电液伺服控制及应用.doc

第2章 电液伺服控制技术及应用 电液伺服系统是一种采用电液伺服机构，根据液压传动原理建立起来的自动控制系统在这种系统中，执行元件的运动随着控制信号的改变而改变 2.1 电液伺服阀伺服阀通过改变输入信号，连续的、成比例地控制液压系统的流量或压力电液伺服阀输入信号功率很小(通常仅有几十毫瓦)，功率放大系数高；能够对输出流量和压力进行连续双向控制其突出特点是：体积小、结构紧凑、直线性好、动态响应好、死区小、精度高，符合高精度伺服控制系统的要求电液伺服阀是现代电液控制系统中的关键部件，它能用于诸如位置控制、速度控制、加速度控制、力控制等各方面因此，伺服阀在各种工业自动控制系统中得到了越来越多的应用2.1.1 工作原理及组成 1 基本组成与控制机理电液伺服阀是一种自动控制阀，它既是电液转换组件，又是功率放大组件，其功用是将小功率的模拟量电信号输入转换为随电信号大小和极性变化、且快速响应的大功率液压能[流量(或)和压力]输出，从而实现对液压执行器位移(或转速)、速度(或角速度)、加速度(或角加速度)和力(或转矩)的控制电液伺服阀通常是由电气一机械转换器、液压放大器(先导级阀和功率级主阀)和检测反馈机构组成的(见图2-1)。

图2-1 电液伺服阀的组成2 电气—机械转换器电气—机械转换器包括电流—力转换和力—位移转换两个功能典型的电气—机械转换器为力马达或力矩马达力马达是一种直线运动电气一机械转换器，而力矩马达则是旋转运动的电气—机械转换器力马达和力矩马达的功用是将输入的控制电流信号转换为与电流成比例的输出力或力矩，再经弹性组件(弹簧管、弹簧片等)转换为驱动先导级阀运动的直线位移或转角，使先导级阀定位、回零通常力马达的输入电流为150～300mA，输出力为3～5N力矩马达的输入电流为10~30mA，输出力矩为0.02～0.06N·m 伺服阀中所用的电气一机械转换器有动圈式和动铁式两种结构 (1)动圈式电气—机械转换器 动圈式电气—机械转换器产生运动的部分是控制线圈，故称为“动圈式”输入电流信号后，产生相应大小和方向的力信号，再通过反馈弹簧(复位弹簧)转化为相应的位移量输出，故简称为动圈式“力马达”(平动式)或“力矩马达”(转动式)动圈式力马达和力矩马达的工作原理是位于磁场中的载流导体(即动圈)受力作用动圈式力马达的结构原理如图2-2所示，永久磁铁1及内、外导磁体2、3构成闭合磁路，在环状工作气隙中安放着可移动的控制线圈4，它通常绕制圈架上，以提高结构强度，并采用弹簧5悬挂。

当线圈中通入控制电流时，按照载流导线在磁场中受力的原理移动并带动阀芯(图中未画出)移动，此力的大小与磁场强度、导线长度及电流大小成比例，力的方向由电流方向及固定磁通方向按电磁学中的左手定则确定图2-3为动圈式力矩马达，与力马达所不同的是采用扭力弹簧或轴承加盘圈扭力弹簧悬挂控制线圈当线圈中通入控制电流时，按照载流导线在磁场中受力的原理使转子转动 图2—2 动圈式力马达 图2—3 动圈式力矩马达1—永久磁铁；2—内导磁体；3—外导磁体 1—永久磁铁；2—线圈；3—转子4—线圈；5—弹簧 磁场的励磁方式有永磁式和电磁式两种，工程上多采用永磁式结构，其尺寸紧凑 动圈式力马达和力矩马达的控制电流较大(可达几百毫安至几安培)，输出行程也较大[±(2～4)mm]，而且稳态特性线性度较好，滞环小，故应用较多但其体积较大，且由于动圈受油的阻尼较大，其动态响应不如动铁式力矩马达快多用于控制工业伺服阀，也有用于控制高频伺服阀的特殊结构动圈式力马达 （2）动铁式力矩马达动铁式力矩马达输入为电信号，输出为力矩。

图2—4为动铁式力矩马达的结构原理图它由左右两块永久磁铁、上下两块导磁体1及4、带扭轴(弹簧管)6的衔铁5及套圈上的两个控制线圈3组成，衔铁悬挂在弹簧管上，可以绕弹簧管在4个气隙中摆动左右两块永久磁铁使上下导磁体的气隙中产生相同方向的极化磁场没有输入信号时，衔铁与上下导磁体之间的4个气隙距离相等，衔铁受到的电磁力相互抵消而使衔铁处于中间平衡状态当输入控制电流时，产生相应的控制磁场，它在上下气隙中的方向相反，因此打破了原有的平衡，使衔铁产生与控制电流大小和方向相对应的转矩，并且使衔铁转动，直至电磁力矩与负载力矩和弹簧反力矩等相平衡但转角是很小的，可以看成是微小的直线位移 图2—4 动铁式力矩马达的结构原理图1一上导磁体；2一永久磁铁；3一线圈；4一下导磁体 5一衔铁；6一弹簧管；7一线圈引出线 动铁式力矩马达输出力矩较小，适合控制喷嘴挡板之类的先导级阀其优点是自振频率较高，动态响应快，功率、重量比较大，抗加速度零漂性好缺点是：限于气隙的形式，其转角和工作行程很小(通常小于0.2mm)，材料性能及制造精度要求高，价格昂贵；此外，它的控制电流较小(仅几十毫安)，故抗干扰能力较差。

3 先导级阀 先导级阀又称前置级，用于接受小功率的电气一机械转换器输入的位移或转角信号，将机械量转换为液压力驱动功率级主阀，犹如一对称四通阀控制的液压缸；主阀多为滑阀，它将先导级阀的液压力转换为流量或压力输出电液伺服阀先导级主要有喷嘴挡板式和射流管式两种1）喷嘴挡板式先导级阀它的结构及组成原理如图2-5所示[图2-5(a)为单喷嘴，图2-5(b)为双喷嘴]，它是通过改变喷嘴与挡板之间的相对位移来改变液流通路开度的大小以实现控制的，具有体积小、运动部件惯量小、无摩擦、所需驱动力小、灵敏度高等优点，特别适用于小信号工作，因此常用作二级伺服阀的前置放大级其缺点主要是中位泄漏量大，负载刚性差，输出流量小，节流孔及喷嘴的间隙小(0.02～0.06mm)，易堵塞，抗污染能力差 图2—5 喷嘴挡板式先导级阀1，4，8—固定节流孔；2，5，7—喷嘴；3，6—挡板； ps—输入压力；pv—喷嘴处油液压力； Pc，qc—控制输出压力、流量（2）射流管式先导级阀图2-6 射流管阀1－液压缸 2－接受器 3－射流管如图2-6所示，射流管阀由射流管3、接受板2和液压缸1组成，射流管3由垂直于图面的轴c支撑并可绕轴左右摆动一个不大的角度。

接受板上的两个小孔a和b分别和液压缸1的两腔相通当射流管3处于两个接受孔道a、b的中间位置时，两个接受孔道a、b内的油液的压力相等，液压缸1不动；如有输入信号使射流管3向左偏转一个很小的角度时，两个接受孔道a、b内的压力不相等，液压缸1左腔的压力大于右腔的，液压缸1向右移动，反之亦然射流管的优点是结构简单、加工精度低、抗污染能力强缺点是惯性大响应速度低、功率损耗大因此这种阀只适用于低压及功率较小的伺服系统4 功率级主阀(滑阀)电液伺服阀中的功率级主阀是靠节流原理进行工作，即借助阀芯与阀体(套)的相对运动改变节流口通流面积的大小，对液体流量或压力进行控制滑阀的结构及特点如下1）控制边数根据控制边数的不同，滑阀有单边控制、双边控制和四边控制三种类型(图2—7)单边控制滑阀仅有一个控制边，控制边的开口量x控制了执行器(此处为单杆液压缸)中的压力和流量，从而改变了缸的运动速度和方向双边控制滑阀有两个控制边，压力油一路进入单杆液压缸有杆腔，另一路经滑阀控制边x1的开口和无杆腔相通，并经控制边X2的开口流回油箱；当滑阀移动时，x1增大，x2减小，或相反，从而控制液压缸无杆腔的回油阻力，故改变了液压缸的运动速度和方向。

四边控制滑阀有四个控制边，x1和x2是用于控制压力油进入双杆液压缸的左、右腔，x3和x4用于控制左、右腔通向油箱；当滑阀移动时，x3和x4增大，x2和x3减小，或相反，这样控制了进入液压缸左、右腔的油液压力和流量，从而控制了液压缸的运动速度和方向图2-7 单边、双边和四边控制滑阀 单边、双边和四边控制滑阀的控制作用相同单边和双边滑阀用于控制单杆液压缸；四边控制滑阀既可以控制双杆缸，也可以控制单杆缸四边控制滑阀的控制质量好，双边控制滑阀居中，单边控制滑阀最差但是，单边滑阀无关键性的轴向尺寸，双边滑阀有一个关键性的轴向尺寸，而四边滑阀有三个关键性的轴向尺寸，所以单边滑阀易于制造、成本较低，而四边滑阀制造困难、成本较高通常，单边和双边滑阀用于一般控制精度的液压系统，而四边滑阀则用于控制精度及稳定性要求较高的液压系统2）零位开口形式滑阀在零位(平衡位置)时，有正开口、零开口和负开口三种开口形式(图2-8)正开口(又称负重叠)的滑阀，阀芯的凸肩宽度(也称凸肩宽，下同)t小于阀套(体)的阀口宽度h；零开口(又称零重叠)的滑阀，阀芯的凸肩宽度t与阀套(体)的阀口宽度h相等；负开口(又称正重叠)的滑阀，阀芯的凸肩宽度t大于阀套(体)的阀口宽度h。

滑阀的开口形式对其零位附近(零区)的特性具有很大影响，零开口滑阀的特性较好，应用最多，但加工比较困难，价格昂贵图2-8 滑阀的零位开口形式（3）通路数、凸肩数与阀口形状按通路数滑阀有二通、三通和四通等几种二通滑阀(单边阀)[见图2-7(a)]只有一个可变节流口(可变液阻)，使用时必须和一个固定节流口配合，才能控制一腔的压力，用来控制差动液压缸三通滑阀[见图2-7 (b)]只有一个控制口，故只能用来控制差动液压缸，为实现液压缸反向运动，需在有杆腔设置固定偏压(可由供油压力产生)四通滑阀[见图2-7 (c)]有4个控制口，故能控制各种液压执行器 阀芯上的凸肩数与阀的通路数、供油及回油密封、控制边的布置等因素有关二通阀一般为2个凸肩，三通阀为2个或3个凸肩，四通阀为3个或4个凸肩三凸肩滑阀为最常用的结构形式凸肩数过多将加大阀的结构复杂程度、长度和摩擦力，影响阀的成本和性能 滑阀的阀口形状有矩形、圆形等多种形式，矩形阀口又有全周开口和部分开口之分矩形阀口的开口面积与阀芯位移成正比，具有线性流量增益，故应用较多5 检测反馈机构 设在阀内部的检测反馈机构将先导阀或主阀控制口的压力、流量或阀芯的位移反馈到先导级阀的输入端或比例放大器的输入端，实现输入输出的比较，解决功率级主阀的定位问题，并获得所需的伺服阀压力一流量性能。

常用的反馈形式有机械反馈(位移反馈、力反馈)、液压反馈(压力反馈、微分压力反馈等)和电气反馈2.1.2 电液伺服阀的分类电液伺服阀的分类见图2-9 图2-9 电液伺服阀的分类2.1.3 典型结构 1 动圈式力马达型单级电液伺服阀单级电液伺服阀没有先导级阀，由电气一机械转换器和一级液压阀构成，其结构和原理均较简单图2—10(a)所示为动圈式力马达型单级电液伺服阀的结构图，它由力马达和带液动力补偿结构的一级滑阀两部分组成永久磁铁1产生一固定磁场，可动线圈2通电后在磁场内产生力，从而驱动滑阀阀芯4运动，并由右端弹簧8作力反馈阀左端的位移传感器5，可提供控制所需的补偿信号因阀芯带有液动力补偿结构，故控制流量较大，响应快额定流量为90～100L／min的阀在±40％输入幅值条件下，对应相位滞后900时，频响为200Hz，常用于冶金机械的高速大流量控制动圈式力马达型单级电液伺服阀的原理方块图如图3—10(b)所示 (a)结构图 (b)原理方块图 图2—10 动圈式力马达型单级电液伺服阀1一永久磁铁；2一可动线圈；3--线圈架；4一阀芯(滑阀)。