电液伺服比例系统

1、电液伺服比例系统目录比例控制和伺服控制技术第1章 概述 （2小时） 1.1 电液比例伺服控制系统工作原理及组成 1.2 电液比例伺服控制的分类 1.3 电液比例伺服控制的优缺点第2章 电液比例控制阀（2小时）2.1 电液比例控制阀的组成与分类2.2 电液比例控制阀的工作原理2.3 典型的电液比例阀第3章 电液伺服阀（4小时） 3.1 电液伺服阀的组成与分类 3.2 电液伺服阀的工作原理 1力矩马达 一. 力矩马达工作原理 二. 力矩马达分类三. 典型力矩马达 2液压放大器 一. 液压放大器种类 二. 滑阀三.喷咀挡板阀3.3 典型的电液伺服阀一.力反馈两级电液伺服阀 1.工作原理 2.基本方程

2、与方块图 3. 力反馈两级电液伺服阀 二.动圈式双级滑阀式电液伺服阀 1.工作原理 2.基本方程和传函 3.4 电液伺服阀的特性及主要性能 一.静特性 二.动特性 三.输入特性 四.伺服阀选择示例 3.5 液压伺服油缸第4章 电液伺服（比例）控制系统 （3小时） 4.1 电液位置伺服系统分析 1.系统组成及传递函数 2.系统稳定性分析 3.响应特性分析 4.静态误差分析 5.举例 4.2 速度控制系统 1.阀控速度控制系统 2.举例 第5章 电液系统的安装，使用与维护（2小时）5.1电液系统的组成与特点5.2电液系统的安装5.3电液设备使用与维护要点5.4电液系统备件管理要点第1章 概述 （2

3、小时） 1.1 电液比例伺服控制系统工作原理及组成 工作原理 电液比例伺服控制系统又称电液控制系统,它是以电气信号为输入,以液压信号为输出,电气检测传感器元件为反馈构成闭环（或开环）控制系统。由于是电气和液压相结合,因而系统可发挥两者的优点。电气信号便于测量转换放大处理校正,电气检测传感器元件便于检测各种物理量,且快速和多样性;液压信号输出功率大速度快,执行元件具有惯性小等优点。所以结合起来的电液控制系统具有控制精度高,响应速度快,信号处理灵活,输出功率大,结构紧凑,重量轻等优点。输入电气信号通常有电位器,电子放大器,PLC控制器和计算机等。电气检测传感器元件通常有位置传感器,压力传感器, 速

4、度传感器,编码器等元件。 输出是以液压动力执行元件(油缸和马达)和伺服元件组成的反馈控制系统。如图所示: 在此系统中,输出量(位移,力,速度等)通过反馈传感器(位移传感器,力传感器,速度传感器等)能自动地快速地准确地反映其变化.并与原先的给定的给定量进行比较,再放大输入给伺服阀,改变其阀芯位移,从而控制输出的压力和流量,驱动执行元件运动,直至输人量与输出量一致为止。举例:1. 阀控式电液位置控制伺服系统(如上图) 图中所示为双电位器电液位置控制伺服系统的工作原理图。该系统控制工作台的位置,使其按指令电位器给定的规律变化。 系统由指令电位器, 反馈电位器,电子放大器,电液伺服阀,液压缸和工作台组

5、成。 其工作原理如下: 指令电位器将位置指令xi转换成指令电压ur,被控制的工作台位置xp由反馈电位器检测转换成反馈电压ui。两个线性电位器接成桥式电路,从而得到偏差电压ue=ur-uf。当工作台位置xp与指令位置xi一致时,电桥输出偏差电压ue=0,此时伺服放大器输出电流为零, 电液伺服阀处于零位,没有流量输出,工作台不动。当指令电位器位置发生变化,如向右移动一个位移Oxi,在工作台位置发生变化之前, 电桥输出偏差电压ue=KOx, 偏差电压经伺服放大器放大后变为电流信号去控制电液伺服阀, 电液伺服阀输出压力油到液压缸,推动工作台右移.随着工作台的移动, 电桥输出偏差电压逐渐减小,当工作台移

6、动Oxp等于指令电位器位移Oxi时, 电桥输出偏差电压为零, 工作台停止移动。反之亦然.系统的工作原理方块图如下:2. 泵控式电液速度控制伺服系统该系统的液压动力执行元件由变量泵和液压马达组成,变量泵既是液压能源又是液压控制元件。由于操纵变量机构所需要的力较大,通常采用一个小功率的液压放大装置作为变量控制机构。如图所示为一泵控式电液速度控制伺服系统的原理图。图中所示系统采用阀控式电液位置控制机构作为泵的变量控制机构. 液压马达的输出速度由测速发电机检测,转换为反馈电压信号uf,与输入指令电压信号ur相比较,得出偏差电压信号ue=ur-uf,作为变量控制机构的输入信号。当速度指令为ur0时, 负

7、载以某个给定的转速w0工作,测速机输出反馈电压uf0,则偏差电压ue0=ur0-uf0,这个偏差电压对应于一定的液压缸位置,从而对应于一定的泵流量输出,此流量为保持负载转速w0所需的流量.如果负载变化或其它原因引起转速变化时,则uf 不等于uf0,假如w大于w0,即uf大于uf0,则ue=ur0-uf小于ue0,使液压缸输出位移减小,使泵输出流量减小,液压马达转速自动下调至给定值.反之,如果转速下降,则uf小于uf0,则ue=ur0-uf大于ue0,使液压缸输出位移增大,使泵输出流量增大,液压马达转速自动回升至给定值。结论: 速度指令一定时, 液压马达转速保持恒定;速度指令变化时, 液压马达转

8、速也相应变化。系统的工作原理方块图如下:一. 电液（比例）伺服控制系统组成1.输入元件-其功用是给出输入信号加于系统的输入端.可以是机械的,电气的等如靠模,电位器,计算机等.2.反馈测量元件-测量系统输出并转换为反馈信号.如各类传感器(位置传感器,压力传感器,速度传感器等).3.比较元件-将输入信号与反馈信号进行比较,给出偏差信号.4.放大转换元件-将偏差信号放大,转换成液压信号.妲伺服放大器,电液伺服阀等.5.执行元件-产生调节动作加于控制对象上,如液压缸和液压马达等.6.控制对象-被控制的设备等,即负载.7.液压能源装置及各种校正装置等.1.2 电液比例伺服控制的分类电液比例伺服控制系统可

9、按不同的原则分类,基本上有五大类。一. 按被控对象的物理量名称分类1.位置比例伺服控制系统 主要是控制被控对象的位置精度的伺服控制系统,如机床工作台的位置,板带轧机的板厚,振动试验台等系统。2.速度比例伺服控制系统主要是控制被控对象的速度精度的伺服控制系统,如原动机的调速,雷达天线的速度控制等。3.力比例伺服控制系统 以力为被调量的伺服控制系统,如材料试验机,轧机张力控制系统等。二. 按执行元件的控制方式分类1.阀控式伺服比例控制系统利用伺服或比例阀控制的伺服比例控制系统称为阀控式系统.它又可分为阀控缸系统和阀控马达系统两种. 其优点是响应速度快,控制精度高,结构简单.缺点是效率低.2.容积式

10、伺服控制系统 利用变量泵或变量马达控制的伺服比例控制系统称为容积式控制系统.它又可分伺服比例变量泵系统和伺服比例变量马达系统.三. 按系统输入信号的变化规律分类1. 定值控制系统 当系统输入信号为定值时称为定值控制系统.它的任务是将系统的实际输出量保持在希望值上.2. 程序控制系统 当系统输入信号为按预先给定的规律变化时称为程序控制系统.3. 伺服控制系统 伺服控制系统又称随动系统,其输入信号是时间的未知函数,而输出量能够准确快速地复现输入量的变化规律.四. 按信号的方式分类1.模拟信号控制系统 系统中全部信号都是连续的模拟量的系统称之.2.数字信号控制系统系统中全部信号都是数字量的系统称之.

11、3. 数字-模拟混合控制系统系统中部分信号是数字量部分信号是模拟量的系统称之.五. 按信号传递介质的形式分类1.比例控制开环系统 输入信号按比例给定,反馈测量不参与控制的开环系统称之.2.电液伺服控制系统 用液压动力元件,偏差信号的检测校正和初始放大等均用电气电子元件实现的系统称之.1.3 电液比例伺服控制的优缺点一. 电液伺服比例控制的优点1.液压元件功率-重量比和力矩-惯量比（力-质量比）大，因而结构紧凑，体积小，重量轻，用于中大型功率系统优点更明显. 比较举例：电气元件：最小尺寸取决于有效磁通密度，而有效磁通密度又受磁性材料的磁饱和限制；功率损耗产生的发热量散发又比较困难.因此功率-重量

12、比和力矩-惯量比小，结构尺寸大.液压元件：功率损耗产生的发热量由油带到散热器去散热，其最小尺寸取决于最大工作压力，而工作压力可以很高（通常可达32MPa）,因而元件尺寸小,重量轻, 功率-重量比和力矩-惯量比大.同功率:液压泵重量/电动机重量=10%-20% 液压泵尺寸/电动机尺寸=12%-13%液压马达功率重量比=10倍相当容量的电动机液压马达力矩-惯量比=10-20倍电动机2.液压动力元件快速性好,系统响应快.加速能力强,能高速起动和制动.3.液压伺服系统抗负载的刚度大.二. 电液伺服控制的缺点1.液压伺服元件抗污染能力差,对工作介质清洁度要求高.工作介质随温度变化而变化,对系统性能有影响

13、.2. 液压伺服元件制造精度高,成本高,且若元件的密封制造使用不当,易外漏,造成环境污染.3.液压能源传输不如电气系统方便.第2章 电液比例控制阀（2小时）2.1 电液比例控制阀的组成与分类2.1.1工作原理比例阀是一种输出量与输入信号成比例的液压阀，它可按给定的输入信号连续地按比例地控制液流的方向，压力和流量。电液比例控制系统与电液伺服系统类似,是以电气信号为输入,以液压信号为输出,电气检测传感器元件为反馈构成闭环或开环控制系统.由于是电气和液压相结合,因而系统可发挥两者的优点.电气信号便于测量转换放大处理校正,电气检测传感器元件便于检测各种物理量,且快速和多样性;液压信号输出功率大速度快,

14、执行元件具有惯性小等优点.电液比例控制系统控制精度、响应速度都比电液伺服系统差,但对油液的要求比电液伺服系统优，为此广泛应用在工程机械、冶金机械等工业上.输入电气信号通常有电位器,电子放大器,PLC控制器和计算机等. 电气检测传感器元件通常有位置传感器,压力传感器, 速度传感器,编码器等元件. 输出是以液压动力执行元件(油缸和马达)和比例元件组成的控制系统.如图所示为比例系统原理图:在此类系统中,输出量(位移,力,速度等)通过反馈传感器(位移传感器,力传感器,速度传感器等)能自动地快速地准确地反映其变化.在开环控制时，反馈传感器只做为显示值，不参与系统控制.只有在做闭环时才与原先的给定的给定量

15、进行比较,再放大输入给比例阀,改变其阀芯位移,从而控制输出的压力和流量,驱动执行元件运动,直至输人量与输出量一致为止.系统在开环时的工作原理方块图如下:系统在闭环时的工作原理方块图如下:2.1.2. 组成1）.输入元件-其功用是给出输入信号加于系统的输入端.可以是机械的,电气的等如靠模,电位器,PLC和计算机等.2.反馈测量元件-测量系统输出并转换为反馈信号.如各类传感器(位置传感器,压力传感器,速度传感器等).3.比较元件-将输入信号与反馈信号进行比较,给出偏差信号.4.放大转换元件-将偏差信号放大,转换成液压信号.如比例放大器等.5.执行元件-产生调节动作加于控制对象上,如液压缸和液压马达

16、等.6.控制对象-被控制的设备等,即负载.7.液压比例能源装置二. 电液比例控制系统的优缺点 电液比例控制系统的优缺点介于伺服系统和普通液压系统，其优点：1.液压元件功率-重量比和力矩-惯量比（力-质量比）大，因而结构紧凑，体积小，重量轻，用于中大型功率系统优点更明显.2.液压比比系统比普通液压系统快速性好,系统响应快.加速能力强,能高速起动和制动.3.液压比例系统抗污染能力比伺服系统好.4.比例元件制造精度比伺服阀低，成本相应低 电液比例控制的缺点1. 比例元件成本相应比普通液压元件高.2. 比例元件控制精度和反应速度比伺服系统低，3.液压能源传输不如电气系统方便.2.2 电液比例控制阀的工

17、作原理工作原理与分类2.2.1比例阀的工作原理2.2.2比例阀的分类比例阀的分类：比例阀一般有两种形式即普通型和伺服比例型.普通型比例阀：是用比例电磁铁取代了普通开关型液压阀的手动调节装置或普通电磁铁.因而可对液压参数进行远距离较高精度的连续控制.伺服比例型：其液压部分以滑阀式结构为主，滑阀相对阀套移动形成的矩形全周控制口可同时控制液流的压力流量方向，类似于伺服阀，频宽最高可达40-80HZ.按其用途与工作特点的不同，比例阀可分为比例压力阀，比例流量阀和比例方向阀。比例阀的结构: 比例阀主要由控制部分，主阀及放大板主成。1.比例阀的控制部分 电机械转换器是比例阀的控制部分，目前常用的形式有比例

18、电磁铁，动圈式力马达，力矩马达，伺服电机和步进电机等五种。 1) 比例电磁铁比例电磁铁是一种直流电磁铁，但和普通电磁阀用的电磁铁不同，它要求吸力（或位移）和输入电流成比例，并在衔铁的全部工作位置上，磁路中保持一定的气隙。按其输出位移的形式分有单向移动式和双向移动式两种。图2.2.1所示为单向移动式比例电磁铁。 图2.2.1 单向移动式比例电磁铁图中线圈2通电后形成的磁路经壳体5导向套12的右段衔铁10后，分成两路：一路由导向套左段的锥端到轭铁1而产生斜面吸力；另一路直接由衔铁的左段端面到轭铁而产生表面吸力.其合力即为比例电磁铁的输出力.改变线圈中的电流，即可在衔铁上得到与其成比例的吸力.2)动

19、圈式力马达图2.2.2所示为动圈式力马达。当可动线圈4中通入控制电流时，线圈在磁场中受力而移动.此力的方向由电流方向及固定磁通方向按左手定则来砰定.力的大小与磁场强度及电流大小成正比.动圈式力马达的线性行程范围大（±2-4mm），滞环小，可动质量小，工作频率较宽，结构简单，但如采用湿式方案，动圈受油的阻尼较大，影响频宽，因此适合作为气动比例元件图2.2.2 动圈式力马达3) 力矩马达图2.2.3所示为动圈式永磁力矩马达。工作原理与伺服阀的动圈式永磁力矩马达类似力矩马达输出力矩较小，适合控制喷嘴挡板类的先导级阀。其自振频率高，功率重量比大，抗加速度零漂性能好，但工作行程很小（小于0.2

20、mm）,制造精度要求高，抗干扰能力差些。 图2.2.3 动圈式永磁力矩马达此外还有伺服电机；步进电机等.2. 主阀普通型比例阀主阀为普通液压阀。按其用途与工作特点的不同，比例阀可分为比例压力阀，比例流量阀和比例方向阀。2.3 典型的比例阀1）比例压力阀比例压力阀按用途不同，有比例溢流阀，比例减压阀，比例顺序阀之分。按结构特点分有直动型和先导型比例压力阀。比例压力阀按用途不同，有比例溢流阀，比例减压阀，比例顺序阀之分。按结构特点分有直动型和先导型比例压力阀。a.比例溢流阀a)直动式比例溢流阀下图所示为直动式比例溢流阀结构图.比例电磁铁1通电后产生吸力，经推杆2和传力弹簧3作用在锥阀上，当锥阀底面

21、的液动力大于电磁吸力时，锥阀被顶开而溢流，连续地改变控制电流的大小，即可连续地按比例地控制锥阀的开启压力.图2.2.4 直动式比例溢流阀结构图b) 先导式比例溢流阀图2.2.5所示为先导式比例溢流阀结构图。其下部主阀与普通溢流阀相同.上部为先导压力阀.2为先导锥阀，1为阀.9膺久手动调整的先导阀，用于限制比例溢流阀的最高压力，以避兔因电子仪器发生故障使控制电流过大，压力超过系统允许最大压力的可能.（即当压力超过调定压力后,油顶开手动调整的先导阀回油箱,主阀上腔压力低,主阀打开,系统油回油箱.）如将比例先导压力阀的回油及先导阀9的回油都与主阀回油分开，则可作比例顺序阀使用。 图2.2.5 先导式

22、比例溢流阀结构图b.比例减压阀，比例顺序阀图2.2.6所示为先导式比例减压阀.上部为动圈式力马达,其推杆3端部起挡板作用,其位移与输入的控制电流成比例.改变喷嘴5与推杆3端部的可变液阻,控制了喷嘴前的先导压力,也就控制了主阀7上腔的压力,调节了减压阀的调定压力.图2.2.6 先导式比例减压阀2)比例流量阀比例流量阀有比例节流阀和比例调速阀两大类。它们是由电机械比例转换器匙与流量阀组合而成。比例节流阀是在普通节流阀的基础上，利用电机械比例转换器对节流阀口进行控制即成比例节流阀。a. 直控式比例节流阀它是在普通节流阀的基础上，利用电机械比例转换器对节流阀口进行控制即成比例节流阀。即比例电磁铁直接作

23、用在节流阀上,调节节流阀口的大小,调节流量.b.比例调速阀如下图2.2.7所示,它是由比例电磁铁和调速阀组成. 比例电磁铁的输出力作用在节流阀芯2上,与弹簧力液动力摩擦力相平衡.一定的控制电流对应一定的开口度.通过改变电流输入电流的大小,即可改变通过调速阀的流量.图2.2.7 比例调速阀3)比例方向控制阀比例方向控制阀不仅用来改变液流方向，还可控制流量的大小。它和普通换向阀的外形相似，但阀芯的结构是特殊的。可以实现不同的中位机能。图2.2.8 比例方向控制阀比例方向控制阀按控制方式分有直动式比例方向控制阀和先导式比例方向控制阀;按反馈形式分有带电反馈比例方向控制阀和不带电反馈比例方向控制阀;按

24、阀结构形式分有四通滑阀式比例方向控制阀和二通插装式比例方向控制阀或三通插装式比例方向控制阀.比例方向控制阀不仅用来改变液流方向，还可控制流量的大小。它和普通换向阀的外形相似，但阀芯的结构是特殊的。可以实现不同的中位机能,以满足系统的各种控制要求。阀芯与阀体配合间隙与普通换向阀的配合间隙大致相当,因此对油液的过滤精度要求相近,故其抗污染能力强.为了降低加工难度和制造成本,允许它有一定的中位死区,这样,在性能上除了动态响应比伺服阀低外,其性能与伺服阀相近.a.直动式比例方向控制阀下图所示为直动式比例方向控制阀的结构图。当电磁铁不通电时,阀芯由复位弹簧保持中位.当左边电磁铁输入一个电信号时, 左边电

25、磁铁就产生一个与输入电信号成比例的推力,推动阀芯克服弹簧力和液动力向右移动一定距离,阀芯上开的V形槽相对于阀体的控制台阶移动一定的开口量,P腔到B腔, A腔到T腔,流过一定流量的液体.若输入连续的电信号,则开口量就会随之呈线性变化,使阀的液流流量成比例的变化. 右边电磁铁输入一个电信号时,也产生相同的变化.改变左右电磁铁的信号,就可使阀芯处于左中右和任一位置,从而改变液流方向和流量.图2.2.9 直动式比例方向控制阀b.先导式比例方向控制阀图2.2.10所示为先导式比例方向控制阀的结构图。它与直动式比例方向控制阀的区别在于增加了先导阀3.当比例电磁铁1收到信号时,在先导阀的工作油口B彰生一个恒

26、定的压力,B腔的油液力通过控制油道作用到主阀芯的右端,推动主阀芯左移直至与主阀芯的弹簧相平衡,主阀芯上所开的节流槽相对于主阀体的控制台阶有一定的开口量.连续地给比例电磁铁输人电信号,就会使主阀的P腔到A腔B腔到T腔成比例地输出流量.若给比例电磁铁输入信号，就会使主阀的P腔B到腔A腔到T腔成比例地输出流量.图2.2.10 先导式比例方向控制阀b. 电反馈比例方向控制阀.在比例电磁铁的未端加装一个位置传感器3就可构成电反馈比例方向控制阀.如下图所示. 阀的基本组成:壳体1,比例电磁铁2, 位置传感器3,控制阀芯4,复位弹簧5.在电磁铁不工作时, 控制阀芯4由复位弹簧5保持中位.由比例电磁铁2直接驱

27、动阀芯运动.阀芯处在图示位置时,P、A、B、T互不相通.如左电磁铁通电,阀芯向右移动,则P与B通, A与T通.位置传感器3可以检测电磁铁推杆的位置,也即阀芯的确切位置.若有位置误差,就会产生一个反馈信号给放大器,输入反馈信号和反馈信号在放大器内比较,产生一个误差信号输入电磁铁,以补偿产生的误差.图2.2.11 电反馈比例方向控制阀d比例方向控制阀的性能特性a)稳态流量控制特性(流量-电信号)性能指标有: 名义流量增益曲线;滞环;线性度;零偏;对称度;重复精度. 流量增益曲线：在一定的阀压降下，指令信号与输出流量关系.当系统压力为被试阀的额定压力,输入额定电信号,并使比例方向控制阀进出口压差为1

28、MPa,调节输入电信号使其小于或等于0.05Hb的三角波(或正弦)信号,在正负额定电信号之间变化,同时测量相应的输出流量,一个完整周期的流量和电流曲线即稳态的流量曲线.滞环;线性度;零偏;对称度;重复精度等定义与伺服阀同例:力士乐系列直动式比例换向阀(a)型号说明4WRA6 * * * -10 B /* * * Z4 * * 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 111-名称：直动式比例换向阀 2-通径 （6-6通径；10-10通径）3-过渡状态机能、滑阀机能4-在1Mpa压降下的名义流量（如6通径阀:5-8L/min; 10-13L/min;20-17L/min） 5-系列号 6-电压-

29、直流24V 7-手动应急标记(无标记-不带手动按钮；N- 带手动按钮 )8-插头型式：Z4-无海水保护所带的插头 9-特殊保护（无标记-没有特殊保护；N-海水保护）10-工作介质（M-矿物油；V-磷酸脂油）11-其它详细说明(b)性能参数如工作压力；流量；滞环；重复精度，-3db下的频率响应等等参见样本.(c)流量增益曲线下图所示为力士乐系列4WRA6直动式比例换向阀在不同名义流量（13L/min和8L/min）在压降1Mpa时的输入电流和名义流量曲线.b)动态特性动态特性主要指比例阀的频率响应特性.主要由阀的波德图表示.频率响应特性:幅频宽f-32db-幅值比衰减到-3db时所对应的频率.

30、相频宽f-90-相信移汀到900时所对应的频率. 下图所示为力士乐系列4WRA6直动式比例换向阀频率响应特性曲线.图中所示为幅频宽f-32db 13; 图中所示为相频宽f-9014e)内泄漏特性在额定压力下，输入信号为零的内泄漏量.d. 伺服比例型方向控制阀 伺服比例型方向控制阀响应于可变的电压指令,提供可变的输出流量.其动态性能与伺服阀类似,阀芯可带有零遮盖和正遮盖.例:Parker公司的D31FH型高响应比例方向控制阀. 型号: D 31 F H * * * * * * * * * 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1-方向阀2-规格和界面3-比例流量调节4-高响

31、应带LVDT和机内电子电路5-流量比6-阀芯符号 7-阀芯行程代号 8-先导连接 9-密封件 10-电子品种 11-电子附件 12-阀附件 13-设计系列. 特性：高频率响应-阀芯带有零遮盖和正遮盖.当5%输入信号时有82HZ频率. 技术规格：详见样本（略） 4. 比例阀的选用 比例阀是介于普通阀与伺服阀之间的控制阀，与普通阀比，它能提高系统参数的控制水平，虽不如伺服阀的性能好，但成本低，对系统的污染要求比伺服系统低。 为此，广泛应用于要求对液压参数进行连续远距控制或程序控制，但对控制精度和动态特性要求不太高的系统。 如系统的液压参数的设定值超过三个，使用比例阀对其进行控制是最恰当的。此外，利

32、用斜波信号作用在比例方向阀上，可以对机构的加速和减速实现有效的控制；利用比例方向阀和压力补偿器实现负载补偿，便可精确地控制机构的运动速度而不受负载影响。 比例阀的功能参数选择应留有裕量,一般额定压力流量应高于系统实际使用值的10%-20%. 比例阀的安装方式有板式和插装式结构,应根据实际系统的需要正确选择. 一般的比例阀有25%的零位死区,频完在10HZ以下,只宜用于开环控制系统,闭环系统应慎重选用高性能的比例阀. 比例压力阀有不同压力等级,应正确选用. 比例流量阀不仅有不同的流量调节范围,还有不同的流量变化方式,如线性变化,加速减速各段加减速不同等型式.应根据系统对流量变化要求考虑型号规格.

33、流量阀还需保证使阀正常工作的压差. 工作介质要求:根据使用与样本一致.2.3.4比例阀的选用比例阀是介于普通阀与伺服阀之间的控制阀，与普通阀比，它能提高系统参数的控制水平，虽不如伺服阀的性能好，但成本低，对系统的污染要求比伺服系统低。 为此，广泛应用于要求对液压参数进行连续远距控制或程序控制，但对控制精度和动态特性要求不太高的系统。如系统的液压参数的设定值超过三个，使用比例阀对其进行控制是最恰当的。此外，利用斜波信号作用在比例方向阀上，可以对机构的加速和减速实现有效的控制；利用比例方向阀和压力补偿器实现负载补偿，便可精确地控制机构的运动速度而不受负载影响。伺服比例型主阀第3章 电液伺服阀 电液

34、伺服阀是电液伺服系统中的主要元件,它既是电液转换元件,又是功率放大元件.它能够把微小的电信号转换成大功率的液压能(流量和压力),是电液伺服控制系统的核心和关键. 电液伺服阀的输入信号是由电气元件来完成的,由它再转换成液压流量和压力,输出给执行机构,实现对执行机构各物理量的控制. 3.1 电液伺服阀的组成与分类 一.组成电液伺服阀通常由力矩马达,液压放大器,反馈机构三部分组成.以下图的两级中力反馈式电液伺服阀为例,简单介绍如下:图中上半部为力矩马达,下半部为液压放大器(由四通滑阀组成的液压放大器), 反馈机构则由反馈杆11组成.它们的作用分别是:1.力矩马达(力马达) 将输入的电信号转换成力矩或

35、力控制液压放大器运动.2.液压放大器 控制液压能源流向执行机构的流量和压力.3.反馈机构 使伺服阀输出的流量和压力获得与输入信号相应的特性.二.分类 电液伺服阀的种类很多,按不同的结构和机能常有以下几种分类:1.按输出量的控制功能分有:电液流量伺服阀-主要控制输出的液流流量特性,即在额定输入信号范围内,具有线性流量控制特性.电液压力伺服阀-在额定输入信号范围内,具有线性压力控制特性.电液压力-流量伺服阀-在额定输入信号范围内,具有线性压力-流量控制特性.2.按液压放大器的级数分有:单级伺服阀-只有一级放大元件.结构简单,价格低廉,但输出力和力矩小,输出流量小,对负载变化敏感.用于低压小流量和负

36、载变化不大的场合.两级伺服阀-有两级放大元件.它克服了单级伺服阀的缺点,是最常用的型式.三级伺服阀-由一个两级伺服阀作前置级,控制第三级功率滑阀.通常只用于大流量(200L/min)以上的场合.3.按第一级阀的结构分有:滑阀-第一级阀的结构是滑阀.此类阀流量和压力增益高,输出流量大,对油清洁度要求较低.但加工复杂,分辨率低,响应慢,滞环较大,阀芯受力大. 喷咀挡板- 第一级阀的结构是喷咀挡板. 此类阀灵敏,动态响应快,线性度好.但对油清洁度要求高,挡板受力小,驱动功率小.射流管- 第一级阀的结构是射流管阀. 此类阀抗污染强,但动态响应慢,受油温响应大.4.按反馈形式分有: 滑阀位置反馈-利用滑

37、阀的位置反馈的阀,常用的有直接位置反馈,机械位置反馈,位置电反馈,位置力反馈等. 直接位置反馈-阀芯位移通过反馈杆与挡板相连,构成滑阀位移力反馈.常用于两级伺服阀.机械位置反馈-将功率级滑阀的位移通过机械机构反馈到前置级.位置电反馈-将功率级滑阀的位移通过位移传感器反馈到伺服阀的放大器输入端,实现功率级滑阀阀芯定位.3.2 电液伺服阀的工作原理1力矩马达力矩马达是将电信号转换成机械运动的一种电气-机械转换一. 力矩马达工作原理利用电磁原理,由永久磁铁(或激磁线圈)产生极化磁场,而电信号通过控制线圈产生控制磁场,两个磁场相互作用,产生与控制信号成比例并能反映控制信号的极性的力或力矩,使其运动部分

38、产生直线位移或角位移的机械运动.二. 力矩马达分类1） 根据运动形式分（1) 角位移马达-力马达,可移动件是直角位移.（2) 直线位移马达力马达,可移动件是直线位移.2）按可动件结构分（1)动铁式-可动件是衔铁.（2)动圈式-可动件是控制线圈.3）按极化磁场产生的方式分（1)永磁式-利用永久磁铁建立极化磁通.（2)非极磁式-无专门的极磁线圈,两个控制线圈差动连接,利用常值电流产生极化磁通.（3)固定电流极磁式-利用固定电流通过极磁线圈建立极化磁场.对力矩马达要求1）能产生足够的输出力和行程,且要求体积小,重量轻.2）动态性能好,响应速度快.3）直线性好,死区小,灵敏度高,磁滞小.4）抗震,抗冲

39、击,不受环境温度和压力影响.三. 典型力矩马达1.）永磁动铁式力矩马达（1)组成下图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(2),上下导磁体(3,5),衔铁(4),弹簧管(1),控制线圈(两个控制线圈套在衔铁上). （2)工作原理永久磁铁将上下导磁体磁化,一个为N极, 一个为S极.无信号电流时,即两个控制线圈的电流i1=i2,衔铁在上下导磁体的中间位置,由于力矩马达结构是对称的, 永久磁铁在四个工作气隙中所产生的极化磁通是一样的,使衔铁两端所受的电磁吸力相同,力矩马达无力矩输出.当有信号电流通过控制线圈时,线圈产生控制磁通(其大小和方向取决于信号电流的大小和方向).假设 i

40、1>i2,如上图所示,在气隙1,3中控制磁通与极化磁通方向相同,而在气隙2,4中控制磁通与极化磁通方向相反,因此气隙1,3中其控制磁通与永久磁铁磁通合成大于气隙2,4中控制磁通与极化磁通的合成,于是衔铁上产生顺时针方向的电磁力矩,使衔铁绕弹簧管转动中心顺时针方向转动.当弹簧管变形产生的反力矩与电磁力矩相平衡时,衔铁停止转动.如果信号电流反向,则电磁力矩也反向,衔铁向反方向转动.电磁力矩的大小与信号电流的大小成比例,衔铁的转角也与信号电流成比例.因此调节信号电流便可调节电磁力矩的大小,也就调节衔铁的转角大小.2）永磁动圈式马达（1)组成永久磁铁,可动线圈,对中弹簧等.（2)工作原理 图所示

41、为一种常见的结构原理图. 图中,永久磁铁在工作气隙中形成极化磁通,当控制信号电流加到线圈上时,线圈就会受到电磁力的作用克服弹簧力和负载力而运动.线圈的位移与控制电流成比例.因此输入信号电流就会得到电磁力,且呈正比关系,具有线性特性.结论: 永磁动圈式力马达的电磁力与控制电流成正比,具有线性特性. 3）动铁式力矩马达与动圈式力马达比较动铁式力矩马达 动圈式力马达磁滞大 磁滞小工作行程小 工作行程大 输出力矩大,弹簧刚度大,固有频率高. 输出力矩小,固有频率低.同功率体积小, 价格高 同功率体积大,价格低 2液压放大器电液伺服阀另一个组成部分是液压放大器,它是一种以机械运动来控制流体动力的元件.它

42、将力矩马达(或力马达)输出的机械运动(转角或位移)转换为液压信号(液体的流量和压力)输出,并进行了功率放大.液压放大元件是伺服系统中的一种主要控制元件,其静动态特性对系统的性能影响很大.且结构简单,单位体积输出功率大,工作可靠和动态性能好.一.液压放大元件的种类液压放大元件有滑阀,喷咀挡板阀和射流管阀等. 二.滑阀滑阀是靠节流原理工作的.它借助于阀芯与阀套间的相对运动改变节流口面积的大小,对流体流量或压力进行控制.滑阀结构形式多,控制性能好,在电液系统中应用最广泛.1）滑阀的结构及分类(1)按进出阀的通道数划分它与液压方向阀的通道数一样,有四通阀,三通阀和二通阀.四通阀有一个进油口,一个回油口

43、,两个控制口.可用来控制双作用液压缸或马达.如图a所示.图a 四通阀三通阀有一个进油口,一个回油口,一个控制口.只可用来控制差动液压缸.如图b所示.84图b 三通阀 图c 二通阀 二通阀一个进油口,只有一个可变节流口,须和一个固定节流孔配合使用,才能用来控制差动液压缸. 如图c所示. (2)按滑阀的工作边数划分a.四边滑阀-与上对应四通阀有四个可控的节流口,又称四边滑阀,控制性能最好.如上图a所示.b. 双边滑阀-三通阀有两个可控的节流口,又称双边滑阀, 控制性能居中. 如上图b所示.c. 单边滑阀-单边滑阀只有一个可控的节流口, 控制性能最差.(3)按滑阀的预开口型式划分 按滑阀阀芯在中位时

44、,阀芯凸肩与阀套槽宽的几何尺寸关系划分有: a.正开口-阀芯凸肩与阀套槽宽的几何尺寸是负重叠的(即阀芯凸肩宽度大于阀套槽宽),参见图a.b.零开口-阀芯凸肩与阀套槽宽的几何尺寸是零重叠的(即阀芯凸肩宽度等于阀套槽宽),参见图b.c.负开口-阀芯凸肩与阀套槽宽的几何尺寸是正重叠的(即阀芯凸肩宽度小于阀套槽宽),参见图c.图a 正开口 图b 零开口 图c 负开口. 阀的预开口形式对其性能,特别是零位附近特性影响很大. 如下图所示: 零开口阀具有线性流量增益特性,性能比较好.负开口阀由于流量增益特性有死区,将引起稳态误差,有时还可能引起游隙,从而产生稳定性问题.正开口在正开口区内外的流量增益变化大,

45、压力灵敏度低,零位泄漏量大.图 不同开口形式的流量特性1-零开口 2-正开口 3-负开口2）滑阀静态特性滑阀静态特性是指稳态情况下,阀的负载流量qL, 负载压力pL和滑阀的位移xv三者之间的关系,即qL=f(pL, xv).它表示滑阀的工作能力和性能,对系统的静动态特性计算有重大意义.阀的静态特性可用方程(压力流量方程),曲线或特性参数(阀的系数)表示.(1) 滑阀静态特性a.压力流量方程滑阀的控制流量可由滑阀节流口流量公式表示,其流量是阀芯位移和节流口的压降的函数.为了使问题简化,在推导压力流量方程时,作了以下假设:a)液压能源是理想的恒压源,供油压力Ps为常数,回油压力P0为零.b)忽略管

46、道和阀腔内的压力损失.c)假定液体是不可压缩的.d)假定阀各节流口流量系数相等.e)阀的窗口都是匹配和对称的. 根据节流口流量公式,以四边滑阀为例,可推导出压力流量方程. 图 四边滑阀工作原理及等效桥路如图所示，阀的四个可变节流口以四个可变的液阻表示.通过每一桥臂的流量为Qi(i=1,2,3,4) ,通过每一桥臂的压降为Pi(i=1,2,3,4) , 负载流量为QL, 负载压力为PL,供油压力为PS, 供油流量为QS,回油压力为P0.根据桥路的压力平衡可得: P1+P4=Ps P2+P3=Ps P1-P2=PL P3-P4=PL根据桥路的流量平衡可得: Q1+Q2=Qs Q4+Q3=Qs Q4

47、-Q1=QL Q2-Q3=PL最后可写出各桥臂的流量方程为: Q1=g1P1 Q2=g2P2 Q3=g3P3 Q4=g4P4式中 gi=CdAi2/由于在大多数情况下,阀的窗口都是匹配的,因而 g1(xV)=g3(xV) g2(xV) =g4(xV) 窗口都是对称的,因而g2(xV) =g1(-xV)g4(xV) =g3(-xV)对于匹配且对称的阀,通过桥路斜对角线上的两个桥臂的流量是相等的.即Q1=Q3Q2=Q4对于匹配且对称的阀,通过桥路斜对角线上的两个桥臂的压降也是相等的.即P1=P3因而 Ps=P1+P2 P1=(Ps+PL)/2P2=(Ps-PL)/2联立求解方程,负载流量为QL=C

48、dA21/(ps - pL)- CdA11/(ps + pL)式中Cd-为流量系数,-为油密度, (=870Kg/m3) A1- 为节流口1的面积;A2-为节流口2的面积;ps 为恒压油源压力pL-为负载压力,pL=p1-p2.供油流量为Qs=CdA21/(ps - pL)+ CdA11/(ps + pL) b.滑阀的静态特性曲线 a)流量特性曲线 阀的流量特性是指负载压降等于常数时, 负载流量与阀芯位移之间的关系,其图形表示即为流量特性曲线. 负载压降为0时的流量特性称空载流量特性.相应的曲线为空载流量特性曲线,如图a所示. 图a 空载流量特性曲线图 图b 压力特性曲线 b)压力特性曲线 阀

49、的压力特性是指负载压降等于常数时, 负载压降与阀芯位移之间的关系,其图形表示即为压力特性曲线. 通常所指的压力特性是指负载流量为0时的压力特性,相应的曲线为压力特性曲线,如图b所示. c)压力-流量特性曲线阀的压力-流量特性曲线是指阀芯位移一定时, 负载流量与负载压降之间关系的图形. 如下图所示为理想零开口四边滑阀的压力-流量特性曲线族.它.全面描述了阀的稳态特性,并可获得阀的全部性能参数.阀在最大位移下的压力-流量特性曲线可以表示阀的工作能力和规格.,当负载所需的压力和流量能被阀在最大位移下的压力-流量特性曲线所包围时,阀就能满足负载的要求c.阀系数 为了方便用线性化理论对系统进行动态分析,将阀的静态特性方程 QL=f(pL, xv)线性化.其方法是将方程式在某一特定的工作点附近展成台劳级数并忽略二阶以上的高阶无穷小项,得出下述表达式: QL=|Axv +|ApL QL=Kq xv - KcpL Kq-流量增益系数Kq=它表示负载压降一定时,阀单位输入位移所引起的负载流量变化的大小,是流量特性曲线在某一点的切线斜率.其值越大,阀对负载流量的控制就越灵敏. 流量增益系数直接影响系统的开环增益,因而对系统的稳定性,响应特性,稳态误差有直接响应.Kc-流量-压力增益系数Kc=. 它