1、1,流体传动与伺服控制 电液伺服阀 机电所：李小虎 ,7. 电液伺服阀,本章主要教学内容,7.1 电液伺服阀的发展历史和作用 7.2 电液伺服阀的组成和工作原理 7.3 电液伺服阀的分类 7.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标 7.5 电液伺服阀的研究现状和发展趋势 7.6 力反馈两级电液伺服阀,3,目的任务:1、了解电液伺服阀的组成及工作原理2、了解电液伺服阀的工作特点 3、了解电液伺服阀的分类 重点难点:电液伺服阀的组成及工作原理,7. 电液伺服阀,4,电磁换向阀与电液伺服阀之区别,5,电液伺服阀是液压伺服系统中的重要元件，它是一种通过改变输入信号，连续的、成比例的控制流量、压力的液压控
2、制阀。根据输入信号的方式不同，又分为电液伺服阀和机液伺服阀两大类。,7. 电液伺服阀,6,7.1 电液伺服阀的发展历史和作用,1、电液伺服阀的发展历史 在二战前夕，阿斯卡尼亚控制器公司及Askania -Werke根据射流原理发明了射流管阀并申请了专利。 福克斯波罗申请了双喷嘴挡板阀的专利。 德国西门子公司发明了永磁式力矩马达，它可以接受通过弹簧输入的机械信号和移动线圈产生的电信号，并开创性地使用在航空领域。,7,7.1 电液伺服阀的发展历史和作用,1、电液伺服阀的发展历史 20世纪40年代 英国的廷斯利发明了两级液压阀; 麻省理工学院采用线性度更好、更节能的力矩马达代替螺线管作为滑阀的驱动装
3、置。20世纪50年代 穆格发明了采用喷嘴节流孔作前置级的两级伺服阀。 卡森发明了机械反馈式两级伺服阀; 阿奇利发明了射流管阀作为前置级的两级电液伺服阀和三级电信号反馈伺服阀。 20世纪60年代 电液伺服阀设计更多地显示出了现代伺服阀的特点。如:两级间形成了闭环反馈控制;力矩马达更轻移动距离更小;前置级对功率级的压差通常可达到50%以上;前置级无摩擦并且与工作油液相互独立;前置级的机械对称结构减小了温度、压力变化对零位的影响。,8,7.1 电液伺服阀的发展历史和作用,1、电液伺服阀的发展历史 20世纪70年代以后 Moog公司按工业使用的需要，把某些伺服阀转换成工业场合的比例阀标准接口。 Bos
4、ch研制出了其标志性的射流管先导级及电反馈的平板型伺服阀。 Moog公司推出了低成本、大流量的三级电反馈伺服阀。 Vickers公司研制了压力补偿的KG型比例阀。 Rexroth、Bosch及其他公司研制了用两个线圈分别控制阀芯两方向运动的比例阀等等。,9,7.1 电液伺服阀的发展历史和作用,10,7.1 电液伺服阀的发展历史和作用,冶金行业,11,7.1 电液伺服阀的发展历史和作用,模具行业,12,7.1 电液伺服阀的发展历史和作用,试验机,13,7.1 电液伺服阀的发展历史和作用,航空行业,14,7.1 电液伺服阀的发展历史和作用,试验台,15,7.1 电液伺服阀的发展历史和作用,近年来，
5、随着液压技术、计算机控制技术、高功率密度的稀土永磁材料和电力电子技术的发展,出现了一种新型的电液控制系统,它包括电动机、液压泵、油箱、液压阀组、执行器、传感器等元件。直驱式电液控制系统。,16,美国 ：功率电传(Power-By-Wire，简称PBW)的机载作动系统计划； 19961998年：F-18、 C130 、C141等飞机上对电动静液作动器（EHA）进行了大量的试验； 此外，MOOG公司、USAFR(美国空军研究所)、Boeing、Parker公司也开展了类似的研究工作。,7.1 电液伺服阀的发展历史和作用,17,NASA Photo,F-35A,A380,7.1 电液伺服阀的发展历史
6、和作用,2、电液伺服阀的作用及特点,电液伺服阀是将输入的微小模拟电气信号转换为大功率的液压信号(流量与压力)输出，实现电液信号的转换与放大。电液伺服阀具有动态响应快、控制精度高、使用寿命长等优点，已广泛应用于航空、航天、舰船、冶金、化工等领域的电液伺服控制系统中。,7.1 电液伺服阀的发展历史和作用,19,1、电液伺服阀的结构,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,20,1、电液伺服阀的结构,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,阀体,为了使阀芯凸肩与油口精确匹配，在阀体内应安装 阀套。,21,1、电液伺服阀的结构,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,在主阀体内，还应安装用于过滤控制油液的过滤器。
7、,阀体端盖用于通过从过滤器至比例阀先导级的控制油液。,22,1、电液伺服阀的结构,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,先导级含有两个喷嘴,23,挡板一方面与力矩马达衔铁连接，另一方面，其穿过两个喷嘴，与主阀芯连接。,1、电液伺服阀的结构,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,24,在力矩马达中，安装有环绕在衔铁四周的永久磁铁磁轭。,1、电液伺服阀的结构,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,25,当伺服阀失电时，挡板位于两个喷嘴中间，所以主阀两个控制腔中的压力是相等的 ，即主阀芯也是位于中位。,2、电液伺服阀的工作原理,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,26,在力矩马达线圈中通入电流会激磁衔铁，
8、并引起其倾斜。衔铁倾斜方向由电压极性来确定，倾斜程度则取决于电流大小。,2、电液伺服阀的工作原理,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,27,衔铁倾斜会使挡板更加靠近一个喷嘴，而远离另一个喷嘴。,2、电液伺服阀的工作原理,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,28,这样会使主阀两端控制腔中的压力产生压差。,2、电液伺服阀的工作原理,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,29,随着主阀芯移动，当两控制腔中的压力相等时，挡板又处于两喷嘴中间，这时主阀芯停止移动。,2、电液伺服阀的工作原理,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,3、电液伺服阀的组成,（1）电力转换部分：通常为力马达或力矩马达； （2）力位移
9、转换部分：通常为扭簧、弹簧管或弹簧； （3）液压放大器：通常前置级为滑阀式、射流管式或喷嘴挡板式液压放大器，而功率放大级均为滑阀式液压放大器。,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,3、电液伺服阀的组成,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,4、力矩马达,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,力矩马达的作用是将电信号转换为机械运动，是电气-机械转换器。 电气-机械转换器是利用电磁原理工作的，它由永磁铁或激励线圈产生极化磁场，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，从而使其运动部产生直线位移或角位移的机械运动。,4、力矩马达,7.2 电
10、液伺服阀的组成和工作原理,一、力矩马达的分类 根据可动件运动：直线位移式和角位移式（力马达、力矩马达）。 按可动件结构：动铁式和动圈式（可动件是衔铁、控制线圈）。 按极化磁场：非激磁式、固定电流激磁和永磁式三种。二、力矩马达的要求 能够产生足够的输出力和行程，体积小、重量轻。 动态性能好、响应速度快。 直线性好、死区小、灵敏度高和磁滞小。 在某些情况下，要求抗振、抗冲击、不受环境温度和压力等影响。,4、力矩马达,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,组成：永久磁铁、上导磁体、下导磁体、衔铁、控制线圈、弹簧管等组成。 原理：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（扭
11、轴）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、。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。,4、力矩马达,7.2 电液伺服阀的组成和工作原理,原理：左右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四个工作气隙距离相等，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，直到力矩与负载力矩和弹簧反力矩等相平衡。
12、但转角是很小的，可以看成是微小的直线位移（通常小于0.2mm）。,1）按液压放大级数，可分为单级伺服阀、两级伺服阀和三级伺服阀，其中两级伺服阀应用较广。,单级伺服阀：输出力矩或力较小，定位刚度低，输出流量有限，对负载动态变化敏感，易产生不稳定状态，使用于低压小流量。两级伺服阀：应用最广。三级伺服阀：两级伺服阀作前置级、第三级功率级滑阀，功率级滑阀位移通过电气形成闭环控制，实现滑阀阀芯的定位，适用大流量场合。,7.3 电液伺服阀的分类,2） 按第一级液压放大器的结构分：,滑阀放大器：流量增益和压力增益高，输出流量大，对油液清洁度要求低。结构工艺复杂，阀芯受力大，分辨率低，滞环大，响应慢。单喷嘴挡
13、板阀：特性不好，很少用双喷嘴挡板阀：动态响应快，结构对称，压力灵敏度高，特性线性好，温度和压力零漂小，档板受力小，输出功率小。间隙小，易堵塞，抗污染能力差，对油液清洁度要求高。射流管及射流元件：最大优点：抗污染能力强，最小通流尺寸大，不易堵塞，压力效率和容积效率高，可产生较大的控制压力和流量，提高功率级滑阀的驱动力，使功率级滑阀的抗污染能力增强。特性不易预测，惯性大，动态响应慢，受油温变化影响大，低温特性差。,7.3 电液伺服阀的分类,7.3 电液伺服阀的分类,3）按反馈形式分类： 可分为滑阀位置反馈、负载流量反馈和负载压力反馈三种。4）按力矩马达是否浸泡在油中分类： 湿式：可使力矩马达受到油
14、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：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。,7.3 电液伺服阀的分类,双喷挡阀、射流管阀都是力反馈型伺服阀，线性度好，性能稳定，抗干扰能力强，零漂小。双喷挡阀的档板与喷嘴间隙小，易被污物卡住。射流管阀喷嘴为最小流通面积处，过流面积大，不易堵塞，抗污染性好。射流管阀具有“失效对中能力”。射流管阀动态性能稍低于喷挡阀。,40,7.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标,电液伺服阀是非常精密而又复杂的伺服元件，其性能对整个伺服系统的性能影响很大，因此，对其特性及性能指标的要求十分严格。,一、静态特性,电液伺服阀的静态性能，可根
15、据测试得到的负载流量特性、空载流量特性、压力特性、内泄漏特性等曲线和性能指标进行评定。,1 负载流量特性（压力-流量特性）,负载流量特性曲线完全描述了伺服阀的静态特性。但要测得这组曲线却相当麻烦，特别是在零位附近，很难测出其精确值，而伺服阀却正好在此处工作。因此，这些曲线主要还是用来确定伺服阀的类型和估计伺服阀的规格，以便与所要求的负载流量和负载压力相匹配。,41,电液伺服阀的规格也可由额定电流In、额定压力pn、额定流量qn表示。,额定电流In,为产生额定流量对线圈任一极性所规定的输入电流（不包括零偏电流），单位为A。规定额定电流时，必须规定线圈的连接形式。额定电流通常指单线圈连接、并联连接
16、或差动连接。当串联连接时，其额定电流为上述的额定电流的一半。,额定流量qn,在规定的阀压降下，对应于额定电流的负载流量，单位为m3/s。通常在空载条件规定伺服阀的额定流量。此时阀压降等于额定供油压力，也可在负载压降等于三分之二供油压力的条件下规定额定流量，这样规定的额定流量对应阀的最大功率输出点。,7.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标,42,2 空载流量特性,空载流量特性曲线是输出流量与输入电流呈回环状的函数曲线。它是在给定的伺服阀压降和负载压降为零的条件下，使输入电流在正、负额定电流值之间以阀的动态特性不产生影响的循环速度作一完整循环描绘出来的连续曲线。 流量曲线中点的轨迹称名义流量曲线
17、，是零滞环流量曲线。阀的滞环通常很小，,可把流量曲线的任一侧当作名义流量曲线使用。,流量曲线上某点或某段的斜率就是阀在该点或该段的流量增益。,7.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标,43,从名义流量曲线的零流量点向两极各作一条与名义流量曲线偏差为最小的直线，就是名义流量增益线，如图所示。两个极的名义流量增益线斜率的平均值就是名义流量增益，单位为m3/sA。,伺服阀的额定流量与额定电流之比称为额定流量增益。 流量曲线不仅给出阀的极性、额定空载流量、名义流量增益，且从中还可得到阀的线性度、对称度、滞环、分辨率，并揭示阀的零区特性。,7.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标,44, 线性度 流量伺
18、服阀名义流量曲线的直线性。以名义流量曲线与名义流量增益线的最大偏差电流值与额定电流的百分比表示，如图所示，通常小于7.5%。, 对称度 阀的两个极值的名义流量增益的一致程度。用两者之差对较大者的百分比表示，土图所示，通常小于10%。, 滞环 在流量曲线中，产生相同输出流量的往返输入电流的最大差值，与额定电流的百分比，如图所示，伺服阀的滞环，一般小于5%。,滞环产生的原因，一方面是力矩马达磁路的磁滞，另一方面是伺服阀中的游隙。磁滞回环的宽度随输入信号的大小而变化，当输入的信号减小时，磁滞回环的宽度将减小。游隙是由于力矩马达中机械固定处的滑动以及阀芯与阀套间的摩擦力产生的。如果油是脏的，则游隙会大
19、大增加，有可能使伺服系统不稳定。,7.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标,45, 分辨率 使阀的输出流量发生变化所需要的输入电流的最小变化值与额定电流的百分比比，称为分辨率。通常规定为从输出流量的增加状态回复到输出流量减小状态所需之电流最小变化值与额定电流之比。伺服阀的分辨率一般小于1%。分辨率主要由伺服阀中的静摩擦力引起的。, 重叠 伺服阀的零位指空载流量为零的几何零位。伺服阀常工作在零位附近，因此零位特性特别重要。零位区域是输出级的重叠对流量增益起主要影响的区域。伺服阀的重叠用两级名义流量曲线近似直线部分的延长线与零流量线相交的总间隔与额定电流的百分比表示。如图所示。伺附阀的重叠分为：零
20、重叠、正重叠、负重叠。,7.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标,46, 零偏 为使阀处于零位所需的输入电流值（不计发的滞环影响）与额定电流的百分比表示，如图所示，通常小于3%。,3 压力特性,压力特性曲线是输出流量为零（两个负载油口关闭）时，负载压降与输入电流呈回环状的函数曲线，如图所示。负载压力对输入电流的变化就是压力增益，单位为pa/A。伺服阀的压力增益通常规定为最大负载压降的40%之间，负载压降对输入电流曲线的平均斜率。压力增益指标为输入1%的额定电流时，负载压降应超过30%的额定工作压力。,空载流量特性,7.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标,47,4 内泄漏特性,内泄漏流量是负载
21、流量为零时，从回油口流出的总流量，单位m3/s，随输入电流而变化。当阀处于零位时，内泄漏流量（零位内泄漏流量）最大。对两级伺服阀而言，内泄漏流量由前置级的泄漏流量qp0和功率级泄漏流量q1组成。功率滑阀的零位泄漏流量qc与供油压力ps之比，可作为滑阀的流量-压力系数。零位泄漏流量对新阀可作为滑阀制造质量的指标，对旧阀可反映滑阀的磨损情况。,5 零漂,工作条件或环境变化所导致的零偏变化，以其对额定电流的百分比表示。通常规定有供油压力零漂、回油压力零漂、温度零漂、零值电流零漂等。,7.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标,48, 供油压力零漂 供油压力在70%100%额定供油压力的范围内变化时，零
22、漂小于2%。, 回油压力零漂 回油压力在0%20%额定供油压力的范围内变化时，零漂小于2%。, 温度零漂 工作温度每变化400C时，零漂小于2%。, 零值电流零漂 零值电流在0%100%额定电流范围内变化时，零漂小于2%。,二、动态特性,电液伺服阀的动态特性可用频率响应或瞬态响应表示，一般用频率相应表示。电液伺服阀的频率响应是输入电流在某一频率范围内作等幅变频正弦变化时，空载流量与输入电流的复数比，频响特性曲线如图所示。,7.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标,49,伺服阀的频率响应随供油压力、输入电流幅值、油温和其他工作条件而变化。通常在标准试验条件下进行试验，推荐输入电流的峰值为额定电流
23、的一半（25%额定电流），基准（初始）频率通常为5或10Hz。 伺服阀的频带宽通常以幅值比为-3dB（即输出流量为基准频率时的输出流量的70.7%）时所对应的频率作为幅频宽，以相位滞后900时所对应的频率作为相频宽。 频宽是伺服阀响应速度的度量。频宽应根据系统实际需要确定，频宽过低会限制系统的响应速度，过高会使高频干扰传到负载上去。 伺服阀的幅值比一般不允许大于+2dB。,三、输入特性,1 线圈接法,伺服阀有两个线圈，可根据需要采用下列任何一种接法。,7.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标,50, 单线圈接法 输入电阻等于单线圈电阻，线圈电流等于额定电流，电控功率P=In2Rc。单线圈接法可
24、以减小电感的影响。, 双线圈单独接法 一只线圈接输入，另一线圈可用来调偏、接反馈或引入颤振信号。, 串联接法 输入电阻为单线圈电阻的两倍，额定电流为单线圈时的一半，电控功率为P=In2Rc/2。串联连接的特点是额定电流和电控功率小，但易受电源电压变动的影响。, 并联接法 输入电阻为单线圈电阻的一半，额定电流为单线圈接法时的额定电流，电控功率为P=In2Rc/2。其特点是工作可靠，一只线圈坏了也能工作，电流和电控功率小，但易受电源电压变动的影响。, 差动接法 差动电流等于额定电流，等于两倍的信号电流，电控功率P=In2Rc/2。其特点是不易受电子放大器和电源电压变动的影响。,7.4 电液伺服阀的
25、特性及主要的性能指标,51,2 颤振,为了提高伺服阀的分辨能力，可以在伺服阀的信号上叠加一个高频低振幅的电信号。颤振使伺服阀处在一个高频低幅值的运动状态之中，这可以减小或消除伺服阀中由于干摩擦所产生的游隙。同时还可以防止阀的堵塞。但颤振不能减小力矩马达磁路所产生的磁滞影响。,颤振的频率和幅值对其所起的作用都有影响。颤振频率应大大超过预计的信号频率，而不应与伺服阀或执行元件与负载的谐振频率相重合。因为这类谐振的激励可能引起疲劳破坏或者使所含元件饱和。颤振幅值应足够大以使峰间值刚好填满游隙宽度，这相当于主阀芯运动约为2.5m左右。颤振幅度又不能过大，以致通过伺服阀传到负载。颤振信号的波形采用正弦波
26、、三角波、方波，其效果是相同的。,7.4 电液伺服阀的特性及主要的性能指标,52,研究现状： 1）在结构改进上，目前主要是利用冗余技术对伺服阀的结构进行改造。,俄罗斯研制的射流管式伺服阀阀芯两端设计了双冗余位置传感器，用来检测阀芯位置。一旦出现故障信号可立即切换备用伺服阀。 美国的Moog公司和俄罗斯的沃斯霍得工厂均已研制出四余度的伺服机构用于航天行业。 我国的航天系统有关单位早在90年代就已进行三余度等多余度伺服机构的研制，将伺服阀的力矩马达、反馈元件、滑阀副做成多套，发生故障可随时切换，保证系统的正常工作。,7.5 电液伺服阀的研究现状和发展趋势,53,2）在加工工艺的改进方面，采用新型的
27、加工设备和工艺来提高伺服阀的加工精度及能力。,7.5 电液伺服阀的研究现状和发展趋势,如在阀芯阀套配磨方法上，国内提出了智能化、全自动的配磨系统。 在力矩马达的焊接方面，中船重工第704研究所与德国知名厂家合作采用了世界最先进的焊接工艺取得了良好的效果。 提出智能化的伺服阀力矩马达弹性元件测量装置。对弹性元件能高效完成刚度测量、得到完整的测量曲线，且不重复性测量误差不大于1%。,54,3）在材料的更替上方面，除了对某些零件采用了强度、弹性、硬度等机械性能更优越的材料外。还对特别用途的伺服阀采用了特殊的材料。,德国有关公司用红宝石材料制作喷嘴档板，防止因气馈造成档板和喷嘴的损伤、动静态性能降低、
28、工作寿命缩短。机械反馈杆头部的小球也用红宝石制作，防止小球和阀芯小槽之间的磨损，使阀失控，并产生尖叫。 航空六O九所、中船重工第七O四研究所等单位均采用新材料研制了能以航空煤油、柴油为介质的耐腐蚀伺服阀。 此外对密封圈的材料也进行了更替，使伺服阀耐高压、耐腐蚀的性能得到提高。,7.5 电液伺服阀的研究现状和发展趋势,55,4）在测试方法改进方面，随着计算机技术的高速发展生产单位均采用计算机技术对伺服阀的静、动态性能进行测试与计算。,某些单位还对如何提高测量精度，降低测量仪器本身的振动、热噪声和外界的高频干扰对测量结果的影响，作了深入的研究。 如采用测频/测周法、寻优信号测试法、小波消噪法、正弦
29、输入法及数字滤波等新技术对伺服阀测试设备及方法进行了研制和改进。,7.5 电液伺服阀的研究现状和发展趋势,56,发展趋势：当前，新型电液伺服阀技术的发展趋势主要体现在新型结构的设计、新型材料的采用及电子化、数字化技术与液压技术的结合等几方面。 1）新型结构的设计,直动型电液伺服阀 “音圈驱动(Voice Coil Drive)”技术 采用步进电机、伺服电机、新型电磁铁等驱动结构 光-液直接转换结构,7.5 电液伺服阀的研究现状和发展趋势,57,2）新型材料的采用：当前在电液伺服阀研制领域的新型材料运用，主要是以压电元件、超磁致伸缩材料及形状记忆合金等为基础的转换器研制开发。 3）电子化、数字化
30、技术的运用：,在电液伺服阀模拟控制元器件上加入D/A转换装置来实现其数字控制。 通过用步进电机驱动阀芯，将输入信号转化成电机的步进信号来控制伺服阀的流量输出。,7.5 电液伺服阀的研究现状和发展趋势,58,7.6 力反馈两级电液伺服阀,一、力反馈两级电液伺服阀结构及工作原理,1 结构组成,第一级液压放大器：双喷嘴挡板阀，由永磁动铁式力矩马达控制。 第二级液压放大器：四通滑阀，阀芯位移通过反馈杆与衔铁挡板组件相连，构成滑阀位移力反馈回路。滑阀位移通过反馈杆转换成机械力矩反馈到力矩马达的衔铁组件上。,2 工作原理,无控制电流时，衔铁处于上下导磁体中间位置，挡板也处于两喷嘴中间，阀芯在反馈杆小球的约
31、束下处于中位，无液压输出。,59,当有差动电流i=ic=i1-i20输入时，衔铁上产生逆时针的电磁力矩，衔铁挡板组件绕弹簧管转动中心逆时针偏转，弹簧管和反馈杆变形。挡板偏离中位右移，p2p增大，p1p减小，推动阀芯左移，同时带动反馈杆端部小球左移，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，衔铁挡板组件处于平衡位置。,在反馈杆端部左移进一步变形时，使挡板偏移减小，趋于中位。使控制压力p2p降低，p1p增大，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阀的液动力平衡时，阀芯停止运动，其位移xv与ic成比例，伺服阀输出一对应流量qL。在负载压差一定时，阀的输出
32、流量与控制电流成比例，达到用差动控制电流ic控制流量qL目的。,7.6 力反馈两级电液伺服阀,60,二、力反馈两级电液伺服阀基本方程及方块图,1 力矩马达运动方程,力矩马达工作时包含两个动态过程：电的动态过程和机械的动态过程。电的动态过程用电路的基本电压方程表示，机械的动态过程用衔铁挡板组件的运动方程表示。,（1）电压平衡方程,力矩马达的两个控制线圈由一个推挽放大器供给控制电流。放大器中有一常值电压Eb加到控制线圈上，在每个线圈中产生常值电流I0。由于在线路连接上进行了处理，两线圈中的I0的作用是彼此相反的，即I0在两线圈中引起的磁通相互抵消，不会使衔铁产生电磁力矩。,7.6 力反馈两级电液伺
33、服阀,61,当放大器输入一控制电压，则有控制电流输送到控制线圈中，使一个线圈中的电流增加，另一线圈中的电流减小。故两线圈中的电流为,式中，i1、i2各线圈中的电流，i每个线圈中的控制（信号）电流，i两线圈中的差动电流。 差动控制电流i即为输入力矩马达的控制电流ic。在衔铁中产生的控制磁通以及电磁力矩比例于i。,当有控制电压ug加到放大器的输入端，则在其输出端有放大了的控制电压加到力矩马达的线圈上。于是，推挽放大器工作时，输入每个线圈的信号电压（控制电压）u1、u2为：,7.6 力反馈两级电液伺服阀,62,Ku放大器每边的放大系数（增益）。,力矩马达的输入控制电压：,列出每个线圈回路的电压平衡方
34、程：,式中，zb线圈共用边的阻抗，Rc每个线圈的电阻，rp每个线圈回路中放大器内阻，Nc每个线圈的匝数，a衔铁磁通。,则有,7.6 力反馈两级电液伺服阀,63,力矩马达电路的电压平衡方程,表明：控制电压2Kuug一部分消耗在线圈电阻Rc和放大器内阻rp的发热，另一部分用来克服衔铁磁通变化在控制线圈中产生的反电动势。,将衔铁磁通 代入上式，得力矩马达电路基本电压平衡方程最终表达式：,令,每个线圈的反电动势常数（伏/弧度/秒）,每个线圈的自感系数（亨 或 欧秒）,7.6 力反馈两级电液伺服阀,64,则有,其拉氏变换式:,方程式左边为放大器加在线圈上的总控制电压。右边第一项为电阻上的电压降；第二项为
35、由于衔铁被放置在控制线圈内，以一定的速度运动，使通过衔铁上的极化磁通不断变化，因而在在线圈内产生的反电动势；第三项为线圈内电流变化所引起的感应电动势，包括线圈自感和两线圈互感产生的电动势。,由于 第三项可写成,表明，两线圈的自感和互感加在一起为4Lc。由于两线圈对控制电流i，是串联的，且紧密耦合的，结构参数也配对的故互感等于自感。每个线圈回路的总电感是2Lc，整个力矩马达的总电感4Lc。,7.6 力反馈两级电液伺服阀,65,由式,可得,式中，,控制线圈回路的转折频率。,（2）衔铁挡板组件的运动方程,由式,可知，力矩马达输出的电磁力矩包括：,中位电磁力矩 ，即衔铁处于中位时，控制i产生的电磁力矩
36、。,电磁弹簧力矩 ，即衔铁偏离中位时，气隙发生变化产生的附加电磁力矩。,7.6 力反馈两级电液伺服阀,66,在电磁力矩Td作用下，衔铁挡板组件的运动方程为：,式中，Ja衔铁挡板组件的转动惯量，Ba粘性阻尼系数，Ka弹簧管刚度，TL1喷嘴对挡板的液流力产生的负载力矩， TL2反馈杆变形对衔铁挡板组件产生的负载力矩。左边为力矩马达产生的电磁力矩，右端为作用在衔铁组件上的反力矩。,作用在挡板上的液流力对衔铁挡板组件产生的负载力矩,式中，AN喷嘴孔的面积，pLP两喷嘴腔的负载压差，喷嘴中心至弹簧管回转中心的距离。,7.6 力反馈两级电液伺服阀,67,反馈杆变形对衔铁挡板组件产生的负载力矩,式中，b反馈
37、杆小球中心到喷嘴中心的距离，f反馈杆刚度。,因此，联立下列各式：,得，衔铁挡板组件的力矩平衡方程为：,7.6 力反馈两级电液伺服阀,68,经拉氏变换，得衔铁挡板组件的力矩平衡方程为：,即，,式中，mf力矩马达的总刚度（综合刚度），,an力矩马达的净弹簧刚度，,7.6 力反馈两级电液伺服阀,69,因此，可得,或,式中，mf力矩马达的总固有频率，,mf力矩马达的机械组尼比，,7.6 力反馈两级电液伺服阀,70,因此，由式：,得力矩马达环节的方块图：,7.6 力反馈两级电液伺服阀,71,2 挡板位移与衔铁转角的关系,因此，上述力矩马达环节的方块图变换后为,7.6 力反馈两级电液伺服阀,72,3 喷嘴
38、挡板至滑阀的传递函数,建立此环节的动态方程，假设,认为喷嘴挡板阀的综合特性是线性的，其线性化方程为,忽略滑阀的内外泄漏、摩擦力和失灵区,近似认为滑阀上的液动力是线性变化的，其稳态液动力为,根据上述假设，考虑液体可压缩性时，滑阀运动所需的流量为,式中，Vop滑阀处于中位时，左右腔每一腔的容积。,7.6 力反馈两级电液伺服阀,73,阀芯上作用的力平衡方程为,为简化，忽略实际数值较小的量，即 ， 则有,联立上述三式，得,式中，,喷嘴挡板-滑阀环节的固有频率,7.6 力反馈两级电液伺服阀,74,喷嘴挡板-滑阀环节的相对阻尼系数,因此，得传递函数,由于，f很小，近似为f0，则有,Kqp喷嘴挡板阀的流量增
39、益，v滑阀阀芯端面面积，hp滑阀液压固有频率，hp滑阀液压阻尼比，op滑阀一端包含的容积，Kcp喷嘴挡板阀的流量压力增益系数，mv滑阀阀芯及油液的归一化质量。,7.6 力反馈两级电液伺服阀,75,因此，得到伺服阀的方块图。,由于,7.6 力反馈两级电液伺服阀,76,从图中可知，在反馈信号中有一项pLp，是阀芯两端作用的压力差，大小与滑阀压力有关，滑阀所受的力包括惯性力、稳态液动力等，而液动力又与滑阀输出的负载压力有关，即与液压执行机构的运动有关，为此需要写出动力机构的动态方程。,4 阀控液压缸的传递函数,由式,包含喷嘴挡板阀的负载压力pLp，其大小与滑阀受力有关。为简单，动力元件的负载只考虑惯
40、性负载，则阀芯位移至液压缸位移的传递函数为,7.6 力反馈两级电液伺服阀,77,5 作用在挡板上的压力反馈环节,略去滑阀阀芯运动时受到的粘性阻尼力和反馈杆弹簧力，只考虑阀芯的惯性力和稳态液动力，则喷嘴挡板阀的负载力:,上式中，稳态液动力是pL和Xv的函数，将上式在Xv0和pL0处线性化。因液压缸的负载是纯观性，稳态时的pL0=0，线性化增量的拉氏变换为：,式中，XV0初始点的阀芯位移，pL0初始点的负载压力， pL滑阀输出的负载压力。当执行机构上只作用惯性负载时，有,7.6 力反馈两级电液伺服阀,78,因此，力反馈两级电液伺服阀的方块图。,可见，伺服阀有两个反馈回路：一个是滑阀位移的力反馈回路
41、，是由于反馈杆的作用；另一个是作用在挡板上的压力反馈回路，是由于滑阀位移和执行机构负载变化而形成的。,7.6 力反馈两级电液伺服阀,79,三、力反馈伺服阀的稳定性分析,伺服阀的方块图包含两个反馈回路，其中力反馈回路对伺服阀的性能起主要作用，压力反馈回路因受负载压力的影响，需要在设计时确定一个准则，是一个次要的回路。两个回路都存在稳定性问题。,1 力反馈回路的稳定性分析,力反馈两级伺服阀的性能主要取决于力反馈回路，在忽略压力反馈回路后，力反馈回路包含力矩马达和滑阀两个动态环节。首先要求出力矩马达小闭环的传递函数。 为避免伺服阀放大器特性对伺服阀特性的影响，通常采用电流负反馈伺服阀，以使控制线圈回
42、路的转折频率a很高，即1/a0，则力矩马达小闭环的传递函数为：,7.6 力反馈两级电液伺服阀,80,式中，mf衔铁挡板组件固有频率,由机械阻尼和电磁阻尼产生的阻尼比。,一般，滑阀的固有频率hp很高, hpmf，滑阀的动态可以忽略，因此，简化后的力反馈回路方块图为：,7.6 力反馈两级电液伺服阀,81,由于hpmf，低频段转折频率主要取决于mf ，近似认为1/hp0，则有，力反馈回路的闭环传递函数：,令,力反馈回路的开环放大系数。,根据劳斯稳定性判据，得稳定条件为：,可见，只要保证式中 、 、 三者之间的关系，即可保证伺服阀工作的稳定性。,7.6 力反馈两级电液伺服阀,82,此外，也可由力反馈回
43、路的开环传递函数求得。在1/hp0，时，有,式中，vf力反馈回路的开环放大系数。,作出开环对数幅频特性，回路穿越频率c近似等于开环放大系数vf，即cvf。 根据开环频率特性判断稳定性的方法，二次谐振峰值d点应在横坐标轴下，由自动控制原理得谐振峰值：,7.6 力反馈两级电液伺服阀,83,则得稳定条件为,令,故,亦即，力反馈回路的稳定条件为mf 处的谐振峰值不能超过零分贝线。在设计时一般取,2 压力反馈回路的稳定性分析,由图知，作用在挡板上的压力反馈回路是由滑阀位移和执行机构负载变化引起的，反映了伺服阀各级负载动态的影响。,7.6 力反馈两级电液伺服阀,84,这种影响越小越好，为使伺服阀稳定工作，不受负载压力变化的影响，应保证压力反馈回路满足稳定性要求。,根据奈奎斯特稳定判据：如果回路开环频率特性的模在任何情况下都小于1，则回路是稳定的。为此应使压力反馈回路的开环增益在任何频率下都远小于1，使回路近似于开环状态而不起作用。,首先求出压力反馈回路前向通道的传递函数的增大增益，为此需求出力反馈回路的闭环传递函数。,由图，压力反馈回路前向通道的传递函数为G2(s)，但首先求出小闭环的传递函数G1(s)，由于力矩马达控制线圈回路采取了电流负反馈等措施，其固有频率a大大提高，1/a0，则有,
