第五章 电液伺服阀

5.1. 构造与类型
5 3


动铁式力矩马达
衔铁在磁场中受力的原理 输入电流I=10～30mA 输出力矩T=0.02～0.06Nm 输出角位移±0.25mm
或±10-4rad

频响200～1000Hz
3-永磁铁 4-衔铁 5-导磁体 6-弹簧管
1-永磁铁 2-下导磁体 3-衔铁 4-线圈 5-弹簧 管 6-上导磁体 7 喷嘴 8-滑阀 9-固定节流孔
5.2.力矩马达式电液伺服阀分析
Ic
Kt
Tm
---
1 J a s 2 f a s Kl

r
xp
K qp As
xv
K f (r b)
化简后得：
Ic
Kt K f ( r b)
---
K s[( s
hv
)
2
2 v
hv
s 1]
xv
其中： K
K qp r
(r b) A 1 fa v hv —阻尼比 2 Kl
5.2.力矩马达式电液伺服阀分析
对颤振信号的要求： 正弦波形 振幅是阀芯最大位移的(0.5-1)% 频率是指令信号的2—4倍 （2） 双线圈差动联接的电路分析 采用单端输入，双端输出的推挽直流放大器 Ebb用于线圈产生空载电流I0的稳压电源 A）. 当输入信号eg=0时，放大器的输出电压e1=e2=0 ，所以 I1 I 2 I0 Eb /(Zb Rc rp ) 两线圈电流大小相等，方向相反，所产生的磁通抵消，衔铁不 偏转，阀对外无输出，仅颤振信号使阀芯在原位附近高频振荡
5.1. 构造与类型
力马达与力矩马达 动圈式力马达 载流体在磁场中受力的原理 输出力：F=πDNBgI=KfI 输入电流I=150～300mA，F=3～5N 最大位移±(1～3)mm，频响≤100Hz 式中：D-线圈直径，N-线圈匝数 Bg-磁感强度，Kf-电磁力系数
1-永磁铁 2-调整螺钉 3平衡弹簧 4-动圈
a K 式中： t 2( ) N cg—电磁力矩系数 g a 2 K m 4( ) 2 Rgg —磁弹簧系数 g
a x g 2 a 2 [1 ( ) 2 ]I c 4 g ( ) [1 ( c ) 2 ] g g 0 Ag g g x [1 ( ) 2 ]2 g

5.2.力矩马达式电液伺服阀分析
e1 e2 Keeg eo e1 e2 2Keeg Ku eg B). 当eg 0 时 Ke—放大器单边的增益 Ku—放大器的总增益 I2 I0 i I1 I 0 i 两线圈电流不同，磁通不同，必引起与电流成正比的衔铁偏转 线圈的实际控制电流： I c I1 I 2 2i 是信号电流的2倍 差动连接灵敏度高 如果I0=0.5Icmax=imax 当eg=egmax时I1=2imax，I2=0 当来自百度文库g=-egmax时I1=0，I2=2imax 其中：I0 —空载电流（稳压电源） Ic —线圈的控制电流 i —信号电流（信号电压产生）
—开环增益， hv
Kl —无阻尼自然频率 Ja
5.2.力矩马达式电液伺服阀分析
Kl 628 rad（1000Hz） ∵ Kl K f (r b) J a ∴ hv Ja 电液伺服阀是固有频率很高，当其频宽与动力元件液压频率相 近时，可近似地看成一个二阶振荡环节 当其频率是被控对象的3～5倍时，电液伺服阀可近似地看成为 一阶惯性环节： xv K t / K f (r b) 其传递函数就是： Ic Ts 1
a —穿过衔铁的总磁通
5.2.力矩马达式电液伺服阀分析
1 2 D). 磁路分析 x x Nc a 1 1 I c 2g ( ) 磁路分析知道： a 1 2 g g Rg g da Nc dIc a d 2g ( ) 于是 代入式整理后得： c N c I c N c I c dt Rg dt g dt 2 Rg 2 g dI c d K u eg ( Rc rp ) I c 2 Lc 2Kb x a tg a 0 Ag dt dt 2 a Nc K b 2 N cg —反电动势常数 L 式中： c —线圈自感系数，
5.2.力矩马达式电液伺服阀分析
C). 线圈电压平衡方程： da E 线圈1： bb e1 I1 ( Z b Rc rp ) I 2 Z b N c dt da E 线圈2： bb e2 I 2 ( Z b Rc rp ) I1Z b N c dt 两式相减式，同时考虑到 Ic I1 I 2 , e1 e2 ec Kueg 则： da K u eg ( Rc rp ) I c 2 N c dt 式中： c —单线圈电阻，Ω， R rp —放大器内阻，Ω， Nc —线圈匝数 Zb—公用边阻抗，Ω，
力矩马达磁路
F1
5.2.力矩马达式电液伺服阀分析
5.2.2. 喷嘴挡板阀分析 （1）. 挡板组件的力矩方程 d 2 d Tm J a 2 f a K a TL dt dt 式中： a —挡板组件的转动惯量 J f a —挡板组件的粘性阻尼系数 K a—弹簧管的刚度系数 TL K f [(r b) xv ](r b) —反馈力矩，其中K f是反馈杆的弹簧刚度。 将TL 和Tm Kt Ic Km 代入上式拉斯变换后得
第五章 电液伺服阀
5.1. 构造及类型 5.2. 力矩马达式伺服阀分析
5.1. 构造与类型
5.1.1电液伺服阀作用： 信号转换元件：电信号— —机械信号（机-电接口） 功率放大元件：信号功率 （毫瓦-瓦级）——驱动功 率（千瓦-数百千瓦级）
1-永磁铁 2-下导磁体 3-衔铁 4-线圈 5-弹簧 管 6-上导磁体 7 喷嘴 8-滑阀 9-固定节流孔
5.2.力矩马达式伺服阀分析
a Tm 2( F1 F2 )a (12 22 ) ∴ 0 Ag
2g N c
Ag
F2
x ( ) 2 1 ， c g即 ( c ) 2 1，上式化简后得: x 考虑到： g 即 g g Tm Kt Ic Km ——力矩马达电磁力矩方程
5.1. 构造与类型
5.1.3 类型 (1). 动圈力马达伺服阀 构造 机-电转换的动圈式力马达 两级滑阀放大 前置级—正开口滑阀 功率级—零开口四边滑阀 位置反馈 DY系列，工业用
5.1. 构造与类型
(2). 力矩马达式双喷嘴挡板电 液伺服阀 构造 动铁式力矩马达 前置级：双喷嘴挡板阀 功率级：零开口四边滑阀 位置（力）反馈。 QDY系列（MooG）系列 工程用
2
(r b) A 式中： —伺服阀的时间常数 T K qp r 如果伺服阀的固有频率是被控对象频率的（5-10）倍，可近 似地看成为一个比例环节，传递函数就变成： xv Kt I c K f ( r b)
5.2.力矩马达式电液伺服阀分析
5.2.3 伺服阀线圈电路分析 （1） 伺服阀的线圈连接方式
（a）
（b）
（c）
（d）
a）单线圈：用于力马达，其中rp为放大器内阻 b）双线圈串联：相对单线圈匝数加倍，电阻加倍，电流减半 c）双线圈并联：电阻减半，电流加倍，工作可靠，一只线圈损 坏仍能工作 d）双线圈差动连接：电路对称，温度和电源波动影响可互补， 控制灵敏度高 都要接入颤振（Dither）信号，以便消除阀芯的静摩擦影响
5.1. 构造与类型
5.1.2构造 电-机械转换器（力马达、力矩 马达） 电流——电磁力（力矩）—— 机械位移（角位移） 液压功率放大器（液压阀） 前置放大：双喷嘴挡板阀，正 开口四边滑阀，喷管阀 功率放大：零开口四边滑阀 反馈装置（放大级间反馈）
1-永磁铁 2-下导磁体 3-衔铁 4-线圈 5-弹簧 管 6-上导磁体 7 喷嘴 8-滑阀 9-固定节流孔
电压 动势 对上式拉斯变换的： Ku eg c Ls) I c (s) E s (s) 式中：L=2Lc（总电感），Eγ=2Kb（反电动势常数） 以放大器信号电压eg为输入，滑阀位移xv为输出的电液伺服阀方 da K u eg ( Rc rp ) I c 2 N c 框图： dt
式中：l Ka Km K f (r b)2 K f (r b)2 ，设计时保证了K a K m K 即挡板刚度等于磁弹簧刚度。
Kt I c ( J a s 2 f a s Kl ) K f (r b) X v （1）
5.2.力矩马达式电液伺服阀分析
g c
g c
Rg 电阻
电感 (电压 (R s)
g 反电
5.2.力矩马达式电液伺服阀分析
E s
eg
Ku
ec
---
1 R Ls
Ic
Kt
Tm
---
1 J a s 2 f a s Kl
力矩马达磁路
F1
5.2.力矩马达式伺服阀分析
12 因此就有： 1 F 2 0 Ag 1 设计时保证了 Ag1 Ag 2 Ag 3 Ag 4 Ag 1 (12 22 ) 所以就有：F1 F2 20 Ag
磁路1：永磁铁 气隙1
Ag
F2
力矩马达磁路
F1
（3）等效磁路的磁动势（柯希霍夫第2定律）
1-永磁铁 2-下导磁体 3-衔铁 4-线圈 5-弹簧 管 6-上导磁体 7 喷嘴 8-滑阀 9-固定节流孔
5.2.力矩马达式伺服阀分析
5.2.1力矩马达分析 （1）电磁力矩：
Tm 2( F1 F2 )a
Ag
F2
（2）电磁力： 2 F 20 Ag
式中： —气隙中的磁通 4 107 —空气的磁导率，H/m Ag—气隙的面积，㎡
M o 1R1 Nc Ic 3R3 0 ∵ 1R1 3 R3
∴ M o Nc I c 21R1
线圈 气隙3 永磁铁
5.2.力矩马达式伺服阀分析
磁路2：永磁铁 气隙2 线圈 气隙4 永磁铁 M o Nc I c 22 R2 M o Nc Ic M o Nc Ic 2 于是就有：1 2R2 2R1 式中： o 2Rgg—磁铁的磁动势 M g —磁铁在气隙中的磁通 Nc Ic 2Rgc —线圈的磁动势 c —线圈电流产生的磁通 g Rg —衔铁中位时气隙磁阻， o Ag Nc —线圈匝数
5.2.力矩马达式伺服阀分析
gx gx R1 R ，2 分别是气隙1，2处的磁阻 o Ag o Ag g—衔铁中位时气隙长度，x—衔铁在气隙中的偏转量 Ag 带入相关参数整理后得： F2 g c g c 1 2 x x 1 1 g g F
1
x 2 c 2 x 4g {[1 ( ) ]c g [1 ( ) ] 力矩马达磁路 g g g 2 2 ∴ 1 2 x [1 ( ) 2 ]2 g Nc Ic Nc Ic 因为c 2 R 并且 x a tg a g g 2 0 Ag
xp r （2）挡板角位移与挡板线位移之间的关 系 x r tg r ，偏转角很小时，正切值就等于角的弧度） （
p
X p (s) r (s) 拉斯变换后得: （2） （3）挡板线位移与滑阀位移之间的关系 K qp x p xv dt A K qp X p ( s) （3） 拉斯变换整理后得： X v ( s) As K 式中： qp —喷嘴挡板阀的流量增益， x p —挡板在喷嘴出的位移m A —滑阀的阀芯截面积，m2 ， xv —滑阀阀芯位移，m 由上3式可得以滑阀位移为输出，马达线圈电流为输入的方框图