第4章电液控制系统设计

（3）力矩马达工作原理
用弹簧管支承衔铁的力矩马达 1——弹簧管，2——液压放大元件 永磁动铁式力矩马达
在零位时，衔铁正 好处于四个气隙的中间 位置，弹簧管也正好在 正中零位。当输入 i 而 产生电磁力矩后，电磁 力矩使衔铁偏转，弹簧 管也受力歪斜变形，作 用在衔铁上的电磁力矩 与弹簧管变形时的弹性 力矩平衡，也就是电磁 力矩 Td 通过弹簧管弯曲 变形而转化为衔铁的角 位移。
力反馈两级电液伺服阀结构原理图
力矩马达（或力马达）：将电气信号转换为力矩或力 液压放大器：控制流向液压执行机构的流量或压力 阀流量较大时，采用两级或三级电液伺服阀的形式。 包括液压前置级和功率级 液压前置级：单（双）喷嘴挡板阀、滑阀、射流管 阀、射流元件 功率级：滑阀 反馈机构（或平衡机构）：使伺服阀的输出压力或流 量与输入电气控制信号成比例，使伺服阀本身成为闭 环系统 平衡机构：用于单级伺服阀和两级弹簧对中式伺服阀， 通常为各种弹性元件，为一力-位移转换元件
3.电液比例控制系统的分类
①按所用的电液比例控制元件的种类可分为：电液 比例压力控制系统、电液比例流量控制系统、电液 比例方向控制系统和电液比例变量泵控制系统。 ②按被控物理量种类可分为：电液比例位置控制系 统、电液比例速度控制系统和电液比例力控制系统。 ③按系统输出信号是否反馈可分为：闭环系统和开 环系统。 ④按对液压执行元件的控制方式可分为：阀控系统 和泵控系统。
式中，
h
2 4 e Ap
Vt M t
为无阻尼液压固有频率；
Bp 4 Ap Vt e M t
K h ce Ap
e M t
Vt
为阻尼比。
（2）阀-液压马达动力装置
对阀控液压马达，由阀的线性化流量方程、进出油
腔的连续方程以及动态力矩平衡方程可得
QL K q xv K c p L
力反馈——反馈弹簧杆动作示意图
3.电液伺服阀的分类
（1）按放大器的级数分：
单级伺服阀：结构简单、价格低廉、输出流量小、稳定性差 两级伺服阀：最常用 三级伺服阀：两级伺服阀+功率滑阀，电反馈，流量大于 200L/min
（2）按第一级阀（放大器）的结构形式分：
滑阀、单（双）喷嘴挡板阀、射流管阀、偏转板射流阀
用弹簧管支承衔铁的力矩马达 1——弹簧管，2——液压放大元件
例：带钢恒张力控制系统
1张力调节液压缸；2牵引辊；3热处理炉；4、4’转向辊；5力传感器； 6浮动阀；7电液伺服阀；8加载装置；9电放大器
在带钢生产过程中，要求控制带钢的张力。 牵引辊2牵引带钢移动，加载装置8使带钢保持 一定的张力。当张力由于某种干扰发生波动， 通过设置在转向辊4轴承上的力传感器5检测带 钢的张力，并和给定值进行比较，得到偏差值，
式中， K q xv 是流入滑阀的总流量增量；K c p L 是滑 阀输出的总流量增量； QL 是进入阀控液压缸装置的 总流量增量。
◆液压缸的数学模型 对每一个活塞腔应用连续性方程，则得到 dV1 V1 dp1 Q1 Cip ( p1 p 2 ) Cep p1 dt e dt dV2 V2 dp2 Cip ( p1 p 2 ) Cep p 2 Q2 dt e dt 式中， Q1 、Q2 分别为流入、流出液压缸的流量； p 2 分别为液压缸进、回油腔的压力 ； p1 、 V1 、V2 分别为进油和回油腔体积(包括阀、连接管道和 活塞腔)； C ip 、 C ep 分别为液压缸内、外部泄漏系数； e 为系统的有效容积弹性系数（包括油、联接管道及 腔体的机械柔度）。
通过电放大器9放大后，控制电液伺服阀7，进
而控制输入液压缸1的流量，驱动浮动辊6来调
节张力，使张力回复到原来给定之值。
4.1.2电液比例阀
1.电液比例控制系统的构成
开环电液比例控制系统框图
电液比例控制可分为开环控制和闭环控制。 控制器(计算机， PC等 )给出的信号通常是电压信号， 经驱动器处理放大为输出电流信号 I ，将 I 输入电液比 例阀的比例电磁铁，电磁铁再将按比例转换成电磁力 Fp， Fp通过弹性元件作用在液压阀的阀芯上，使之位 移，从而控制液流的流量、压力和方向。开环控制的 精度较低且没有跟踪功能。
2
即描述了阀-液压缸组合装置动态特性的方程为
QL K q xv K c p L
Vt QL Ap sx p Ctp pL spL 4 e
Ap pL Mt s xp Bp sxp K xp FL
2
1.阀-动力装置输出位移时的动特性
（1）阀-液压缸动力装置
的总粘性阻尼系数；
Jt 为液压马达和负载（折算到液压马达轴上）的总 惯量； G为负载的扭转刚度； TL为作用在马达轴上的外加负载力矩。
分别求出其拉氏变换式后，同样可以联解出马达输出 轴的角位移或传递函数，其形式与阀控缸系统相同。
Kq K Vt xv ce 1 s TL 2 Dm Dm 4 e K ce m Vt J t 3 K ce J t BmVt 2 Bm K ce GVt s s 1 D2 2 2 2 2 4 e Dm 4 e Dm Dm 4 e Dm m

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。
喷嘴挡板伺服阀
三级电液伺服阀
1.电液伺服阀的工作原理
电液伺服阀的工作原理
在没有控制信号的情况下，力矩马达的衔铁处于平衡位置， 挡板停在两喷咀中间。高压油自油口流入，经油滤后分四路 流出。其中两路流经左、右固定节流孔，到阀芯左、右两端， 再经左、右喷嘴喷出，汇集在流溢腔内，然后经回油节流孔 从回油口流出。另外两路高压油分别流到阀套上被阀芯左、 右两凸肩盖住的窗口处，而不能流入负载油路(与作动筒相通 的油路)。 当有控制信号时，力矩马达衔铁带动挡板组件偏转一个角度， 致使阀芯偏离中间位置 (如向右移动)。结果阀芯的右凸肩将窗 孔打开，使高压油与作动筒进油管路接通，阀芯的中间凸肩 左端将回油窗口打开，使之与作动筒的回油接通，这样，伺 服阀就可控制作动筒运动。 当控制信号改变极性，则伺服阀控制的负载油路的高压油路 和回油路对换，使作动筒运行改变方向。
d m Vt dpL QL Dm Ctp p L dt 4 e dt
d 2 m d m Dm p L J t Bm G m TL 2 dt dt
式中， m 为液压马达轴的转角；
Dm 为液压马达的理论弧度排量；
Bm 为负载（折算到液压马达轴上）和液压马达内部
第 4章 机电液控制系统设计
教学内容
4.1电液控制阀 4.2电液动力装置数学模型 4.3电液控制系统的负载特性 4.4电液伺服控制系统分析 4.5电液比例控制系统分析
4.1电液控制阀
4.1.1电液伺服阀

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。
（3）按反馈形式分：
位置反馈、负载流量反馈、负载压力反馈
4.力矩马达 电气-机械转换 器利用电磁原理 工作 （1）力矩马达的分类及要求 1） 分类 ◆可动件运动形式：直线位移式（力马达）、角位移 式（力矩马达） ◆可动件结构形式：动铁式（衔铁）、动圈式（控制 线圈）
◆极化磁场产生的方式：非激磁式（控制线圈差动 连接）、固定电流激磁（激磁线圈，大的极化磁通， 结构复杂，体积大）、永磁式（永久磁铁，结构简 单、重量轻、获得的极化磁通小） （2）对力矩马达的要求 1）产生足够的力或行程，体积小、重量轻 2）动态性能好、响应速度快 3）直线性好、死区小、灵敏度高、磁滞小 4 ）特殊情况下，要求抗振、抗冲击、不受环境温 度和压力影响
式中， Kce Kc Ctp 为总流量-压力系数。该方程给出
了活塞对阀输入位移和负载力扰动的响应特性。
如果阀-液压缸组合是一个功率输出元件，通常没有
弹簧负载，K＝0。同时考虑到
Bp Kce A
2
1 。
Kq K ce Vt s FL xv 2 1 Ap Ap 4 e K ce x p s 2 2 h s 2 s 1 h h
闭环电液比例控制系统框图
如果系统要求较高的精度且具有跟踪功能，那么，就 要对于开环系统的输出量进行检测并反馈到控制器， 使之与指令信号进行比较(相减)得到差值 e ei eR 去控制电液比例阀 。 ★ 以上系统使用电液比例阀作为控制元件，故称为阀 控电液比例控制系统。
2.电液比例控制系统的特点及应用 液比例控制是介于电液开关控制系统和电液伺服控 制系统之间的一种控制系统，兼有二者之所长。 ①能够按比例的控制压力和流量从而对执行元件能 够实现力、速度和位移的连续控制，还能按输入电 信号的极性改变液流方向。 ②能够避免力、速度和方向变换时的冲击现象。 ③可以降低能耗，有显著的节能效果。 ④易于与微电子结合，特别是数字式比例元件与计 算机(PC)系统结合，可实现遥控、自控和自适应控 制。
有四边滑阀-双作用液压缸、双边滑阀-差动液压缸等。
以四边滑阀-双作用液压缸为例分析其动态特性。
◆四边滑阀的数学模型 四边滑阀-双作用液压缸组合装置如图所示。 流出阀口的流量方程表示为
QL Cd wxv
ps pL

Q( xv , pL )
线性化流量方程为
QL K q xv K c p L
Ap pL M t d 2 xp dt
2
Bp
dx p ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱt
Kx p FL
式中， Bp为活塞和负载折算到活塞上的总粘性阻尼系 数； Mt 为活塞和负载折算到活塞上的总质量； K 为负 载的弹簧刚度；FL为作用在活塞上的外负载力。
其拉氏变换式为
Ap pL Mt s xp Bp sxp K xp FL
QL Q1 Q2
由流量连续性方程可得
Vt dpL QL Ap Ctp pL dt 4e dt
dx p
C ep 式中， Ctp Cip 为液压缸的总泄漏系数。 2
其增量的拉氏变换式为
Vt QL Ap sx p Ctp pL spL 4 e 活塞动态力平衡方程式为
4.电液比例控制原理
PROPORTIONAL VALVES - BASIC PRINCIPLES
Steve Skinner, Eaton Hydraulics, Havant, UK Copyright

Eaton Hydraulics 2000
4.2电液动力装置数学模型
4.2.1阀控动力装置数学模型 电液动力装置: 1)阀控（或泵控）液压缸 2)阀（或泵控）控液压马达 阀控液压缸由滑阀和液压缸组成组合装置：
联解上述3方程可得到活塞位移增量的拉氏变换式
s FL x p BpVt 2 B p K ce Vt M t 3 K ce M t KVt K ce K s s 1 s 2 2 2 2 2 2 4 e Ap A 4 A A 4 A A p e p p e p p Kq K ce Vt xv 2 1 Ap Ap 4 e K ce
力反馈式电液伺服阀的方框图
电液伺服阀图形符号
2.电液伺服阀的组成
S S
1 2 3
力矩马达 （力马达） 液压放大器 反馈机构 （平衡机构）
4
N N 5 6 7 8 9 10 11 pS pL, QL pS 12
1—信号线; 2—永磁体; 3—线圈; 4—衔铁; 5—弹簧管; 6—喷嘴; 7—挡板; 8—反馈弹簧杆; 9—阀芯; 10—固定阻尼孔; 11—过滤器; 12—阀体
活塞腔的体积可以写成
V1 V0 Ap x p
V2 V0 Ap x p
式中， Ap 为活塞面积； x p 为活塞的位移； V0 为活塞处于中位时进/回油腔的初始容积。 此时系统的稳定性最差。 总压缩容积为 V V V 2V
t 1 2 0
是一个常数，与活塞位置无关。 负载流量：