液压伺服与比例控制系统第五章 电液伺服阀与比例阀

（1）高频低幅电信号 （2）减小或消除伺服阀中由于干摩擦所产生的游隙 （3）防止阀的堵塞 （4）不能减小力矩马达磁路所产生的磁滞影响
XV
s(
2 hp
+
hp
s +1)
K q Ap s( s 2 + 2 h s +1) X p
h2 h
2K t K b s Rc +rp 1+ r
a
K f (r +b)
p Lp 1
rAN
AV
mV s 2 +0.43Wp s
+
0.43WxV 0
pL
mt s2
Ap
伺服阀的二阶近似传递函数
取相位滞后 90 0 ： sv
当直流放大器的输入端有信号电压Ug后，将使一个线圈中的电流增 加而另一个线圈中的电流减少。两个线圈中的电流i1及i2为
i1= I0+i2
i2= I0－i2
i= i1－i2=2i=ic
通常，I0=i/2
F = 2 2 0 Ag
Rg = lg
0 Ag
R1 =R3
=
lg
x =Rg (1
x)
0 Ag
常见的是衔铁支 承在弹簧管上。
弹簧管是用弹 性材料做成的薄壁 圆管，一端紧固在 衔铁中部，另一端 固定在下一级液压 放大元件上。
图：用弹簧管支承衔铁的力矩马达 1——弹簧管，2——液压放大元件
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
这样，衔铁是不能工作的，只要衔铁略为偏离中位，那怕没有输入 电流，衔铁也会受电磁力矩之作用而偏转。越偏转则力矩越大，力矩越 大则越偏转，直到衔铁碰上导磁体为止。
电磁弹簧的作用与机械弹簧相反，所以可以说它是一个负弹簧。
衔铁磁通：
x
2 g |+2 c
a = 1 2 =
lg
2
1
x
|
lg
（二）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
力矩马达实物图
二、永磁动铁式力矩马达
（一）力矩马达工作原理
图：永磁动铁式力矩马达 1——放大器 2——上导磁体 3——永久磁铁 4——衔铁 5——下导磁体 6——弹簧管 7——永久磁铁
QL
阀芯力平衡式压力伺服阀结构原理图
5.6 电液伺服阀的主要性能参数 一、静态特性
负载流量特性 空载流量特性 压力特性 内泄漏特性
流量特性曲线
名义流量增益、线性度 、对称度
QL QL
Icmax b
Ic2
Ic1
Icmax
Ic
Qn
Icmax
斜率为s2的直线
名义流量曲线
i2
Qn
i1
斜率为s1的直线
Icmax
参考书目：电液伺服阀技术.田源道著.航空航天出版社.2008年1月
电液伺服阀概述
电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。 电液伺服阀是液压控制系统的核心元件。 电液伺服阀控制精度高，响应快。 根据输出液压信号的不同，电液伺服阀分为电液流量控制 伺服阀和电液压力控制伺服阀。
5.1 电液伺服阀的组成及分类
Kqp AV
r
Xf
s 2 2 hp
XV
s(
2 hp
+
hp
s +1)
K q Ap s( s 2 + 2 h s +1) X p
h2 h
2K t K b s Rc +rp 1+ r
a
K f (r +b)
p Lp 1 rAN
AV
mV s 2 +0.43Wp s
+
0.43WxV 0
pL
mt s2
Ap
力矩Td 通过弹簧管弯曲 变形而转化为衔铁的角 位移。
图：用弹簧管支承衔铁的力矩马达 1——弹簧管，2——液压放大元件
（二）力矩马达的电磁力矩
设力矩马达的两个控制线圈由一个推挽放大器供电。
直流放大器的电源为Eb，它可在两个控制线圈中建立空载电流I0。 由于两个控制线圈的接线方式保证了I0在两个线圈中的流向相反，因此 由I0所产生的磁通恰好相互抵消，不产生电磁力矩。
一、电液伺服阀的组成
电液伺服阀 = 力矩马达（或力马达）+液压放大器+反馈机构
（或平衡机构）
电 ——机转换
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
二、电液伺服阀的分类
1、按放大器的级数分： 单级、两级和三级
1 2
S
S
3
4
N
N
5
6
7
8 9 10
11
pS
pS
12
pL, QL
(x / l
)2 <<1
g
2 g x + N c i
lg
Rg
x a
2 g a + N c i
lg
Rg
三、永磁动圈式力马达
动圈式力矩(力)马达: 即载流线圈是在磁场 中运动的。
载流导线在磁场中所受电磁力的方程为
F =Bg DN c ic =Kt ic
电磁力系数： Kt =Bg DN c
磁感应强度： Bg
阻尼比可有两种方法求得 ： 1）根据二阶环节的相频特性公式 2）将相频特性曲线与标准曲线比较
伺服阀的一阶近似传递函数
Q0 =
K sv
I
s2 2
mf
+ 2 mfs +1 mf
2 sv
( ) =arctg
sv
1 ( ) 2
sv
Q0 = K sv I 1 + s
sv
5.4 直接反馈两级滑阀式电液伺服阀
四、动铁式力矩马达与动圈式力马达的比较
1）动铁式力矩马达因磁滞影响输出位移滞后比较大。 2）动铁式力矩马达的线性范围比较窄，工作行程小。 3）同惯性下，动铁式力矩马达的输出力矩大，衔铁组件的固有频率高。 4）同功率下，动铁式体积小。 5）减小工作气隙长度可提高灵敏度，但动圈式受动圈尺寸限制，动铁式 受静不定的限制。
lg
R2 =R4 = lg x =Rg (1 + x )
0 Ag
lg
( ) M p +Nc i =2 1 R1 =2 1 Rg 1 x / lg
( ) M p Nc i =2 2 R2 =2 2 Rg 1 +x / lg
g + c 1=
1 x / lg
g= Mp
2Rg
g c 2 =
缺点：特性不易预测、动态响应慢、低温特性差
伺服射流管先导阀工作原理
永久磁铁所 产生的磁力线
线圈电流所 产生的磁力线
永久磁铁与线圈电 流所 产生的磁力线
3、按反馈形式分：
位置反馈、负载流量反馈、负载压力反馈 位置反馈、负载流量反馈 流量控制伺服阀：输出流量与输入电流成正比
负载压力反馈 压力控制伺服阀：输出压力与输入电流成正比
一、力矩马达的分类及要求
（一） 分类
1）可动件运动形式：直线位移式（力马达）、角位移式（力矩马达） 2）可动件结构形式：动铁式（衔铁）、动圈式（控制线圈） 3）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）。
力反馈两级电液伺服阀结构原理图
S
S
N
N
力反馈——反馈弹簧杆动作示意图
力反馈——反馈弹簧杆动作示意图
二、力反馈伺服阀的稳定性分析
2K u
U g Rc +rp I
T Te Te
s 1+
a
Kt+ + +
Tf
1 K mf s 2 + 2 mf s +1 mf2 mf
Kqp AV
r
Xf
s 2 2 hp
组成： 动圈式力马达 + 两极滑阀式电
液伺服阀（带两个固定节流孔的四 通阀（双边滑阀）+ 零开口四边滑 阀）
特点：
功率级阀芯是前置级阀套 采用阀芯、阀套直接比较法
动圈式两级滑阀伺服阀的传递函数方块图
2K u
U g Rc +rp I
T Te Te
s
Kt+ + +
1+ a
Tf
1 K mf s 2 + 2 mf s +1 mf2 mf
根据功率级滑阀位移反馈到放大器的形式可分为：
位置力反馈、直接位置反馈、机械位置反馈、位置电反馈、弹簧对中式
4、按力矩马达是否浸泡在油中分
湿式 力矩马达受到油液的冷却，油液中存在的铁污物使 力矩马达特性变坏
干式 力矩马达不受油液污染的影响，目前的伺服阀都采 用干式的
5.2 力矩马达
电气-机械转换器 利用电磁原理工作
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第5章 电液伺服阀
本章摘要
5.1 电液伺服阀的组成及分类 5.2 力矩马达 5.3 力反馈两级电液伺服阀 5.4 直接反馈两级滑阀式电液伺服阀 5.5 其它型式的电液伺服阀简介 5.6 电液伺服阀的特性及主要的性能指标
动铁式力反馈两级喷嘴挡板式电液伺服阀的传递函数方块图
5.5 其它型式的电液伺服阀简介 一、弹簧对中式两级电液伺服阀
二、射流管式两级电液伺服阀
三、偏转板射流式两级电液伺服阀
1-偏转板 2-射流盘
四、压力-流量伺服阀
1-平衡弹簧 2-压力反馈通路
压力-流量伺服阀的压力-流量曲线
TORQUE MATOR
pS’
x
T
pS
p2
p1
p1
p2
QL
压力流量控制电液伺服阀结构原理图
五、动压反馈伺服阀
TORQUE
MATOR
pS’
x
T
pS
pc2
p1
p2
pc1
QL 压力反馈电液伺服阀结构原理图
六、电液压力伺服阀
反馈喷嘴式压力伺服阀
压力伺服阀的压力-流量曲线
TORQUE MATOR
pS’
x
T
pS
p2
p1
p1
p2
a
Td =
[1 (x 2) ]2
lg
中位电磁力矩系数： 中位磁弹簧刚度：
Kt =2 a N c g
lg
2
a
K m =4lgRg g
Td =K t i +K m
Td =Kt i +K m
当有输入电流i之后，即产生电磁力矩Td以驱动衔铁转动而有角位 移 ;又进一步使Td增大，Td之增加又更加驱使衔铁转动。
1 +x / lg c = Nc i
2Rg
a T d =2a( F 1 F 4) =
( 12 22 )
0 Ag
( ) x / lg <1 / 3
x/l 2 g
( ) <<c 1 2 / g <<1
[1 +(x )2 ]Kt i +[1 +c( 2 ) ]K m
lg
g
tg = x x =a
滑阀：
优点：流量增益和压力增益高，对油液清洁度要求低 缺点：结构工艺复杂、阀芯受力大、阀分辨率低、滞环大、响应慢
喷嘴挡板阀：
单喷嘴特性不好很少用，多为双喷嘴 优点：压力灵敏度高、线性好、零漂小、需输入功率小、动态响应快 缺点：对油液清洁度要求高
射流管阀：
优点：抗污染能力强、压力效率和容积效率高，使功率级滑阀具有 “失效对中”能力
动铁式：频率高、体积小、重量轻 动圈式：尺寸要求不严格、频率要求不高、价格低
5.3 力反馈两级电液伺服阀
一、工作原理
力反馈——反馈弹簧杆将主阀芯的位移转化为力矩，并 作用于挡板和衔铁，使衔铁转角减少
实质：主阀芯的位置反馈。
1 2
S
S
3
4
N
N
5
6
7
8 9 10
11
pS
pS
12
pL, QL
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
Ic
夸大了的 名义流量曲线
流量滞环、名义流量曲线、零偏 Nhomakorabea名义流量增益、线性度
零重叠
正重叠
负重叠
pL
100%
40%
0 40% 100%
Ic
压力 增益线
压力特性曲线
Qc
功率级泄漏 前置级泄漏
0
Ic
内泄漏流量Qc(新)
二、动态特性
通 常 用 频 率 响 应 表 示
90°
三、输入特性
（一）线圈接法
（二）颤振
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
力反馈两级电液伺服阀结构原理图
动圈式直接位置反馈伺服阀
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