電液伺服閥概論
電液伺服閥是電液伺服控制系統(tǒng)中的重要控制元件，在系統(tǒng)中起電液轉(zhuǎn)換和功率放大作用。具體地說(shuō)，系統(tǒng)工作時(shí)它直接接收系統(tǒng)傳遞來(lái)的電信號(hào)，并把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有相應(yīng)極性的、成比例的、能夠控制電液伺服閥的負(fù)載流量或負(fù)載壓力的信號(hào)，從而使系統(tǒng)輸出較大的液壓功率，用以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電液伺服閥的性能和可靠性將直接影響系統(tǒng)的性能和可靠性，是電液伺服控制系統(tǒng)中引人注目的關(guān)鍵元件。
由于系統(tǒng)服務(wù)對(duì)象和使用環(huán)境各式各樣，相應(yīng)地為系統(tǒng)服務(wù)的電液伺服閥型號(hào)、結(jié)構(gòu)、性能也多種多樣。它們有個(gè)性，也有共性。本章將對(duì)常見(jiàn)電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理、組成、分類及有關(guān)特點(diǎn)作簡(jiǎn)要介紹。
1.1電液伺服閥組成
電液伺服閥本身是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，一般由下列部分組成：
（1）電－機(jī)轉(zhuǎn)換部分；
（2）機(jī)－液轉(zhuǎn)換和功率放大部分；
（3）反饋部分；
（4）電控器部分。
大部分伺服閥僅由前三部分組成，只有電反饋伺服閥才含有電控器部分。
1. 電－機(jī)轉(zhuǎn)換部分
電－機(jī)轉(zhuǎn)換部分的工作原理是把輸入電信號(hào)的電能通過(guò)特定設(shè)計(jì)的元件轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，由此機(jī)械能進(jìn)而驅(qū)動(dòng)液壓放大器的控制元件，使之轉(zhuǎn)換成液壓能。將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的元件，人們通常稱為力矩馬達(dá)（輸出為轉(zhuǎn)角）或力馬達(dá)（輸出為位移）。力矩馬達(dá)和力馬達(dá)有動(dòng)鐵式和動(dòng)圈式兩種結(jié)構(gòu)。常用的典型結(jié)構(gòu)示于圖1.1中。
圖1.1（a）為永磁橋式動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)。它結(jié)構(gòu)緊湊體積小，固有頻率高；但是輸出轉(zhuǎn)角線性范圍窄；適用于驅(qū)動(dòng)噴嘴擋板液壓放大器的擋板，射流管液壓放大器的射流管或偏轉(zhuǎn)射流管的偏轉(zhuǎn)板。
圖1.1（b）為高能永磁動(dòng)鐵式直線力馬達(dá)。它體積大，加工工藝性好；驅(qū)動(dòng)力大、行程較大；固有頻率較低，約≤300Hz，適用于直接驅(qū)動(dòng)功率級(jí)滑閥。
圖1.1（c）為永磁動(dòng)圈式力馬達(dá)，它又有內(nèi)磁型和外磁型兩種結(jié)構(gòu)形式。圖1.1（d）為激磁動(dòng)圈式力馬達(dá)。它們的共同特點(diǎn)是體積大、加工工藝性好；但是同樣的體積下輸出力小；機(jī)械支撐彈簧的剛度通常不是很大，在同樣的慣性下，動(dòng)圈組件固有頻率低；為提高固有頻率，可增加支撐剛度及激磁和控制線圈功率，但尺寸大，功耗大。此型力馬達(dá)的磁環(huán)小；線性范圍寬，輸出位移大；適用于直接驅(qū)動(dòng)滑閥液壓放大器的閥芯運(yùn)動(dòng)。
2. 機(jī)－液轉(zhuǎn)換和功率放大部分
機(jī)－液轉(zhuǎn)換及功率放大部分，實(shí)質(zhì)上是專門設(shè)計(jì)的液壓放大器，放大器的輸入為力矩馬達(dá)或力馬達(dá)輸出力矩或力，放大器的輸出為負(fù)載流量和負(fù)載壓力。
伺服閥常用的液壓放大器示于圖1.2中。
圖1.2（a）為雙噴嘴擋板式液壓放大器，由兩個(gè)固定節(jié)流孔和兩個(gè)可變節(jié)流孔組成液壓全橋，按節(jié)流原理工作。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積小，運(yùn)動(dòng)件慣性小，所需驅(qū)動(dòng)力小，無(wú)摩擦，靈敏度高；但中位泄漏大，負(fù)載剛度差；輸出流量??；固定節(jié)流孔的孔徑和噴嘴擋板之間的間隙小，易堵塞，抗污染能力差；適于小信號(hào)工作，常用作兩級(jí)伺服閥的前置放大級(jí)。
圖1.2（b）為射流管式液壓放大器，按動(dòng)量轉(zhuǎn)換原理工作。射流管孔徑及射流管噴嘴與接受器之間的間隙較噴嘴擋板式大，不易被污物堵塞，抗污染能力強(qiáng)；射流噴嘴有失效對(duì)中功能；放大器效率高；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工調(diào)試難；運(yùn)動(dòng)零件慣性大；射流管的引壓管剛度差，易振動(dòng)；常用作兩級(jí)伺服閥的前置放大級(jí)。
圖1.2（c）為偏轉(zhuǎn)射流管式液壓放大器，按動(dòng)量轉(zhuǎn)換原理工作。射流噴嘴及偏轉(zhuǎn)板與射流盤之間的間隙大，不易堵塞，抗污染能力強(qiáng)；射流噴嘴有失效對(duì)中功能；運(yùn)動(dòng)零件慣量小。缺點(diǎn)是在高溫及低溫時(shí)性能差?？捎糜趦杉?jí)伺服閥的前置放大級(jí)。
圖1.2（d）為滑閥式液壓放大器，按節(jié)流原理工作。其特點(diǎn)是允許位移大；節(jié)流邊為矩形或圓周開(kāi)口時(shí)，線性好，輸出流量大；流量增益和壓力增益高；結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜；體積大；軸向及徑向配套要求高；運(yùn)動(dòng)件慣量大，液動(dòng)力大，要求驅(qū)動(dòng)力大。通常與動(dòng)圈式或MOOG DDV直線力馬達(dá)直接連接構(gòu)成單級(jí)伺服閥或用作兩級(jí)伺服閥的前置級(jí)，它也是兩級(jí)和三級(jí)伺服閥功率放大級(jí)的主要型式。
3. 反饋部分
通常有幾種反饋形式：力反饋、直接位置反饋、壓力反饋和電反饋。
1）力反饋
典型的雙噴嘴擋板兩級(jí)力反饋電液流量伺服閥的工作原理見(jiàn)第2章。此型力反饋伺服閥具有以下特點(diǎn)：
（1）銜鐵及擋板工作在零位附近，對(duì)力矩馬達(dá)的線性度要求不那么嚴(yán)格，而閥仍具有良好的線性；
（2）噴嘴擋板及輸出驅(qū)動(dòng)力大，增加了閥芯的抗污染能力；
（3）閥芯基本處于浮動(dòng)狀態(tài)，附加摩擦力?。?/p>
（4）閥的性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，零漂?。?/p>
（5）力反饋回路包圍力矩馬達(dá)，限制了閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
2）直接位置反饋
動(dòng)圈式滑閥直接位置反饋兩級(jí)電液流量伺服閥是典型的直接位置反饋型式，見(jiàn)圖1.3。它由永磁式動(dòng)圈力馬達(dá)、馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)的雙邊滑閥式前置控制閥和三通滑閥式功率級(jí)組成。前置控制滑閥的兩個(gè)預(yù)開(kāi)口節(jié)流控制邊與閥體上兩個(gè)固定節(jié)流孔組成液壓全橋，類似于噴嘴擋板放大器?；y副的閥芯直接與馬達(dá)的動(dòng)線圈骨架相連。前置級(jí)的閥套又是功率放大級(jí)的閥芯。
輸入控制電流給力馬達(dá)動(dòng)圈，則力馬達(dá)的動(dòng)圈產(chǎn)生電磁力，此電磁力將克服對(duì)中彈簧的彈簧力使動(dòng)圈和前置級(jí)閥芯移動(dòng)，其位移量與動(dòng)圈電流成正比。前置閥芯位移將使液壓橋的兩個(gè)可變液阻發(fā)生變化，因而液壓橋?qū)a(chǎn)生負(fù)載壓力和負(fù)載流量，驅(qū)動(dòng)功率級(jí)閥芯（即前置級(jí)的閥套）移動(dòng)，且功率閥芯一邊移動(dòng)一邊逐漸消減前置級(jí)滑閥的原開(kāi)啟面積的變化量，直到前置級(jí)滑閥兩個(gè)可變節(jié)流控制口的面積相等，此時(shí)功率閥芯將停留在某一預(yù)定的位置上。這種直接位置反饋的作用，使功率級(jí)滑閥閥芯跟隨前置級(jí)滑閥閥芯運(yùn)動(dòng)，功率級(jí)滑閥閥芯的位移與動(dòng)圈輸入電流大小成正比。
直接位置反饋式動(dòng)圈伺服閥的特點(diǎn)：
（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠；
（2）力馬達(dá)線性范圍寬，調(diào)整方便；
（3）前置級(jí)滑閥流量增益大，輸出流量大；
（4）和噴嘴擋板型力矩馬達(dá)相比，力馬達(dá)體積大，工作電流大；
（5）由于力馬達(dá)動(dòng)圈和滑閥閥芯直接連接，運(yùn)動(dòng)部分慣量較大，一般固有頻率低。
3）壓力反饋
一般情況下壓力反饋用于壓力伺服閥對(duì)輸出壓力的控制，使閥的輸入信號(hào)與閥輸出壓力成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，個(gè)別情況下用于流量伺服閥內(nèi)部動(dòng)壓反饋校正。電液壓力伺服閥通常有兩種壓力反饋結(jié)構(gòu)型式：閥芯力綜合式電液壓力伺服閥和反饋噴嘴式電液壓力伺服閥。
（1）閥芯力綜合式電液壓力伺服閥
該閥的工作原理見(jiàn)圖1.4。給伺服閥輸入某一信號(hào)，則噴嘴擋板產(chǎn)生壓差，此壓差作用到功率級(jí)滑閥的閥芯上，使閥輸出負(fù)載壓力，此負(fù)載壓力反饋到閥芯兩端。設(shè)噴嘴擋板級(jí)輸出壓力的作用面積為，輸出壓差為pc，功率級(jí)閥芯的反饋面積為，輸出負(fù)載壓力為pL，則當(dāng)pL=pc時(shí)，閥芯將停留在這一平衡位置上，使得對(duì)應(yīng)一個(gè)輸入便有一個(gè)負(fù)載壓力輸出，且輸出壓力與輸入信號(hào)成正比。這種反饋結(jié)構(gòu)型式的特點(diǎn)是：
（1）壓力反饋增益由噴嘴擋板級(jí)輸出壓力的作用面積和反饋面積之比決定，因此壓力反饋有固定的線性增益；
（2）用對(duì)力矩馬達(dá)進(jìn)行充、退磁方法調(diào)整閥的壓力增益；
（3）必須采用臺(tái)階式閥芯，加工較難。
（2）反饋噴嘴式電液壓力伺服閥
此型伺服閥的工作原理見(jiàn)圖1.5。當(dāng)給閥輸入某一信號(hào)時(shí)，閥的負(fù)載油口和便有負(fù)載壓力輸出。設(shè)油口輸出壓力大于油口輸出壓力，這個(gè)壓力差通過(guò)反饋噴嘴作用到擋板上，形成對(duì)力矩馬達(dá)的反饋力矩，磁力矩與負(fù)載油口壓差成正比，作用方向與輸入信號(hào)使力矩馬達(dá)產(chǎn)生的電磁力矩相反。當(dāng)反饋力矩等于電磁力矩時(shí)，銜鐵擋板組件回到對(duì)中位置，閥芯也將停留在某一平衡位置，此時(shí)滑閥輸出某一固定壓差，且輸出壓差與輸入信號(hào)成正比。這種壓力反饋的反饋力矩在力矩馬達(dá)上與輸入信號(hào)產(chǎn)生的電磁力矩相綜合。
該閥的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積?。混o態(tài)性能優(yōu)良，工作可靠；擋板在零位附近工作線性好。其缺點(diǎn)是反饋噴嘴有泄漏，增加了功耗；負(fù)載腔有泄漏流量，影響閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；反饋噴嘴對(duì)擋板的反饋力與反饋噴嘴腔感受的負(fù)載壓力不是嚴(yán)格線性的，因此，閥的壓力特性線性度稍差；壓力反饋的增益調(diào)整較困難；增加了一對(duì)噴嘴，抗污染能力也有所下降。
4）電反饋
電反饋型式在伺服閥中也有廣泛應(yīng)用，如直驅(qū)式電液流量和壓力伺服閥，雙噴嘴擋板兩級(jí)電反饋電液流量伺服閥和三級(jí)流量伺服閥等等，它們的工作原理分別見(jiàn)第3章和第6章。
電反饋伺服閥的特點(diǎn)是回路增益較高，可以針對(duì)閥回路加必要的校正環(huán)節(jié)，閥的靜、動(dòng)態(tài)性能好；閥的最高動(dòng)態(tài)受一級(jí)液壓控制閥流量增益或受力矩馬達(dá)固有頻率限制；反饋增益可調(diào)，改變閥的額定流量方便。由于采用電反饋使閥中帶有電控器成為可能。對(duì)電控器的基本要求是：
（1）帶載能力強(qiáng)，頻帶寬；
（2）功率放大級(jí)功耗??；
（3）抗干擾能力強(qiáng)；
（4）輸入輸出參數(shù)連接端口和外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化；
（5）元器件微型化，體積小。
為此控制器功率級(jí)應(yīng)采用恒流型，它可以消除在高頻工作時(shí)由于閥線圈感抗變化造成伺服閥高頻動(dòng)態(tài)增益的變化，并將線圈電感引起的相位滯后減到最小。對(duì)閥線圈輸入電流比較大的電控器功率級(jí)，宜采用脈寬調(diào)制（PWM）型開(kāi)關(guān)式功率放大級(jí)。
大部分電反饋伺服閥采用模擬式電子控制器，也有一些伺服閥，如MOOG D636、D638型直驅(qū)式電液伺服閥采用數(shù)字式可編程伺服控制器，它既可以接受模擬信號(hào)，也可以直接接受數(shù)字信號(hào)，閥回路的優(yōu)良性能由控制器的軟件控制，設(shè)置和調(diào)整控制參數(shù)方便靈活，能自動(dòng)消除由于環(huán)境變化而導(dǎo)致閥零位漂移影響。
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更新時(shí)間：2024-11-26
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