlinearity）：不对称度（不对称度（Non-sysmmerty）：）：二、二、动态特性动态特性主要是用频率主要是用频率响应和瞬态响响应和瞬态响应表示。应表示。三、输入特性三、输入特性线圈接法线圈接法 The endThe end液压控制系统 清华大学出版社 ISBN：978-7-302-37899-0