第四章电液伺服阀

1、第4章 电液伺服阀,主讲：彭浩 单位：机械工程学院机械电子教研室,前言,液压控制阀是液压控制系统中的重要元件，它在液压控制系统中起到了信号转换、功率放大及控制作用。本章主要介绍电液伺服阀的工作原理、分类，永磁力矩马达、电液伺服阀的动态分析及电液伺服阀的性能及其规格选择等问题。要求熟练掌握电液伺服阀的工作原理及其动态特性分析，熟悉电液伺服阀的选择。,4.1 电液伺服阀结构、分类及工作原理,电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。电液伺服阀是液压控制系统的核心元件。 控制精度高，响应速度快。 根据输出液压信号的不同，电液伺服阀分为电液流量控制伺服阀和电液压力控制伺服阀 主要功能：信号转换、功

2、率放大、伺服控制,4.1.1 电液伺服阀的结构与功能,基本结构图,(b)电液伺服阀基本结构图,(a)电液控制系统职能方框图,4.1.2 电液伺服阀的分类,伺服阀可分为单级、两级、三级伺服阀。阀流量较大时，采用两级或三级电液伺服阀的形式。包括液压前置级和功率级 液压前置级：单（双）喷嘴挡板阀、滑阀、射流管阀、射流元件 功率级：滑阀 单级伺服阀主要由滑阀、力矩马达构成。力矩马达直接驱动滑阀运动。 动铁式单级伺服阀 动圈式单级伺服阀,单级电液伺服阀结构简图,特点： 结构简单，价格低。 力矩马达功率小。工作时可能出现不稳定。,(a)动铁式,(b)动圈式,力矩马达（或力马达）：将电气信号转换为力矩或力,

3、液压放大器：控制流向液压执行机构的流量或压力,两级电液伺服阀,这是最常用的电液伺服阀。 具有液压前置放大器，将力矩马达输出放大，以克服滑阀承受的较大液动力、粘性力和质量力。 按反馈形式不同，分为位置反馈、负载压力反馈和负载流量反馈三种。,动画,位置反馈电液伺服阀结构简图,根据伺服阀芯位置感受方式不同，位置反馈两级电液伺服阀分为：,不常用,4.1.3 电液伺服阀工作原理,1、单级电液伺服阀原理,力矩马达在输入电流作用下产生偏转，直接推动阀芯运动，打开节流口，输出流量、压力，直接控制负载运动。 缺点：输出流量有限；稳定性不可靠，通常取决于负载的动态特性。,2、两级电液伺服阀的工作原理,两级电液伺服

4、阀克服了单级伺服阀流量受限制和工作不稳定的缺点。 根据反馈形式不同，分位置反馈、负载压力反馈和负载流量反馈三种。位置反馈最为常见。 位置反馈又分直接反馈、力反馈和弹簧对中电液伺服阀。前两种最为常见。,直接反馈两级电液伺服阀,力反馈两级电液伺服阀,动画,4.2 动铁式永磁力矩马达,力矩马达是电液伺服阀的输入级。起到前置放大的作用，电气-机械转换装置。 力矩马达分类 可动件运动形式：直线位移式（力马达）、角位移式（力矩马达） 可动件结构形式：动铁式（衔铁）、动圈式（控制线圈） 极化磁场产生的方式：非激磁式（控制线圈差动连接）、固定电流激磁（激磁线圈，大的极化磁通，结构复杂，体积大）、永磁式（永久磁

5、铁，结构简单、重量轻、获得的极化磁通小）,4.2.1 概述,动铁式力矩马达组成如图。衔铁被安装在磁场气隙中，两个导磁体被磁化。永磁体、导磁体构成磁路。当电流通过控制线圈，产生通过衔铁的磁通，改变了通过四个气隙的磁通量，产生力矩，带动衔铁绕轴心或弹簧管中心转动，与弹性支承力矩平衡，衔铁输出一个角位移。 特点：衔铁惯性小，弹簧管刚度大，动态响应快。但受磁滞影响大，输出线性度差。因此衔铁位移量很小。,4.2.2 动铁式力矩马达基本方程,本节研究力矩马达的输出在控制输入电流作用下的动态特性。,力矩马达磁路原理图,(a)磁路原理图,(b)等效磁路原理图,衔铁力矩平衡方程：,拉氏变换后：,负弹簧,力矩马达

6、中的负弹簧,当有输入电流i之后，即产生电磁力矩td以驱动衔铁转动而有角位移，又进一步使td增大，td之增加又更加驱使衔铁转动。这样，衔铁是不能工作的，只要衔铁略为偏离中位，那怕没有输入电流，衔铁也会受电磁力矩之作用而偏转。越偏转则力矩越大，力矩越大则越偏转，直到衔铁碰上导磁体为止。 为了使衔铁有确定的偏转角，就必须另设一个机械弹簧与衔铁连接在一起。衔铁偏转后产生一个与成正比的机械弹簧力矩与电磁力矩平衡，这时衔铁才能停留在确定的角位移处，磁弹簧的作用与机械弹簧相反，所以可以说它是一个负弹簧。,常见的是衔铁支承在弹簧管上。弹簧管是用弹性材料做成的薄壁圆管，一端紧固在衔铁中部，另一端固定在下一级液压

7、放大元件上。,用弹簧管支承衔铁的力矩马达 1弹簧管，2液压放大元件,用弹簧管支承衔铁的力矩马达 1弹簧管，2液压放大元件,在零位时，衔铁正好处于四个气隙的中间位置，弹簧管也正好在正中零位。当输入i而产生电磁力矩后，电磁力矩使衔铁偏转，弹簧管也受力歪斜变形，作用在衔铁上的电磁力矩与弹簧管变形时的弹性力矩平衡，也就是电磁力矩td通过弹簧管弯曲变形而转化为衔铁的角位移。,由于力矩马达直接控制液压放大元件，所以在结构安装上，力矩马达必须与液压放大元件紧连在一起而形成一个整体。,液压放大元件中充满着油液，因弹簧管与液压放大元件间有密封圈隔开，与衔铁也是，紧密固接的，这样，液压放大元件中的油液就不会渗漏到

8、力矩马达中去。力矩马达不是浸泡在油液中的，故称干式。,力矩马达浸泡在油液中的就叫湿式。因为油液中不可避免地带有零件磨损时所产生的金属微粒，这些铁磁性杂质吸附在力矩马达的磁极气隙中时，力矩马达将不能正常工作，因此，现在的力矩马达多用干式。,4.2.3动铁式力矩马达传递函数,以放大器输入信号电压为输入，以力矩马达衔铁转角为输出的传递函数：,设计时，可取：,4.2.4 动铁式力矩马达静、动态特性分析,1、静态特性分析 简化了的空载静态特性方程为： 衔铁输出转角与控制信号差动电流i成正比。,空载静态特性曲线分析,1、 时，衔铁将不稳定。此极限与弹簧参数无关。 2、出现静不稳定电流随 减小而增加，斜率随

9、之增大。 3、为防止衔铁被永久磁铁吸附和线性度要求，通常限制 1。,带负载的力矩马达静态特性,当tl0时，包含有负载的力矩马达静态特性方程为：,2、动态特性分析,根据力矩马达传递函数： 当kakm,力矩马达工作不稳定。 转折频率 通常比较低，须使用高输出阻抗放大器。 衔铁固有频率 如须提高衔铁固有频率，应尽量减小衔铁及其任何附加的负载转动惯量ja，增加衔铁转轴的机械扭簧刚度ka。,取：,力矩马达频率特性曲线,力矩马达刚度特性曲线,取：,4.2.5 设计动铁式力矩马达注意,设计力矩马达通常采用试验和计算相结合的方法，确定其中难以确定的参数及其结构参数。 为确保力矩马达稳定性，设计时保证 为提高力

10、矩马达静态特性曲线线性度，一般要求,4.3 动圈式永磁力马达的分析,动圈式马达工作原理,在内外导磁体所组成的环状工作气隙中安置可动控制线圈，线圈安装在骨架上，骨架与下一级液压放大元件的阀芯相连。永久磁铁在气隙中产生固定磁场，当控制线圈中通以控制电流后成为载流线圈。载流线圈在磁场中受力而运动，从而带动阀芯一起运动。可动线圈在固定磁场中所受电磁力的大小和方向决定于线圈中控制电流的大小和方向。这就是力马达的输出位移。,1）动铁式力矩马达因磁滞影响输出位移滞后比较大。 2）动铁式力矩马达的线性范围比较窄，工作行程小。 3）同惯性下，动铁式力矩马达的输出力矩大，衔铁组件的固有频率高。 4）同功率下，动铁

11、式体积小。 5）减小工作气隙长度可提高灵敏度，但动圈式受动圈尺寸限制，动铁式受静不定的限制。 动铁式：频率高、体积小、重量轻 动圈式：尺寸要求不严格、频率要求不高、价格低,动铁式力矩马达与动圈式力马达的比较,4.4 单级电液伺服阀的分析,4.4.1 动铁式单级电液伺服阀 结构如右图。 单级电液伺服阀的力矩马达带有滑阀负载，传递函数式4.36中有关系数需按右图重新计算。,带滑阀负载的力矩马达传递函数：,液压马达驱动惯性负载时，阀控液压马达的传递函数为：,动态特性分析,与一个只有惯性负载的液压马达相连的动铁式单级电液伺服阀方块图,2、稳定性分析,动铁式单级电液伺服阀液控马达系统是一个正反馈系统。考

12、虑稳定性是其设计的主要问题。 为得到工程上可以应用的设计准则，需对该系统的开环传递函数作合理简化。 系统开环增益 由劳斯判据，系统稳定的充要条件为： 单级电液伺服阀传递函数为：,3、静态特性分析,静态特性指描述稳态工作情况下，控制电流i、负载流量ql、负载压力pl之间的关系。 当kr=1时，无量纲特性曲线如右图。,稳态液动力刚度与力矩马达净弹簧刚度之比,kr=1时的曲线比kr=0时曲线平直，说明液动力补偿单级伺服阀负载压力变化时的影响。,当 时，流量压力特性曲线有较小的正斜率,kr对输出流量有一定的影响。负载压力 时，无因次流量达到最大值。,kr对面积梯度有影响。只有当 时，动铁式单级电液伺服

13、阀才稳定。,4、动铁式单级电液伺服阀设计准则,稳态液动力刚度与力矩马达净弹簧刚度之比kr，是一个重要的指标。 推荐设计值为1. 对于正开口阀，推荐设计值小于1/2 对于零开口阀，当kr=1时，强调面积梯度需满足条件：,4.5力反馈两级电液伺服阀,力反馈反馈弹簧杆将主阀芯的位移转化为力矩，并作用于挡板和衔铁，使衔铁转角减少。其实质：主阀芯的位置反馈。 负载压差一定时，阀的输出流量与控制电流成比例，所以是流量控制伺服阀。 由于挡板和衔铁均在中位附近工作，所以线性好。对力矩马达的线性要求也不高，可允许滑阀有较大的工作行程。 本节主要介绍力反馈两级电液伺服阀的工作原理,4.5.1 力反馈两级电液伺服阀

14、基本方程,数学处理： 忽略阀芯静摩擦力、力矩马达滞环等非线性。 力矩马达特性、喷嘴挡板液压放大器特性可作小信号线性化处理。 喷嘴挡板位移很小 输出级为理想零开口四通滑阀，滑阀上瞬态液动力忽略。,ps,ps,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,pl, ql,1信号线; 2永磁体; 3线圈; 4衔铁; 5弹簧管; 6喷嘴; 7挡板; 8反馈弹簧杆; 9阀芯; 10固定阻尼孔; 11过滤器; 12阀体,图 力反馈两级电液伺服阀结构原理图,力反馈反馈弹簧杆动作示意图,力反馈反馈弹簧杆动作示意图,喷嘴挡板弹簧杆衔铁组件工作原理,1为阀芯未动时弹簧杆形状。 2为阀芯移动到与衔铁组件平衡时

15、弹簧杆形状。,(a)干式力矩马达,(b)湿式力矩马达,基本方程,力矩马达电压基本方程 力矩马达传递函数 挡板位移方程 喷嘴挡板输给阀芯线性化流量方程 流量连续性方程 阀芯力平衡方程 这几个方程不要求推导过程和记忆。但要知道其物理意义。,以电流为输入的力反馈两级电液伺服阀方块图,以电压为输入的力反馈两级电液伺服阀方块图,至挡板的压力反馈,系统的不稳定性由滑阀位移和执行机构负载变化引起。 回路的开环增益在任何情况下都应小于1，即近似于开环不起作用。最大增益为：,力反馈两级伺服阀简化方块图,稳定条件：,4.7 电液伺服阀的选择及其性能参数,4.7.1 电液伺服阀选择方法 根据动力机构执行元件所需最大

16、负载流量qlm与最大负载压力plm，计算伺服阀的阀压降pv，折算为伺服阀样本对应参数额定负载流量qls、额定阀压降pvs ，然后确定型号。,电液伺服阀选型示例,已知某电液伺服系统的液压动力机构最大负载压力plm=10mpa，qlm=7.56l/min。拟选择qdy系列伺服阀。选择伺服阀并写出该电液伺服阀的传递函数。,解：1）确定供油压力： 考虑到伺服阀压力等级，选ps=14mpa。 2）阀压降： 3）折算负载流量： 根据样本参数pvs=7mpa，qls=10l/min，查该样本选型伺服阀qdy-10。选择控制电流30ma。,查表得qdy-10伺服阀参数：,4.7.2 伺服阀主要性能参数,额定电

17、流：为产生额定流量，控制线圈所需输入电流（不含零偏电流），单位为a。 额定电流与线圈的连接方式有关：串联、并联、差动 额定流量：在规定的阀压降下，对应于额定电流的负载流量，单位m3/s。 通常，在空载条件下规定伺服阀的额定流量。 负载压降为2/3供油压力时，规定的额定流量对应伺服阀的最大功率输出点 额定流量的允差一般为10%。额定流量表征伺服阀的规格和容量。 流量增益：输出流量与输入电流在给定的阀压降条件下关系曲线的斜率。,动画,滞环：产生相同输出流量的往返输入电流的最大差值与额定电流的百分比，通常小于5%。原因： 1）力矩马达磁路的磁滞（输入信号小，磁滞回环小）； 2）伺服阀中的游隙（机械固定处的滑动，阀芯与阀套的摩擦力，油的清洁度） 零偏：使阀处于零位所需输入电流i与额定电流im之比。 零漂：当工作条件变化引起阀的零位变化量。 分辩率