第五章电液伺服阀

1、Chapter 5 Electro-hydraulic Servo valve第五章第五章 电液伺服阀电液伺服阀5.0 Introduction 引言引言5.1. Structures and types 构造与类型构造与类型5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析5.0 Introduction 引言引言n电液伺服阀既是电液转换元件，又是功电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件率放大元件n能将微小的电气输入信号成比例地转换能将微小的电气输入信号成比例地

2、转换为大功率的液压功率输出为大功率的液压功率输出n电液伺服阀控制精度高、响应速度快电液伺服阀控制精度高、响应速度快n电液伺服系统中的关键元件电液伺服系统中的关键元件n高性能的电液控制元件高性能的电液控制元件n高技术产品高技术产品Chapter 5 Electro-hydraulic Servo valve第五章第五章 电液伺服阀电液伺服阀5.0 Introduction 引言引言5.1. Structures and types 构造与类型构造与类型5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服

3、阀分析力矩马达式电液伺服阀分析5.1. Structures and types 构造与类型构造与类型5.1.1电液伺服阀作用：电液伺服阀作用：信号转换元件：电信号信号转换元件：电信号机械信号机械信号（机-电接口）功率放大元件：信号功率功率放大元件：信号功率（毫瓦-瓦级）驱动功驱动功率率（千瓦-数百千瓦级）1-永磁铁 2-下导磁体 3-衔铁 4-线圈 5-弹簧管 6-上导磁体 7 喷嘴 8-滑阀 9-固定节流孔5.1. Structures and types 构造与类型构造与类型5.1.2构造构造n电电-机械转换器（力马达、力矩机械转换器（力马达、力矩马达）马达）电流电流电磁力（力矩）电磁力

4、（力矩）机械机械位移（角位移）位移（角位移）n液压功率放大器（液压阀）液压功率放大器（液压阀）前置放大：双喷嘴挡板阀（正前置放大：双喷嘴挡板阀（正开口四边滑阀，喷管阀）开口四边滑阀，喷管阀）功率放大：零开口四边滑阀功率放大：零开口四边滑阀n反馈装置（放大级间反馈）反馈装置（放大级间反馈）1-永磁铁 2-下导磁体 3-衔铁 4-线圈 5-弹簧管 6-上导磁体 7 喷嘴 8-滑阀 9-固定节流孔1-永磁铁2-调整螺钉 3平衡弹簧 4-动圈5.1. Structures and types 构造与类型构造与类型n力马达与力矩马达力马达与力矩马达动圈式力马达动圈式力马达载流体在磁场中受力的原理载流体在

5、磁场中受力的原理输出力：输出力：F=DNBgI=KfI输入电流I=150300mA，F=35N最大位移(13)mm，频响100Hz式中：D-线圈直径，N-线圈匝数 Bg-磁感强度，Kf-电磁力系数1-永磁铁 2-下导磁体 3-衔铁 4-线圈 5-弹簧管 6-上导磁体 7 喷嘴 8-滑阀 9-固定节流孔5.1. Structures and types 构造与类型构造与类型3-永磁铁 4-衔铁 5-导磁体 6-弹簧管53动铁式力矩马达动铁式力矩马达衔铁在磁场中受力的原理衔铁在磁场中受力的原理输入电流输入电流I=1030mA输出力矩输出力矩T=0.020.06Nm输出角位移输出角位移0.25mm

6、或或10-4rad频响频响2001000Hz5.1. Structures and types 构造与类型构造与类型5.1.3 类型类型(1). 动圈力马达伺服阀动圈力马达伺服阀n构造构造机机-电转换的动圈式力马达电转换的动圈式力马达两级滑阀放大两级滑阀放大前置级前置级正开口滑阀正开口滑阀功率级功率级零开口四边滑阀零开口四边滑阀位置反馈位置反馈nDY系列，工业用系列，工业用 5.1. Structures and types 构造与类型构造与类型(2). 力矩马达式双喷嘴挡板电力矩马达式双喷嘴挡板电液伺服阀液伺服阀n构造构造动铁式力矩马达动铁式力矩马达前置级：双喷嘴挡板阀前置级：双喷嘴挡板阀功

7、率级：零开口四边滑阀功率级：零开口四边滑阀位置（力）反馈。位置（力）反馈。nQDY系列（系列（MooG）系列）系列n工程用工程用1-永磁铁 2-下导磁体 3-衔铁 4-线圈 5-弹簧管 6-上导磁体 7 喷嘴 8-滑阀 9-固定节流孔大亚湾核电站主蒸汽阀门电液伺服控制机构大亚湾核反应堆模型大亚湾核反应堆模型核燃料棒模型核燃料棒模型核电站模型核电站模型核燃核电站外景核燃核电站外景Chapter 5 Electro-hydraulic Servo valve第五章第五章 电液伺服阀电液伺服阀5.0 Introduction 引言引言5.1. Structures and types 构造与类型构造

8、与类型5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析5.2.1 Analysis of torque motor 力矩马达分析力矩马达分析5.2.2 Analysis of nozzle flapper valve 喷嘴挡板阀分析喷嘴挡板阀分析5.2.3 Analysis of coil circuit 线圈电路分析线圈电路分析gA2F1F力矩马达磁路力矩马达磁路5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic

9、 servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析5.2.1 Analysis of torque motor 力矩马达分析力矩马达分析（1）电磁力矩：（2）电磁力：aFFTm)(221gAF022式中： 气隙中的磁通7104空气的磁导率，H/m gA气隙的面积，5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析因此就有：102112gAF设计时保证了gggggAAAAA4321所以就有：)(212221021gAFF（3）等效磁路的磁动势（柯希霍

10、夫第2定律）磁路1：永磁铁气隙1线圈气隙3永磁铁03311RINRMcco3311RR112 RINMccogA2F1F力矩马达磁路力矩马达磁路5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析222RINMcco于是就有：112RINMcco222RINMcco式中：ggoRM2磁铁的磁动势cgccRIN2线圈的磁动势g磁铁在气隙中的磁通gogAgR衔铁中位时气隙磁阻，c线圈电流产生的磁通cN线圈匝数 磁路2：永磁铁气隙2线圈气隙4永磁铁gA2F1F力矩马达磁路力矩马

11、达磁路5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析goAxgR1goAxgR2，分别是气隙1，2处的磁阻 g衔铁中位时气隙长度，x衔铁在气隙中的偏转量带入相关参数整理后得：gxcg11gxcg1222222221)(1 )(1 )(14gxgxgxgcgcggccgcccAgINRIN022因为x a tga 并且gA2F1F力矩马达磁路力矩马达磁路5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo

12、 valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析gx 1)(2gxgc1)(2gc考虑到：即，即，上式化简后得: mctmKIKT式中：gctNgaK)(2电磁力矩系数22)(4ggmRgaK磁弹簧系数力矩马达电磁力矩方程力矩马达电磁力矩方程)()(22221021gmAaaFFT2222202)(1 )(1 )(4)(1 2gxgaAgIgxgaNgcggccgChapter 5 Electro-hydraulic Servo valve第五章第五章 电液伺服阀电液伺服阀5.0 Introduction 引言引言5.1. Structures and types 构造与类型构造与

13、类型5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析5.2.1 Analysis of torque motor 力矩马达分析力矩马达分析5.2.2 Analysis of nozzle flapper valve 喷嘴挡板阀分析喷嘴挡板阀分析5.2.3 Analysis of coil circuit 线圈电路分析线圈电路分析1-永磁铁 2-下导磁体 3-衔铁 4-线圈 5-弹簧管 6-上导磁体 7 喷嘴 8-滑阀 9-固定节流孔5.2. Analysis of t

14、orque motor type electro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析5.2.2 Analysis of nozzle flapper valve 喷嘴挡板阀分析喷嘴挡板阀分析（1）. 挡板组件的力矩方程挡板组件的力矩方程LaaamTKdtdfdtdJT22式中：aJ挡板组件的转动惯量af挡板组件的粘性阻尼系数 aK弹簧管的刚度系数 )()(brxbrKTvfL反馈杆力矩，其中fK是反馈杆的弹簧刚度。将LTmctmKIKT和代入上式拉斯变换后得 22)()(brKbrKKKKffmalmaKK 式中：，设计时保证了即弹簧管刚

15、度等于磁弹簧刚度vflaactXbrKKsfsJIK)()(2（1）5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析（2）挡板角位移与挡板线位移之间的关系）挡板角位移与挡板线位移之间的关系 rtgrxp（，偏转角很小时，正切值就等于角的弧度）拉斯变换后得:（3）挡板线位移与滑阀位移之间的关系）挡板线位移与滑阀位移之间的关系 dtAxKxpqpv拉斯变换整理后得：)()(sXAsKsXpqpv（3）式中：qpK喷嘴挡板阀的流量增益，px挡板在喷嘴处的位移m A滑阀的阀芯

16、截面积，m2 ，vx滑阀阀芯位移，m 由上3式可得以滑阀位移为输出，马达线圈电流为输入的方框图 rxp（2）)()(srsXp5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析-laaKsfsJ21)(brKftKrAsKqpcImTpxvx化简后得：- 12)(2sssKhvvhv)(brKKftcIvx其中：AbrrKKqp)( 开环增益， alhvJK无阻尼自然频率hvlavKf21阻尼比 5.2. Analysis of torque motor type el

17、ectro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析aflJbrKK2)(628alhvJKrad（1000Hz）n电液伺服阀的固有频率很高，当其频宽与动力元件液压频率相近时，可近似地看成一个二阶振荡环节n当其频率是被控对象的35倍时，电液伺服阀可近似地看成为一阶惯性环节：其传递函数就是：1)(/TsbrKKIxftcv式中：rKAbrTqp)(伺服阀的时间常数n如果伺服阀的固有频率是被控对象频率的（5-10）倍，可近似地看成为一个比例环节，传递函数就变成： )(brKKIxftcvChapter 5 Electro-hydraulic Ser

18、vo valve第五章第五章 电液伺服阀电液伺服阀5.0 Introduction 引言引言5.1. Structures and types 构造与类型构造与类型5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析5.2.1 Analysis of torque motor 力矩马达分析力矩马达分析5.2.2 Analysis of nozzle flapper valve 喷嘴挡板阀分析喷嘴挡板阀分析5.2.3 Analysis of coil circuit 线圈电

19、路分析线圈电路分析5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析5.2.3 Analysis of coil circuit 线圈电路分析线圈电路分析（1） 伺服阀的线圈连接方式伺服阀的线圈连接方式（a）（b）（c）（d）a）单线圈：）单线圈：用于力马达，其中rp为放大器内阻 b）双线圈串联）双线圈串联：相对单线圈匝数加倍，电阻加倍，电流减半c）双线圈并联：）双线圈并联：电阻减半，电流加倍，工作可靠，一只线圈损坏仍能工作d）双线圈差动连接：）双线圈差动连接：电路对称

20、，温度和电源波动影响可互补，控制灵敏度高n都要接入颤振（都要接入颤振（Dither）信号，）信号，以便消除阀芯的静摩擦影响5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析n对颤振信号的要求：对颤振信号的要求：正弦波形振幅是阀芯最大位移的(0.5-1)%频率是指令信号的24倍（2） 双线圈差动联接的电路分析双线圈差动联接的电路分析采用单端输入，双端输出的推挽直流放大器Ebb用于线圈产生空载电流I0的稳压电源A）. 当输入信号eg=0时，放大器的输出电压e1=e2=0 ，

21、所以)/(021pcbbrRZEIII两线圈电流大小相等方向相反，所产生的磁通相抵消，衔铁不偏转，阀对外无输出，仅颤振信号使阀芯在原位阀芯在原位附近高频振荡高频振荡 5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析B). 当当0ge时时geeKee21gugeoeKeKeee221iII01两线圈电流电流不同，磁通磁通不同，必引起与电流成正比的衔铁偏转衔铁偏转iIIIc221n差动连接灵敏度高灵敏度高如果I0=0.5Icmax=imax 当eg=egmax时I1=2i

22、max，I2=0当eg=-egmax时I1=0，I2=2imax其中：I0 空载电流（稳压电源） Ic 线圈的控制电流 i 信号电流（信号电压产生）线圈的实际控制电流控制电流：Ke放大器单边的增益Ku放大器的总增益iII02是信号电流的是信号电流的2倍倍5.2. Analysis of torque motor type electro-hydraulic servo valve力矩马达式电液伺服阀分析力矩马达式电液伺服阀分析C). 线圈电压平衡方程：线圈电压平衡方程： 线圈1：dtdNZIrRZIeEacbpcbbb211)(线圈2：dtdNZIrRZIeEacbpcbbb122)(两式相减式，同时考虑到gucceKeeeIII2121,则：dtdNIrReKa