机电一体化——电液控制系统设计

6.电液控制系统设计6.1概述电液控制系统是常用机电一体化系统之一。

它是将计算机电控和液压传动结合在一起，既发挥了计算机控制或电控制技术的灵活性，又体现了液压传动的优势，充分显示出大功率机电控制技术的优越性。

电液控制系统的种类很多，可以从不同的角度分类，而每一种分类方法都代表一定的特征：1）根据输入信号的形式和信号处理手段可人为数字控制系统、模拟控制系统、直流控制系统、电液开关控制系统。

2）根据输入信号的形式和信号处理手段可分为数字控制系统、模拟控制系统、直流控制系统、交流控制系统、振幅控制系统、相位控制系统。

3）根据被控量的物理量的名称可分为置控制系统、速度控制系统、力或压力控制系统等。

4）根据动力元件的控制方式可分为阀控系统和泵控系统。

5）根据所采用的反馈形式可分为开环控制系统、闭环系统和半闭环控制系统。

本章主要介绍电液控制系统的组成、控制元件，系统数字模型以及系统的设计。

6.2电液控制元件电液控制元件主要包括电液伺服阀、电液比例阀、电液数字阀以及由数字阀组成的电液步进缸、步进马达、步进泵等。

它胶是电液控制系统中的电-液能量转换元件，也是功率放大元件，它能够将小功率的电信号输入转换为大功率的液压能（流量与压力）或机械能的输出。

在电液控制系统中，将电气部分与液压部分连接起来，实现电液信号的转换与放大，主要有电液伺服阀、电液比例阀、电液数字阀以及各种电磁开关阀等。

电液控制阀是电液控制系统的核心，为了正确地设计和使用电液控制系统，就必须掌握不同类型电液控制阀的原理和性能。

6.2.1控制元件的驱动6.2.1.1电气—机械转换器电气—机械转换器有“力电机（马达）”、“力矩电机（马达）”以及直流伺服电动机和步进电动机等，它将输入的电信号（电流或电压）转换为力或力矩输出，去操纵阀动作，推行一个小位移。

因此，电气-机械转换器是电液控制阀中的驱动装置，其静态特性和动态特性在电液控制阀的设计和性能中都起着重要的作用。

根据使用电液控制阀的不同，其结构有所不同。

主要有用于电液伺服阀或电液比例阀的动圈式电气—机械转换器、动铁式电气-机械转换器，以及步进电动机和伺服电动机等。

直流伺服电动机和步进电动机已在第四章详细介绍过，在此仅介绍动圈式电气—机械转换器和动铁式电气-机械转换器基本结构原理及情能要求。

（1）动圈式电气-机械转换器1）工作原理及结构特点如图6.1所示，它是基于位于磁场中动圈上的载流导体受力作用的基本原理。

恒定磁场由永久磁钢4产生，再配以导磁体组成定子。

载流导体做成动圈，相当于直流电动机的电枢。

通过导流装置将电流引至动圈，无需换向器。

通过导体在磁场中受一正比于电流、磁通密度和导线长度的力，使动圈产生往复运动。

动圈的电感直流影响其动态性能，为了减小其时间常数，一般电感都做得较小。

为了使其有足够的通频带，动圈质量较小，但却要求有好的刚度以保证较高的机械谐振频率。

动圈式电气-机械转换器广泛应用在电液伺服阀上驱动滑阀。

2）主要性能要求①提高比推力降低其不均匀度比推力是指单位电流的推力。

推力大对其动作时间的缩短有利。

提高气隙磁通密度是增加比推力的有效办法。

为满足各项动静态性能的要求，还希望在工作范围内比推力均匀。

较长动圈的电机由于工作行程内漏磁的不均匀，其比推力比短动圈的电机要小。

②减小漏磁场漏磁不仅降低了磁钢的利用率，也影响电机参数和电机性能。

在结构上采用缩短磁路长度、使磁路各部分配合紧密、减小外表面的尖角和棱角、减小气隙等措施来减小漏磁。

（2）动铁式电气-机械转换器1）工作原理及结构特点在机电控制技术中用得较多的是开关式电磁铁、比例电磁铁和力矩电动机。

开关式电磁铁早已广泛应用。

交流电磁铁有较大的推力，且电源的采用比较方便。

交流电磁铁的缺点主要是它在未吸合时线圈电流较大，因而不宜反复反启动。

特别是当由于某种原因，动铁的移动被阻（卡死）时，造成电流过大，使电磁铁烧环。

因而在某些电磁铁带动的负载有可能卡死的应用场合，希望采用直流电磁铁。

比例电磁铁的结构及特性如图6.2所示。

它具有特殊的导套，导套左右两段由导磁材料制成，中间用一段非导磁材料焊接而成，其锥形端部优化设计。

这样，导套和衔铁组成的特殊磁路使衔铁在一定的工作范围内电磁铁的吸力只和电流有关，而与衔铁的位置无关。

图 6.2b表示普通电磁铁和比例电磁铁力-位移特性的比较。

圈中横坐标是衔铁的位移，纵坐标是电磁力。

从图中可以看出，当比例电磁铁的Ⅱ区域工作时，电磁力的衔铁的位置无关，只取决于工作电流。

图6.3是力矩电动机的结构原理图。

上下导磁体1、4在左右气隙产生极化磁场，由于衔铁5和极靴之间的四个气隙是相等的，所以衔铁受到的电磁力相互抵消而衔铁维持不动。

当控制线圈3通电流时，由于极化磁场与控制线圈磁路的相互作用而使衔铁产生与控制电流的大小和方向相应的转矩。

当电磁力矩大于负载及大于固定弹簧管6变形的力矩时，衔铁转动。

这种力矩电动机有高的工作频率，动作灵敏，功率/重时比大，但转动角度较小，材料性能及制造精度要求较高，因而价格较昂贵，较广泛地用于电液伺服或比例机构。

图6.2比例电磁铁的结构及特性图6.3力矩电动机的结构原理图1——上导磁体；2——磁钢；3——线圈；4——下导磁体；5——衔铁；6——弹簧管；7——线圈引出线2）静态特性图6.4为比例电磁铁的静态特性。

图中F M、i、M y分别为电磁力、工作电流、衔铁的额定工作位移，下标max表示其最大值。

从图中可看到电磁力-行程曲线近似是一组平行线，电磁力-电流曲线近似是一组直线。

从图中还可以看到，当电流（或行程）增加时电磁力的变化和电流（或行程）减小时电磁力的变化曲线不重合，称为滞环特性。

这是由于电磁材料的滞环性能和运动的摩擦力所造成的。

一般在使用时用叠加颤振信号来减小此滞环。

6.2.1.2液压放大元件液压放大元件是一种功率放大器，也称液压放大器。

它以输入的机械运动连续地控制输出的流体压力和流量。

从结构形式上看，液压放大元件主要有滑阀、喷嘴挡板阀、射流管阀等三类。

其中滑阀的结构形式较多，应用出较普遍，既可用于液压前置级放大器也可用于液压功率级放大器。

喷嘴挡板阀和射流阀主要用作液压前置放大器。

图6.4比例电磁铁的静态特性（1）喷嘴挡板阀喷嘴挡板闭阀的工作原理如图6.5所示。

它由喷嘴2、固定节流孔1和挡板3组成。

挡板和喷嘴之间形成一个可变节流口，挡板一般由扭轴或弹簧去承，挡板的位置由输入信号控制。

对于喷嘴挡板阀，当压力油P s进入阀后，分别通过两个液阻相等的固定节流口1，再经喷嘴和挡板间的可变节流口a、b内分别形成压力P1、P2，作用在液压缸的左、右腔。

当挡板上没有输入信号时，挡板处于中间位置，喷嘴和挡板间的可变节流口液阻相等，作用在液压缸左、右腔力P1和P2相等，液压缸不动。

当输入信号作用于挡板上时，例如使挡板向左偏转，可变节流口a减小，液阻增加，压力P1增高；同时，可变节流口b增大，液阻减小，压力P2降低，作用在液压缸左、右腔压力P1>P2，液压缸向右运动。

当输入信号相反时，液压缸向相反方向运动。

图6.5喷嘴挡板阀（2）射流管阀图6.6为射流管阀工作原理图。

当射流管1在中间位置时，接收器2上两相受流孔接收的油液及压力相等，则活塞不动。

当射流管偏离中央位置时，由于射到两孔的流量不同，在活塞腔的二腔产生压力差使活塞运动。

操纵射流管的力比操纵喷嘴挡板的力大，结构也比较复杂，但这种阀的抗污染性能较好。

由于存在一定的功率损耗，因此一般作为控制阀的前置级使用，但应用范围比喷嘴挡板阀小。

图 6.6射流管阀（3）滑阀滑阀具有良好的控制功能，功率放大系数大，因此电液控制阀的功率放大级均采用滑阀。

但是滑阀的灵敏度和动态响应较低，要求的控制力较大，因此稍大一点的阀需要有前级放大（一般为喷嘴挡板阀或射流阀）。

根据滑阀工作边的数目，可分成双边滑阀和四边滑阀。

图 6.7为四边滑阀及其等效电路。

一般双边滑阀用于控制单出杆缸，四边滑阀用于控制双出杆缸，滑阀的阀口可以看作一个液流阻力，通过阀口的流量和阀口两端的压差是平方关系，这给线性传递函数的推导带来困难。

滑阀的流量-压力关系可以写成),()(p x QL p p wx C Q v L s v d L =-=ρ （6.1）式中Q L ——通过阀口的输出流量；C d ——阀口流量系数；w ——阀口沿圆周方向的宽度，即阀口的面积梯度；v x ——阀口开度；P s ——滑阀供油压力；P L ——负载压降；ρ——油液的密度。

上式的全微分为图 6.7四边滑阀及等效电路（a ）四边涔阀原理图 ；(b)等效电路图L Lv L v v v L L P P p x Q x x p x Q Q ∆∂∂+∆∂∂=∆),(),( （6.2）令v L q x Q K ∂∂=/为阀的流量增益；L L e P Q K ∂-∂=/为阀的流量-压力系数；v L q x Q K ∂∂=/为阀的压力的增益。

此三个系数是表征阀的动、静态特性的重要参数。

经上述线性化处理后，流量微小变化的公式可写成L e v q L P K x K Q ∆-∆=∆ （6.3）滑阀输出最大功率（效率）时得负载压力*L p 和负载流量*L Q ，可由输出功率N阀出=P L Q L 对负载压力P L 求极大值得 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==**3320mL s L Q Q p P （6.4） 式中 Q 0m ——供油压力下的最大穿载流量，;/0ρs vm d m p wx C Q =vm x ——滑阀在最大开口时阀芯的位移。

6.2.2 电液伺服阀6.2.2.1.电液伺服阀的结构原理电液伺服阀是一种接受电气模拟信号后，相应输出调制的流量和压力的液压控制阀。

根据输出液压信号的不同，电液伺服阀可以分为最液流量伺服阀和电液压力伺服阀。

图6.8是电液流量伺服阀的原理图。

它由电磁和液压两部分组成。

电磁部分早永磁式力矩马达，由永久磁铁、导磁体、衔铁、控制线圈和弹簧管所组成。

液压部分是结构对称的两级液压放大器，前置级是双喷嘴挡板阀，功率级是四通滑阀，滑阀通过反馈杆与衔铁挡板组件相连。

力矩马达把输入的电信号（电流）转换为力矩输出。

无信号电流时，衔铁由弹簧管支承在上下导磁体的中间位置，永外磁铁在四个气隙中产生的极化磁通g φ是相同的，力矩马达无力矩输出。

此时，挡板处于两个喷嘴的中间位置，喷嘴挡板阀输出的控制压力P 1P =P 2P ，滑阀在反馈杆小球的约束下也处于中间位置，阀无液压信号输出。

若有信号电流输入时，控制线圈产生控制磁通φc ，其大小与方向由信号电流所决定。

如图6.8所示，在气隙b 、c 中，φc 与φg 方向相反。

因此，气隙b 、c 中的合成磁通大于a 、d 中的合成磁通，于是，在衔铁上产生逆时针方向的磁力矩，使衔铁绕弹簧管中心逆时针方向偏转。