【正文】 北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 《 液壓伺服控制系統(tǒng) 》 部分 主講教師 : 王新華 機(jī)電伺服驅(qū)動技術(shù) 第 5章 電液伺服閥 內(nèi)容摘要 ? 電液伺服閥的組成和分類 ? 力矩馬達(dá) ? 力反饋兩級電液伺服閥 ? 電液伺服閥的特性及主要性能指標(biāo) 概 述 ? 電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。 ? 充分利用電子、電氣元件傳遞信號迅速、傳遞能量方便的特點(diǎn)，用它作為反饋測量和放大變換元件，并利用液壓執(zhí)行元件輸出功率大，結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，用它作為動力元件。 ? 電液伺服閥控制精度高、響應(yīng)速度快，具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)。 ? 電液伺服閥是通過連接系統(tǒng)的電氣與液壓部分，將輸入的微小電氣信號轉(zhuǎn)換為大功率的液壓信號 (流量與壓力 )輸出，實(shí)現(xiàn)電液信號的轉(zhuǎn)換與放大，并對液壓執(zhí)行元件進(jìn)行控制。 第 5章 電液伺服閥 電液伺服閥的組成及分類 一、電液伺服閥的組成 ? 組成： 力矩馬達(dá)（力馬達(dá)）、液壓放大器、反饋機(jī)構(gòu) 力矩馬達(dá)（力馬達(dá)）： 把輸入電氣控制信號轉(zhuǎn)換為力矩或力控制液壓放大器。液壓放大器控制液壓能源流向液壓執(zhí)行元件的流量或壓力。 力矩馬達(dá)（力馬達(dá)）的輸出力矩或力很小，在閥流量較大時，無法驅(qū)動功率級閥運(yùn)動，需要增加液壓前置級，將力矩馬達(dá)或力馬達(dá)的輸出加以放大，再去控制功率級閥，構(gòu)成 二級或三級電液伺服閥 。 第一級結(jié)構(gòu)型式： 單 （雙） 噴嘴擋板閥、滑閥、射流管閥和射流元件 功率級： 滑閥 反饋機(jī)構(gòu)： 用于二級或三級電液伺服閥中，將功率級的閥芯位移（或輸出流量、壓力）以位移、力或電信號的形式反饋到第一級或第二級的輸入端，也有反饋到力矩馬達(dá)銜鐵組件或力馬達(dá)輸入端。 平衡機(jī)構(gòu)： 用于單級伺服閥或二級彈簧對中式伺服閥，通常采用彈性元件，是一個力 位移轉(zhuǎn)換元件。 伺服閥輸出級所采用的反饋機(jī)構(gòu)或平衡機(jī)構(gòu)是為了伺服閥的輸出流量或輸出壓力獲得與輸入電氣控制信號成比例的特性。從而構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，提高了伺服閥的控制性能。 電液伺服閥的組成及分類 一、電液伺服閥的分類 1 按液壓放大器的級數(shù)分： 單級、二級、三級電液伺服閥。 ? 單級伺服閥： 輸出力矩或力較小，定位剛度低，輸出流量有限，對負(fù)載動態(tài)變化敏感，易產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)，使用于低壓小流量。 ? 兩級伺服閥： 應(yīng)用最廣 ? 三級伺服閥： 兩級伺服閥作前置級、第三級功率級滑閥，功率級滑閥位移通過電氣形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)滑閥閥芯的定位，適用大流量場合。 2 按第一級液壓放大器的結(jié)構(gòu)分： 單 （雙） 噴嘴擋板閥、滑閥、射流管閥和射流元件 電液伺服閥的組成及分類 ? 滑閥放大器： 流量增益和壓力增益高，輸出流量大，對油液清潔度要求低。 結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，閥芯受力大，分辨率低，滯環(huán)大，響應(yīng)慢。 ? 單噴嘴擋板閥： 特性不好，很少用 ? 雙噴嘴擋板閥： 動態(tài)響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)對稱，壓力靈敏度高，特性線性好，溫度和壓力零漂小，檔板受力小，輸出功率小。 間隙小，易堵塞，抗污染能力差，對油液清潔度要求高。 ? 射流管及射流元件：最大優(yōu)點(diǎn)：抗污染能力強(qiáng)，最小通流尺寸大，不易堵塞，壓力效率和容積效率高，可產(chǎn)生較大的控制壓力和流量，提到功率級滑閥的驅(qū)動力，使功率級滑閥的抗污染能力增強(qiáng)。 當(dāng)出現(xiàn)堵塞是，滑閥也能自動處于中位，具有失效對中能力。特性不易預(yù)測，慣性大，動態(tài)響應(yīng)慢，受油溫變化影響大，低溫特性差。 電液伺服閥的組成及分類 3 按反饋形式分： 滑閥位置反饋、負(fù)載流量反饋、負(fù)載壓力反饋 ? 滑閥位置反饋 根據(jù)反饋形式又分為： 機(jī)械位置反饋 機(jī)械力反饋（位置力反饋） 電氣反饋（位置電反饋） 直接反饋（直接位置反饋） 位置比例反饋（彈簧對中式反饋） 電液伺服閥的組成及分類 ① 機(jī)械位置反饋： 將功率級滑閥的位移通過機(jī)械機(jī)構(gòu)反饋到前置級。 第一級為三通閥，有內(nèi)外兩個閥套，閥芯由左右兩個馬達(dá)差動作用帶動。環(huán)形腔與供油壓力 ps相通，產(chǎn)生推力，使內(nèi)閥套緊貼反饋杠桿，工作窗口 2和 3有一預(yù)開口，使工作腔 4有一定壓力。 電液伺服閥的組成及分類 ② 電氣反饋（位置電反饋） 是通過位移傳感器將功率級滑閥的位移反饋到伺服閥放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)功率級滑閥閥芯位移的定位，通過機(jī)械機(jī)構(gòu)反饋到前置級。 電液伺服閥的組成及分類 ③ 彈簧對中式伺服閥 是靠功率級滑閥閥芯兩端的對中彈簧與前置級產(chǎn)生的液壓控制力相平衡，實(shí)現(xiàn)滑閥閥芯的定位，閥芯位置屬于開環(huán)控制。 ? 負(fù)載流量反饋 滑閥位置反饋和流量反饋伺服閥主要控制閥的輸出流量，統(tǒng)稱 流量反饋伺服閥 。通常的液壓伺服系統(tǒng)控制的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度或位置，故流量伺服閥用得最多。流量反饋式伺服閥通過兩流量計(jì)將負(fù)載流量轉(zhuǎn)換成流量計(jì)閥芯的位移，此位移又通過兩個反饋彈簧轉(zhuǎn)換成力反饋到銜鐵組件上。 電液伺服閥的組成及分類 ? 負(fù)載壓力反饋 控制對象是負(fù)載力或負(fù)載壓力，如機(jī)件作力特性實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)對象按一定載荷譜進(jìn)行伺服加載及剎車減速等，可用壓力伺服控制閥。 壓力伺服閥具有負(fù)載壓力反饋，包括靜壓反饋和動壓反饋伺服閥。 4 按力矩馬達(dá)是否浸泡在油中分： 濕式和干式兩種。 濕式可使力矩馬達(dá)受到油液冷卻，但易受油液中的污物污染，使力矩馬達(dá)的特性變壞。干式不受油液污染，使用較多。 ? 力矩馬達(dá)的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動，是電氣 機(jī)械轉(zhuǎn)換器。 ? 電氣 機(jī)械轉(zhuǎn)換器是利用電磁原理工作的，它由永磁鐵或激勵線圈產(chǎn)生極化磁場，電氣控制信號通過控制線圈產(chǎn)生控制磁場，兩個磁場之間相互產(chǎn)生與控制信號成比例并能反應(yīng)控制信號極性的力或力矩，從而使其運(yùn)動部產(chǎn)生直線位移或角位移的機(jī)械運(yùn)動。 力矩馬達(dá) 一、力矩馬達(dá)的分類及要求 1 力矩馬達(dá)的分類 ? 根據(jù)可動件結(jié)構(gòu)形式： 動鐵式和動圈式 ? 根據(jù)可動件的運(yùn)動形式分： 直線位移式和角位移式 b,d,e,f,g,h 動圈式：運(yùn)動部件是線圈，基于載流導(dǎo)體在磁場中受力的原理工作。 a 動鐵式：運(yùn)動部件是銜鐵，基于磁通通過氣隙時產(chǎn)生電磁力的原理工作。 直線位移式稱力馬達(dá)， a,c,g。角位移式稱力矩馬達(dá)。 b,d,e,f,h ? 按極化磁場產(chǎn)生方式分： 非激磁式、固定電流激磁式和永磁式。 非激磁式： 沒有專門的激磁線圈，必須用推挽放大器與兩個控制線圈連接成差動電路工作，利用線圈中的常值電流產(chǎn)生極化磁通。 g,h 激磁式： 用恒定電流通過激磁線圈建立極化磁場，可得較大極化磁通。需要有獨(dú)立的激磁電源。 d 永磁式： 利用永久磁鐵建立極化磁通，結(jié)構(gòu)緊湊，極化磁通小。a,b,c,e,f 力矩馬達(dá) 2 對力矩馬達(dá)的要求 作為閥的驅(qū)動裝置，對它提出以下要求； （ 1）能夠產(chǎn)生足夠的輸出力和行程，體積小、重量輕。 （ 2）動態(tài)性能好、響應(yīng)速度快。 （ 3）直線性好、死區(qū)小、靈敏度高和磁滯小。 （ 4）在某些情況下，要求抗振、抗沖擊、不受環(huán)境溫度和壓力等影響。 二、永磁動鐵式力矩馬達(dá) 1 力矩馬達(dá)的工作原理 ? 結(jié)構(gòu)： 永久磁鐵、上導(dǎo)磁體、下導(dǎo)磁體 銜鐵、控制線圈、彈簧管等 力矩馬達(dá) ? 工作原理： 銜鐵固定在彈簧管上端，由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置，可繞彈簧管的轉(zhuǎn)動中心作微小的轉(zhuǎn)動。銜鐵兩端與上、下導(dǎo)磁體 (磁極 )形成四個工作氣隙①、②、 ③ 、 ④ 。兩個控制線圈套在銜鐵之上。上、下導(dǎo)磁體除作為磁極外，還為永久磁鐵產(chǎn)生的極化磁通和控制線圈產(chǎn)生的控制磁通提供磁路。 （ 1）當(dāng)沒有控制電流（信號電流）輸入時， i1=i2：永久磁鐵在四氣隙中產(chǎn)生大小相等的極化磁通，銜鐵受力平衡，處于中間位置，力矩馬達(dá)無力矩輸出。 力矩馬達(dá) （ 2）當(dāng)控制電流（信號電流）通過線圈時， i1≠i2：控制線圈在銜鐵上產(chǎn)生控制磁通，大小和方向取決信號電流的方向。若 i1i2，極化磁通由上自下通過四氣隙，控制磁通在銜鐵上由左向右通過，氣隙 ①③中的控制磁通與極化磁通方向相同，兩磁通相加，而 氣隙 ②④中的相反，兩磁通相減。因此， ①③中的合成磁通大于②④，銜鐵左端電磁吸力的合力向上，右端的向下，銜鐵產(chǎn)生順時針方向的電磁力矩。使銜鐵繞彈簧管轉(zhuǎn)動中心產(chǎn)生順時針方向的轉(zhuǎn)動，銜鐵的轉(zhuǎn)動時彈簧管產(chǎn)生變形，形成一個與電磁力矩方向相反的力矩，當(dāng)彈簧管變形力矩與電磁力矩相平衡時，銜鐵停止轉(zhuǎn)動。 力矩馬達(dá) ? 控制電流越大，產(chǎn)生的電磁力矩越大，銜鐵轉(zhuǎn)角越大。電磁力矩的大小與信號電流的大小成比例，銜鐵的轉(zhuǎn)角也與信號電流成比例。如果力矩馬達(dá)有負(fù)載，則形成負(fù)載力矩作用在銜鐵上。負(fù)載力矩和彈簧管力矩加在一起與電磁力矩平衡。 （ 3）當(dāng)控制電流（信號電流）的極性相反， i1i2： 銜鐵產(chǎn)生逆時針方向的電磁力矩。銜鐵的轉(zhuǎn)動方向反映了控制電流的極性。 2 力矩馬達(dá)的電磁力矩 電磁力矩是通過對力矩馬達(dá)進(jìn)行磁路分析求得，求出電磁力矩與力矩馬達(dá)結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，以進(jìn)行力矩馬達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特性分析。 力矩馬達(dá) ? 磁路的基本關(guān)系式：磁路的歐姆定律 MR??M 為磁勢 ,（ 安 ?匝 ）； ? 為磁通 ,（ 韋 ）； R 為磁阻 ,（ 安 ?匝 /韋 ）； 力矩馬達(dá) lRA??其中 , lA ?r?80 0 .4 1 0?? ???式中 , 磁路長度 (厘米 )。 垂直于磁通的截面積 (厘米 2) 。 導(dǎo)磁系數(shù) (韋 /厘米 ?安 )， 0r? ? ??相對導(dǎo)磁系數(shù)，空氣的 。 1r? ?空氣的導(dǎo)磁系數(shù) (韋 /厘米 ?安 )。 假設(shè)力矩馬達(dá)的兩個控制線圈由一個推挽放大器供電。常值電壓 E0，在每個線圈中產(chǎn)生的常值電流 I0，大小相等方向相反。在銜鐵上不產(chǎn)生電磁力矩。 當(dāng)有輸入電壓 Ug時，一個控制線圈中的電流增加，另一個減小。 即 力矩馬達(dá) 10i I i?? 20i I i??i 控制線圈中的信號電流（控制電流）。 兩線圈中的差動電流： 12 2 ci i i i i? ? ? ? ?? 差動電流 △ i即為輸入力矩馬達(dá)的控制電流 ic。 在銜鐵中產(chǎn)生的控制磁通以及由此產(chǎn)生的電磁力矩比例于差動電流。 ? 每個線圈中的信號電流 i是 △ i的一半，常值電流 I0通常是△ i的最大值一半。當(dāng)放大器輸入的信號最大時，力矩馬達(dá)的一個線圈中的電流接近于零，另一個達(dá)到最大差動電流。 力矩馬達(dá)的磁路原理圖，忽略磁性材料和非工作氣隙的磁阻，只考慮四個工作氣隙的磁阻。 ? 當(dāng)銜鐵處于中位時，每個工作氣隙的磁阻 0ggglRA?? gl銜鐵處于中位時的氣隙長度。 力矩馬達(dá) ? 當(dāng)銜鐵偏離中位時 的 氣隙磁阻 10(1 )g ggglx xRRAl??? ? ?氣隙 ①③ 的磁阻： 氣隙 ②④ 的磁阻： 20(1 )g ggglx xRRAl??? ? ?x 銜鐵端部偏離中位的位移。 因磁路是橋式對稱，通過對角線氣隙的磁通相等， ①③氣隙的 磁通相等， ②④ 氣隙的磁通相等 。 根據(jù)磁路的克?？路虻诙桑ɑ鶢柣舴虻诙桑?，對任意一個閉合磁路沿某一巡行方向走一圈，其磁勢的代數(shù)和等于磁壓降的代數(shù)和。 選擇兩個各包含斜對角橋臂且又包含極化磁勢 Mp和控制磁勢 Mc=Nc△ i的磁回路，列它們的磁勢和磁壓降平衡方程，即 力矩馬達(dá) 對包含氣隙 ①③ 的 MP和 MC的閉合回路： 1 1 1 1 pcR R M M??? ? ?氣隙 ①③ 的磁壓降： 1 1 1 22p c p cM M M N iUR ? ? ? ?? ? ?對包含氣隙 ②④ 的 MP和 MC的閉合回路： 2 2 2 2 pcR R M M??? ? ?氣隙 ②④ 的磁壓降： 2 2 2 22p c p cM M M N iUR ? ? ? ?? ? ?氣隙 ①③ 的合成磁通： 112 2 (1 / )p c p cggM N i M N iR R x l?? ? ? ????氣隙 ②④ 的合成磁通： 222 2 (1 / )p c p cggM N i M N iR R x l?? ? ? ????1 (1 )ggxRRl??2 (1 )ggxRRl?? 力矩馬達(dá) 式中， MP永久磁鐵產(chǎn)生的 極化磁勢 ； Mc控制電流在控制線圈中產(chǎn)生的 控制磁勢 ； ， Nc控制線圈的匝數(shù)； ic控制電流， ic=△ i。 利用銜鐵在中位時的 Фg和 Фc表示 Mp和 Mc，代入 Ф1和 Ф2， 得 2pggMR? ?銜鐵在中位時的極化磁通 Фg 銜鐵在中位時的 控制磁通 Фc 2 2 2c c c ccg g gM N i N iR R R??? ? ?1 1/gc