第10章液压伺服系统

第10章液压伺服系统

液压伺服系统是采用液压控制元件和液压执行机构，根据液压传动原理建立起来的对位移、速度、力等物理量进行控制的伺服系统。在这一系统中，液压执行机构能以一定精度自动地随着输入信号的变化规律动作，以达到自动控制的目的，所以又称液压随动系统。液压伺服系统包括机液伺服系统和电液伺服系统两大类，它们除具有液压传动的优点外，还有响应快、系统刚性大、伺服精度高等特点，在机械、冶金、化工、航空和航天等工业部门中得到广泛的应用。

10.1 液压伺服控制系统概述

10.1.1液压伺服系统工作原理

图10-1为液压传动系统，采用节流调速。调定节流阀开口量，液压缸就以某一调定速度运动。但负载、油温发生变化时，这种系统就无法保证以原有速度运动，故调速精度低，也不能满足自动连续调速的要求。

图10-1 图10-2 阀控油缸闭环控制系统原理图

1一齿条2一齿轮3一测速发电机4一给定电位计

5一放大器6一电液伺服阀7一油缸为了提高系统的控制精度和连续调速，采用图10-2所示的液压伺服系统。该系统不仅使液压缸速度能任意地连续调节，且在外界干扰很大、速度变化很快时，仍能使速度与设定值十分接近，它具有高的控制精度和快

的响应特性。

系统的工作原理如下：在某稳定状态下，液压缸速度由测速装置测得(齿条1、齿轮2、测速发电机3)并转换为电压u fo。与给定的输入信号电压u go(电位计4)通过比较元件进行比较。其差值u e0＝u g0—u f0经放大器放大后，以电流i0输入电液伺服阀6。电液伺服阀按输入电流的大小和方向自动调节滑阀的移动方向和开口大小，控制输出压力油液的方向和流量，液压缸获得沿某一方向运动的速度v0，若由于干扰引起速度增大，则测速装置的输出电压u f增大，通过比较元件输出的差值电压u c相应减小，通过放大器使电液伺服阀开口相应减小，液压缸速度降低，直到v＝v0，自动调节过程结束。按照同样原理，当输入信号电压连续变化，液压缸速度也随之连续地按同样规律变化，即输出自动跟踪输入。

10.1.2液压伺服系统的特点

液压伺服系统一般由输入元件、检测反馈元件、比较元件、放大转换元件、液压执行元件及控制对象等组成。它具有如下一些特点：

1) 在系统的输出和输入之间存在反馈连接，从而组成闭环控制系统。在本系统中反馈装置是齿轮，齿条和测速发电机。

2) 系统的主反馈是负反馈，即反馈信号与输入信号相反，两者相比较得出偏差信号，该偏差信号控制液压能源输入到液压执行元件的能量，使其向减小偏差的方向运动，即以偏差来消除偏差。

3) 系统输入信号的功率很小，而系统输出功率可以达到很大，因此它是一个功率放大装置。功率放大所需的能量由液压能源供给。

可见，液压伺服系统就是液压流体动力的反馈控制系统。

10.1.3 液压伺服系统的分类

液压伺服系统可以从不同的角度分类，每一种分类方法都代表系统一定的特点。

按控制元件的种类和驱动方式分为：节流式控制(阀控式)系统和容积式控制(泵控式)系统两类。其中阀控系统又可分为阀控液压缸系统和阀控液压马达系统两类；容积控制系统又可分为伺服变量泵系统和伺服变量马达系统两类广，

按控制信号的类别分为：机液、电液和气液伺服系统三类。

按系统输出量的名称分为：位置控制、速度控制、加速度控制、力控制和其它物理量控制系统等。

10.2 液压伺服阀

放大转换元件是液压伺服系统中的一种主要控制元件，它把输入的机械信号(位移或转角)转换为液压信号(流量、压力)输出，并进行功率放大。它们的性能直接影响到液压伺服系统的工作品质。液压放大元件可以是液压控制阀或伺服变量泵。液压控制阀包括液压伺服阀和电液伺服阀。液压伺服阀是液压伺服系统中机、液两部分之间的转换元件，它控制着输送到执行元件中去的流量和压力。电液伺服阀是电液伺服系统中的核心元件。它在系统中将输入的小功率电信号转换为大功率的液压能(压力与流量)输出，既是电液转换元件，又是功率放大元件。下面分别对液压伺服阀和电液伺服阀的性能进行介绍。

10.2.1液压伺服阀

图10-3 单边、双边和四边滑阀

液压伺服阀的结构形式有；滑阀、射流管阀和喷咀—挡板阀三种。其中滑阀式控制性能好，在液压伺服系统中应用最为广泛。

1. 滑阀的结构形式

根据滑阀上控制边数(起控制作用的阀口数)的不同，有单边滑阀(图10-3d)、双边滑阀(图10-3b)和四边滑阀(图10-3c)。四边滑阀控制性能最好，双边滑阀居中，单边滑阀最差。但四边滑阀结构工艺复杂、成本高，单边滑阀比较容易加工、成本低。

四边滑阀根据在平衡状态时阀口初始开口量的不同，有正开口(负重叠)、零开口(零重叠)和负开口(正重叠)，如图10-4所示。阀的开口形式对

其特性有很大影响，零开口阀的特性好，应用最广泛。

上面所述的是滑阀，阀芯是作直线移动的，还有一种阀芯作旋转运动的，称为转阀，它的工作原理和滑阀类似。

2. 伺服阀的特性

伺服阀的特性(即流量一压力特性)是指稳态情况下，阀的负载流量Q L 、负载压降P L 和滑阀位移x v 三者之间的关系，Q L ＝f (p l ，x v )。它表示滑阀本身的工作能力和性能，对液压伺服系统的动静态特性计算具有重要意义。现以图10-5所示理想零开口四边滑阀为例，假定阀口槽边锋利，无泄漏，油源压力稳定，油液是理想流体。当阀芯向右移动x v 时，伺服阀在进油，、回油路上各有一个节流口，进油口处压力从P p 降到p 1，回油口处压力从p 2降到零。油液流量连续方程为

Q p ＝Q l ＝Q L ＝Q 3

式中，Q p ，Q l 为在负载下通过伺服阀和通向液压缸的流量；Q l 、Q 3为通过阀口1、3的流量，其流量方程为

()1112d p Q C A p p ρ

=- 3322d Q C A p ρ=

图10-4 阀的开口型式 图10-5 零开口伺服阀计算简图 式中A 1、A 3为阀口1、3处的通流截面积，一般伺服阀的控制口多是配

作且对称，若阀口是理想的矩形阀口，则有A 1=A 3=wx v (式中w 为阀口沿圆周方向的宽度，称为阀的面积梯度；x v 为阀的开度)。负载压降12L p p p =-，由上各式可得()()12/2,/2p L p L p p p p p p =+=-，并有

L d d Q C A C x ω== (10-1) 上式即为匹配和对称的、且为矩形阀口的理想零开口四边滑阀的流量一压力特性方程。

3. 伺服阀的特性系数

由式(10-1)可见阀的流量一压力特性是非线性的，采用线性化理论对系统进行动态分析时，必须把这个方程线性化。以增量形式表示的线性化表达式为

L L L v L v L

Q Q Q x p x p ???=?+??? 或 L q v c L Q K x k p ?=?-? (10-2) 式中，q L v K Q X =??称为阀的流量放大系数，或流量增益。它是流量曲线在某一点的切线斜率，流量增益表示负载压降一定时，阀单位输入位移所引起的负载流量变化的大小，流量增益越大，阀对负载流量的控制越灵敏，/c L L K Q p =-??称为流量一压力系数。它是流量一压力曲线的切线斜率冠以

负号。因/L L Q p ??是负的，冠以负号后使得K c 为正值。它表示开度一定时，负载压降变化所引起的负载流量变化的大小。

另外，定义K p ＝/L v p x ??称为压力增益，或压力灵敏度。通常，压力增

益指Q L ＝0时，阀单位输入位移所引起的负载压力变化的大小。

因为 //L v L v L L

Q x p x Q p ???=-??? 所以有 K p =K q /K c

流量一压力的线性化方程，适用于不同结构形式的阀，但不同的阀其

阀系数是不同的。对理想另开口四边阀来说，根据式(10-1)，有

q d K C = (10-3a)

c K = (10-3b) ()

2p L p v p p K x -= (10-3c)

上述阀的三个系数是表征阀静特性的性能参数，这些系数在确定系统的稳定性、响应特性时是非常重要的。

阀系数的数值随工作点的变化而变化。最重要的工作点是流量一压力曲线的原点(即在Q L =p L =x v =0处)，因为系统经常在原点附近工作，而此处K q 最大，系统增益最高；K c 最小，阻尼最低。因此，从稳定性的观点看，如果一个系统在这一点是稳定的，则在其它各个工作点也是稳定的。在原

点附近的阀系数称为零位阀系数，理想零开口四边阀的零位阀系数由式(10-3)有 qo d po K C K ==∞ (10-4) 由上可知，在恒压油源情况下，K qo 仅与几何尺寸ω有关，计算所得的值与实际情况相符。但K co 和K po 的计算值与实验值却相差很大，这是由于实际的阀都有径向间隙，阀内部有泄漏，实际的K co 和K cp 可按下式计算

2;32r co po r c K K πωη==恒压油源供油时，当阀处于中位系统不工作而需要液流循环散热的场合，或者在恒流量油源供油时，必须采用正开口阀。可采用与零开口阀相同方法分析正开口四边滑阀的特性，详细推导可参看相关文献。 10.2.2 电液伺服阀

电液伺眼阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。它能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)输出。它是电液伺服系统的核心，它的性能直接影响整个系统的性能。

电液伺服阀的类型和结构形式很多，但都是由电气机械转换器和液压放大器所组成；电气机械转换器的作用是将电信号转换成力或力矩，再通

过机构、弹簧等转换成位移，常用的有动圈式力马达和衔铁式力矩马达两种型式。液压放大器的作用是由阀的运动来控制液压流体动力(流量和压力)，放大器有一级、二级和三级阀，阀的结构形式有喷咀挡板阀和滑阀。现对目前广泛应用的力反馈二级电液伺服阀进行分析。

1. 电液伺服阀的结构和工作原理

图10—6所示，为力反馈二级电液伺服阀的结构原理图。它由电磁和液压两部分组成。电磁部分是永磁式力矩马达，由永久磁铁1、导磁体2、衔铁3、控制线圈4和弹簧管5所组成。液压部分是结构对称的两级液压放大器，前置级是双喷咀挡板阀6，功率级是四通滑阀7。滑阀通过反馈杆与衔铁挡板组件相连。

图10-6 QDY电液伺服阀原理图

1一永久磁铁2一导磁体3一衔铁4一线圈

5一弹簧管6一喷嘴7一滑阀8一固定节流孔

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，永久磁铁在四个气隙中产生的极化磁通是相同的，力矩马达无力矩输出。此时，挡板处于两个喷咀的中间位置，两个喷咀与挡板间的节流阻力相同，因此，喷咀挡阀输出的控制压力p1p=p2p，滑阀在反馈杆小球的约束下也处于中间位置，阀无液压能(流量、压力)输出。若有信号电流输入时，控制线圈产生控制磁通，其大小与方向由信号电流所决定，在永久磁铁形成的磁场作用下，在衔铁上产生逆时针(或相反)方向的磁转矩，使衔铁绕弹簧管中心逆时针方向偏转。同时，使挡板向右偏移，喷咀挡板的右间隙减小而左间隙增大，即使控制压力p2p>p1p，

推动滑阀左移。同时反馈杆产生弹性变形，对衔铁挡板组件产生一个顺时针方向反力矩。当作用在衔铁挡板组件上的磁力矩、弹簧管反力矩、反馈杆的弹性反力矩以及喷咀处的液压力形成的力矩等作用下达到平衡时，滑阀停止运动，取得一个子衡位置，使滑阀具有一定开口，并有相应的流量输出。在负载压降一定时，阀的输出流量与信号电流成比例。当输入信号电流反向时，阀的输出流量也反向。所以，这是一种流量控制电液伺服阀。

由上可见，电液伺服阀中电磁部分的作用，是把输入电流转变成转矩，使衔铁偏转，所以叫做力矩马达。液压部分中的喷咀挡板阀借助于档板间隙的改变来使阀移动，滑阀的移动控制流体的流量，它们都是液压放大器，前者称为前置放大级，后者称为功率放大级。另外，滑阀的最终位置是通过挡板弹性反作用力的反馈作用而达到平衡的，因此称为力反馈伺服阀。

2. 电液伺服阀的基本特性

电液伺服阀是电液伺服系统中的关键元件，结构复杂而精密，它和其他液压元件相比，性能的技术要求严格得多。其基本静态和动态特性对于设计、选用和评定伺服阀都是非常有用的。

1) 静态特性

(1) 流量一压力特性(负载流量特性)

伺服阀的流量一压力曲线表示出稳定状态下，输入电流、负载流量和负载压降三者之间的函数关系。如图10-7所示。这些曲线主要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。

(2) 空载流量特性(流量增益特性)

如图10-8所示。它是在给定的伺服·阀压降(通常为63×105Nm-2)和负载压降为零的条件下，使输入电流在正、负额定电流值之间作一完整的循环而绘制的曲线。由此曲线可以得到以下参数：额定流量、流量增益、滞环、非线性度、不对称度和零偏等。

额定流量：在额定电流和规定的阀压降下所测得的流量。

流量增益：流量曲线回环的中点轨迹线称为名义流量曲线，它是无滞环流量曲线。流量曲线上某点或某段的斜率就是阀在该点或区段的流量增益。