液压伺服系统第7章电液伺服阀

第7章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。它能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号(流量与压力)输出。根据输出液压信号的不同，电液伺服阀可分为电液流量控制伺服阀和电液压力控制伺服阀两大类。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电液伺服阀组成与分类一、电液伺服阀的组成电液伺服阀通常由力矩马达(或力马达)、液压放大器、反馈机构(或平衡机构)三部分组成。二、电液伺服阀的分类按液压放大级数分为：单级伺服阀此类阀结构简单、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，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、小流量和负载动态变化不大的场合。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。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。三级伺服阀通常只用在大流量的场合。按第一级阀的结构形式分类：可分为：滑阀、单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀射流管阀和偏转板射流阀。按反馈形式分类：可分为滑阀位置反嫂、负载流量反馈和负载压力反馈三种。按力矩马达是否浸泡在油中分类：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。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力矩马达7.2力矩马达在电液伺服阀中力矩马达的作用是将电信号转换为机械运动，因而是一个电气—机械转换器。电气—机械转换器是利用电磁原理工作的。它由永久磁铁或激磁线圈产生极化磁场。电气控制信号通过控制线圈产生控制磁场，两个磁场之间相互作用产生与控制信号成比例并能反应控制信号极性的力或力矩，从而使其运动部分产直线位移或角位移的机械运动。一、力矩马达的分类及要求1、力矩马达的分类

1)根据可动件的运动形式可分为：直线位移式和角位移式，前者称力马达，后者称力矩马达。

2)按可动件结构形式可分为：动铁式和动圈式两种。前者可动件是衔铁，后者可动件是控制线圈。3)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。

2、对力矩马达的要求

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，问时体积小、重量轻。

2)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。

4)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。

二、永磁力矩马达

1、力矩马达的工作原理

图2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、上导磁体、下导磁体、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(磁极)形成四个工作气隙①、②、⑤、①。两个控制线圈套在衔铁之上。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的控制磁通提供磁路。永磁动铁式力矩马达的工作原理

力矩马达磁路原理图

三、

永磁动圈式力马达图示为永磁动式力马达的结构原理。力马达的可动线圈悬置于作气隙中，永久磁铁在工作气隙中形成极化磁通，当控制电流加到线圈上时，线圈就会受到电磁力的作用而运动。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圈式力马达大。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。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，但动圈式力马达的造价低。7.3力反馈两级伺服阀一、工作原理无控制电流时，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。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—定时，阀的输出流量也与控制电流成比例。所以这是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、基本方程与方框图力矩马达的运动方程包括基本电压方程，衔铁和挡板组件的运动方程，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。伺服阀系统方块图三、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，重点介绍近似的传递函数：在大多数电液伺服系统中，伺服阀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，伺服阀可看成比例环节。数学模型若伺服阀相位滞后-90º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-90º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-90º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其它型式伺服阀一、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、直驱阀直驱阀（directdrivevalve,DDV）也称直驱伺服―比例伺服阀(directdriveservo-proportionalvalve)，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特性及主要性能指标一、静态特性电液流量伺服阀的静态性能，可根据测试所得到负载流量特性、空载流量特性、压力特性、内泄漏特性等曲线等性能指标加以评定。包括1、负载流量特性2、压力特性3、内泄漏特性4、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。额定流量（ratedflow）：额定电流和额定压力下，伺服阀流量输出。额定电流（ratedcurrent）：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。工作压力（Operatingpressure）:一般给出最大工作压力（Maxoperatingpressure）和回油压力(Returnflowpressure)滞环（Hysteresis）(%)：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。分辨率（Resolution）（Responsesensitivity）零偏（Nullbias）零漂（Nullshift）：供油压力零漂（Nullshift

withsupplypressure）；回油压力零漂（Nullshift