伺服阀的特性及性能参数(精)

第三节 伺服阀的特性及性能参数
一．伺服阀规格的标称
电波伺服阀的规格用额定电流I n 额定压力n p 和额定流量n Q 来标称。

额定电流系产生额定流量所需的任一极性的输入电流，它与压力或力矩马达两个线圈的连接形式（单接、串联、并联或差动连接）有关。

额定压力系产生额定流量的供油压力。

额定流量有两种定义方法：
1) 以额定空载流量0Q 作为额定流量，即以额定电流、额定压力下，负载压力为零时的空载流量来标称额定流量
ρ
ρ
s n xi d s vm d p I WK C p Wx C Q 220== 式中 ρ2xi d WK C K =
xi K -----以I 为输入、v x 为输出的伺服阀增益，m/A 。

2) 以规定负载压下的负载流量L Q 作为额定流量，即以额定电流、额定压力和规定阀上压降v p 下的负载流量来标称额定流量
v n L s n L s vm
d L p KI p p KI p p Wx C Q =-=-=)()(2ρ
式中 L s v p p p -=…………阀上总压降，Pa 。

为了得到最低的输出功率，常取2s L p p =。

由于高压伺服阀多为21=s p Mpa ，中压伺服阀为6=s p MPa （或6.3 MPa ）,于是7=v p 或2 MPa 。

所以许多伺服阀常以v p 为7或2MPa 时的负载流量来标称额定流量。

对于四通阀来说，单个阀口的压降p ∆为阀上压降的一半，因此也有一些中压伺服阀以规定阀口压降p ∆＝1MPa 时的负载流量来标称额定流量。

可见，不能笼统地谈额定流量，一定要明确是哪种定义及条件下的额定流量。

选用或代用伺服阀时尤其要注意这一点。

〔实例〕某引进设备的钢带自动跑偏控制系统，实际油源压力4.5MPa ，采用阀口引进p ∆＝1MPa 时负载流量L Q ＝20L/min 的伺服阀。

现要改用额定压力3.6=s p MPa 的国产伺服
阀，问代用阀的额定控制流量应多大？
注意，系统实际油源压力为4.5 MPa ，因为伺服阀的实际使用压力可以等于，也可以低于其额定压力。

由题意知，原系统阀上总压降22=∆=p p v MPa ，不管代用什么阀，新阀的负载流量应等于原阀的负载流量，所以，如果新阀的额定压力为4.5 MPa ，则由式（4-15）比式（4-16）得新阀的空载流量应为
25.4200==v s L p p Q Q
现在所选代用阀额定压力为6.3 MPa ，为了降压到4.5 MPa 下使用时仍具有所需的流量，显然应选用额定空载流量更大一些的代用阀，即应取
5.355.43.625.4205.43.60'
0===Q Q L/min 二．伺服阀的静态及动态特性
（一） 伺服阀的静态特性
伺服阀的功率均为滑阀，而力（矩）马达及前置级为比例控制元件，因此伺服阀的一台特性基本上同滑阀的静态特性。

以零开口流量型伺服阀为例，综述如下：
1. 压力---流量特性
伺服阀的压力---流量特性见图4-17，曲线的斜率为伺服阀的流量---压力系数。

压力---流量特性曲线可供系统设计者考虑负载匹配和用于缺点伺服阀的规格。

一般伺服阀样本上都给出无因次压力---流量特性曲线。

2. 空载流量特性
额定压力下，负载压力为零时，输入电流在正、负额定电流间连续变化一个完整的循环，所得的输出流量与输入电流的关系曲线称为空载流量曲线，简称流量曲线，见图4-18。

流量曲线的中心轨迹称为公称流量曲线。

流量型伺服阀的流量曲线可分为零区、控制区和饱和区。

零区特性反映了功率滑阀的开口情况，见图4-19，因此，可由零区特性评价伺服阀的制造质量。

在任一规定工作区域内，流量曲线的斜率为流量增益（A s m •/3
）。

由公称流量曲线的零流量点向两极各作一条与公称流量曲线偏差为最小的直线，这两条公称流量增益线的平均斜率便是公称流量增益，见图4-20。

流量曲线及其有用，它不仅给出了阀的极性、额定空载流量、公称流量增益，并揭示了阀的零区特性，而且从中还可得到阀的滞环、分辨率、线性度和对称度，后四个性能参数的含义、表示、指标及影响因素，于后集中说明。

随着电流的增大，流量曲线将呈饱和状态。

不再随电流而变化的流量称为饱和流量。

3. 压力增益特性
额定压力下，负载流量为零（工作油口关闭）时，输入电流在正、负额定电流间连续变化一个完整的循环，所得的负载压力与输入电流的关系曲线称为压力增益曲线，见图4-21。

规定用±40％额定压力区域内的负载压力对输入电流关系曲线的平均斜率，或用该区域内1％额定电流时的最大负载压力来确定压力增益。

压力增益大小与阀的开口类型有关，因此由压力增益曲线可反映阀的零位开口的配合情况。

零开口的流量型伺服阀的压力增益很高，输入1％额定电流时，负载压力可达供油压力的30％以上。

4. 内泄漏特性)(I f Q l =
额定压力下，负载流量为零时，从进油口到回油口的内部泄漏流量随输入电流的变化曲线称为内泄漏特性，见图4-22。

图中
1c Q 为前置级的泄漏流量，2c Q 为功率滑阀的零位泄漏
流量。

2c Q 的大小反映了功率滑阀的配合情况及磨损程度。

因此对于新阀，可用泄漏曲线评价阀的制造质量；而对于旧阀，则可用于判断阀的磨损程度。

2c Q 与s p 的比值还可用于确定
功率滑阀的流量……压力系数c K 。

（二） 伺服阀的动态特性
伺服阀的动态特性常用频率特性或阶跃响应来表示。

1. 频率特性
它是额定压力下，负载压力为零时，恒幅正弦输入电流在一定的频率范围内变化，输出流量对输入电流的复数比。

频率特性包括幅频特性和相频特性，如图4-23所示。

幅频特性用幅值比表示，通常用输出流量幅值i A 与同一输入电流幅值下，指定基准低频时的输出流量幅值o A 之比随输入电流频率的变化曲线来表示。

如以分贝来表示，该比值为20)lg(o i A A 。

相频特性是输出流量与输入电流的相位差随输入电流频率的变化曲线，以度表示。

用伺服阀频宽横列伺服阀的频率响应，以幅值比衰减到-3分贝时的频率为幅频宽，用s -ω（或s f -）表示；以相位滞后90°的频率为相频宽，用︒--90ω（或︒--90f ）表示。

阀的频率特性随输入电流幅值，供油压力及温度等条件而变化，因此一般规定正弦输入电流的幅值为±100％n I 和25％n I 两种。

基准低频视具体伺服阀而定，一般应低于频宽的5％。

流量的测量是通过速度传感器检测精密测试液压缸的速度而得到的，测试缸的内泄漏和摩擦力应很小，缸的谐振频率应比阀的频宽高很多。

2. 瞬态响应
一般用阶跃响应来说明阀的瞬态响应。

阶跃响应是额定压力下，负载压力为零时，输出流量对阶跃输入电流的跟踪过程，如图4-24所示。

根据阶跃响应曲线确定超调量、过渡过程实际和振荡次数等时域品质指标。

通常过渡阶跃输入电流的幅值为25％n I 、50％n I 和100％n I 。

三．伺服阀的性能参数及指标
额定参数（额定电流、额定压力和额定流量）主要用来表示阀的规格。

阀性能的优劣是由其性能参数来表示的，性能参数包括具体性能参数和动态性能参数。

（一） 静态性能参数
静态性能参数包括滞环、分辨率、线性度、对称度、零偏和零漂，它们的含义、表示、指标
及影响因素说明如下：
1. 滞环
在正负额定电流之间，以动态不起作用的速度循环时，产生系统的输出流量的两电流之最大差值与额定电流的百分比称为滞环，见图4-18，一般规定滞环≤3％，即 滞环＝n h I I ≤3％
伺服阀的滞环是由于力（矩）马达的磁滞和阀的油隙造成的。

阀的油隙是由于摩擦力及机械固定部分的间隙造成的。

磁滞回环值随电流的大小而变化，电流小时磁滞恒幅值减小，因此磁滞一般不会引起系统的稳定性问题，油隙引起的回环值为定值，油液脏时油隙显著增加，可能引起系统的不稳定。

2. 分辨率
分辨率有零位正向、零位反向和零外正向、零外反向分辨率之分。

零位分辨率是在工作油口关闭下作出的，在额定供油压力下，输入一微小电流使A 、B 口的压力相等；若继续以相同方向缓慢增加微小电流，使两平衡的工作压力发生变化所需的电流增量1i ∆与额定电流的百分比称为零位正向分辨率；若以反方向缓慢加入电流，使压力发生变化所需的电流增量2i ∆与额定电流的百分比称为零位反向分辨率。

零外分辨率是在工作油口开启下作出的，在n I I %10=的固定信号值下，使阀的输出流量继续变化所需的电流增量3i ∆与n I 的百分比称为零外正向分辨率；而使阀的输出流量反向所需的电流增量4i ∆与n I 的百分比称为零外反向分辨率。

图4-25为分辨率的示意图，其中a 为零位正向、反向分辨率示意图，b 为零外正向、反向分辨率示意图。

显然，理应取1i ∆、2i ∆、3i ∆、4i ∆中最大者m i ∆来评价阀的分辨率。

一般要求分辨率高于1％，即
分辨率＝m i ∆/n I <1%
影响阀的分辨率的主要因素上阀的静摩擦力和油隙。

油脏时恒幅中摩擦力增大，分辨率将降低。

3. 线性度
公称流量曲线与公称流量增益线的最大偏离值与额定电流的百分比称为线性度，见图4-20。

一般要求线性度高于7.5％。

如果图4-20中1i ∆>2i ∆，则
线性度＝1i ∆/n I <7.5%
4. 对称度
两极性公称流量增益之差与两极性公称流量增益较大者的百分比称为对称度，见图4-20。

一般要求对称度高于10％。

如果正极性的流量增益1q K 大于负极性的增益2q K ，则
对称度＝12
1q q q K K K -<10%
5. 零偏
虽然在固定时域条件下已调好了伺服阀的零点，但经过一段时间后，零点要发生变化，这是由于阀的结构尺寸、组件应力、电磁性能、流力特性等可能发生外形变化，从而使输入电流为零时输出流量不为零。

为使输出流量为零，必须预置某一输入电流即零偏电流。

所以，把使阀回归零位所需的输入电流值，减去零位反向分辨率电流值的差值与额定电流的百分比称为零偏。

为了消除滞环及零位反向分辨率的影响，零偏的测试过程如图4-26所示。

一般要求零偏小于3％，即 零偏＝n I i 0
%32)(21<+=n o o I i i
6. 零漂
伺服阀是按试验标准在规定试验条件下调试的，当工作条件（供油压力、回油压力、工作油温、零值电流等）发生变化时，阀的零位发生偏移。

压力、温度等工作条件变化引起的零偏电流变化量与额定电流的百分比称为零漂。

因此零漂又分为压力零漂和温度零漂；压力零漂又分进油压力零漂和回油压力零漂。

通常，供油压力降低时零偏电流0i 增大，如图，4-27a ；回油压力增大时零偏电流增大如图4-27b 。

工作油温变化引起的温漂如图4-28所示。

一般规定供油压力变化s p %20±时，进油压力零漂应小于3％，回油压力从0～0.7Mpa 变化时，回油压力零漂应小于2％。

对于航空用伺服阀，在-30～+135℃的温度范围内，一般温漂小于4％。

需要注意的是，系统调整或检查时，可加偏置电流以补偿零偏，而随工作条件变化的零漂是无法补偿的。