電液伺服控制及應(yīng)用

1、.第2章 電液伺服控制技術(shù)及應(yīng)用 電液伺服系統(tǒng)是一種采用電液伺服機(jī)構(gòu)，根據(jù)液壓傳動(dòng)原理建立起來的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)隨著控制信號(hào)的改變而改變。 2.1 電液伺服閥伺服閥通過改變輸入信號(hào)，連續(xù)的、成比例地控制液壓系統(tǒng)的流量或壓力。電液伺服閥輸入信號(hào)功率很小(通常僅有幾十毫瓦)，功率放大系數(shù)高；能夠?qū)敵隽髁亢蛪毫M(jìn)行連續(xù)雙向控制。其突出特點(diǎn)是：體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、直線性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、死區(qū)小、精度高，符合高精度伺服控制系統(tǒng)的要求。電液伺服閥是現(xiàn)代電液控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它能用于諸如位置控制、速度控制、加速度控制、力控制等各方面。因此，伺服閥在各種工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了越來

2、越多的應(yīng)用。2.1.1 工作原理及組成 1 基本組成與控制機(jī)理電液伺服閥是一種自動(dòng)控制閥，它既是電液轉(zhuǎn)換組件，又是功率放大組件，其功用是將小功率的模擬量電信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換為隨電信號(hào)大小和極性變化、且快速響應(yīng)的大功率液壓能流量(或)和壓力輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓執(zhí)行器位移(或轉(zhuǎn)速)、速度(或角速度)、加速度(或角加速度)和力(或轉(zhuǎn)矩)的控制。電液伺服閥通常是由電氣一機(jī)械轉(zhuǎn)換器、液壓放大器(先導(dǎo)級(jí)閥和功率級(jí)主閥)和檢測(cè)反饋機(jī)構(gòu)組成的(見圖2-1)。圖2-1 電液伺服閥的組成2 電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換器電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換器包括電流力轉(zhuǎn)換和力位移轉(zhuǎn)換兩個(gè)功能。典型的電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換器為力馬達(dá)或力矩馬達(dá)。力馬達(dá)是一種直線運(yùn)動(dòng)電氣一

3、機(jī)械轉(zhuǎn)換器，而力矩馬達(dá)則是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換器。力馬達(dá)和力矩馬達(dá)的功用是將輸入的控制電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為與電流成比例的輸出力或力矩，再經(jīng)彈性組件(彈簧管、彈簧片等)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)級(jí)閥運(yùn)動(dòng)的直線位移或轉(zhuǎn)角，使先導(dǎo)級(jí)閥定位、回零。通常力馬達(dá)的輸入電流為150300mA，輸出力為35N。力矩馬達(dá)的輸入電流為1030mA，輸出力矩為0.020.06N·m。 伺服閥中所用的電氣一機(jī)械轉(zhuǎn)換器有動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式兩種結(jié)構(gòu)。 (1)動(dòng)圈式電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換器 動(dòng)圈式電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的部分是控制線圈，故稱為“動(dòng)圈式”。輸入電流信號(hào)后，產(chǎn)生相應(yīng)大小和方向的力信號(hào)，再通過反饋彈簧(復(fù)位彈簧)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的位移量輸

4、出，故簡(jiǎn)稱為動(dòng)圈式“力馬達(dá)”(平動(dòng)式)或“力矩馬達(dá)”(轉(zhuǎn)動(dòng)式)。動(dòng)圈式力馬達(dá)和力矩馬達(dá)的工作原理是位于磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體(即動(dòng)圈)受力作用。動(dòng)圈式力馬達(dá)的結(jié)構(gòu)原理如圖2-2所示，永久磁鐵1及內(nèi)、外導(dǎo)磁體2、3構(gòu)成閉合磁路，在環(huán)狀工作氣隙中安放著可移動(dòng)的控制線圈4，它通常繞制在線圈架上，以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并采用彈簧5懸掛。當(dāng)線圈中通入控制電流時(shí)，按照載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力的原理移動(dòng)并帶動(dòng)閥芯(圖中未畫出)移動(dòng)，此力的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度、導(dǎo)線長(zhǎng)度及電流大小成比例，力的方向由電流方向及固定磁通方向按電磁學(xué)中的左手定則確定。圖2-3為動(dòng)圈式力矩馬達(dá)，與力馬達(dá)所不同的是采用扭力彈簧或軸承加盤圈扭力彈簧懸掛控制線圈

5、。當(dāng)線圈中通入控制電流時(shí)，按照載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力的原理使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖22 動(dòng)圈式力馬達(dá) 圖23 動(dòng)圈式力矩馬達(dá)1永久磁鐵；2內(nèi)導(dǎo)磁體；3外導(dǎo)磁體 1永久磁鐵；2線圈；3轉(zhuǎn)子4線圈；5彈簧 磁場(chǎng)的勵(lì)磁方式有永磁式和電磁式兩種，工程上多采用永磁式結(jié)構(gòu)，其尺寸緊湊。 動(dòng)圈式力馬達(dá)和力矩馬達(dá)的控制電流較大(可達(dá)幾百毫安至幾安培)，輸出行程也較大±(24)mm，而且穩(wěn)態(tài)特性線性度較好，滯環(huán)小，故應(yīng)用較多。但其體積較大，且由于動(dòng)圈受油的阻尼較大，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)不如動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)快。多用于控制工業(yè)伺服閥，也有用于控制高頻伺服閥的特殊結(jié)構(gòu)動(dòng)圈式力馬達(dá)。 （2）動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)輸入為電信號(hào)

6、，輸出為力矩。圖24為動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)的結(jié)構(gòu)原理圖。它由左右兩塊永久磁鐵、上下兩塊導(dǎo)磁體1及4、帶扭軸(彈簧管)6的銜鐵5及套在線圈上的兩個(gè)控制線圈3組成，銜鐵懸掛在彈簧管上，可以繞彈簧管在4個(gè)氣隙中擺動(dòng)。左右兩塊永久磁鐵使上下導(dǎo)磁體的氣隙中產(chǎn)生相同方向的極化磁場(chǎng)。沒有輸入信號(hào)時(shí)，銜鐵與上下導(dǎo)磁體之間的4個(gè)氣隙距離相等，銜鐵受到的電磁力相互抵消而使銜鐵處于中間平衡狀態(tài)。當(dāng)輸入控制電流時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制磁場(chǎng)，它在上下氣隙中的方向相反，因此打破了原有的平衡，使銜鐵產(chǎn)生與控制電流大小和方向相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，并且使銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，直至電磁力矩與負(fù)載力矩和彈簧反力矩等相平衡。但轉(zhuǎn)角是很小的，可以看成是微小的直線位移

7、。 圖24 動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)的結(jié)構(gòu)原理圖1一上導(dǎo)磁體；2一永久磁鐵；3一線圈；4一下導(dǎo)磁體 5一銜鐵；6一彈簧管；7一線圈引出線 動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)輸出力矩較小，適合控制噴嘴擋板之類的先導(dǎo)級(jí)閥。其優(yōu)點(diǎn)是自振頻率較高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，功率、重量比較大，抗加速度零漂性好。缺點(diǎn)是：限于氣隙的形式，其轉(zhuǎn)角和工作行程很小(通常小于0.2mm)，材料性能及制造精度要求高，價(jià)格昂貴；此外，它的控制電流較小(僅幾十毫安)，故抗干擾能力較差。3 先導(dǎo)級(jí)閥 先導(dǎo)級(jí)閥又稱前置級(jí)，用于接受小功率的電氣一機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸入的位移或轉(zhuǎn)角信號(hào)，將機(jī)械量轉(zhuǎn)換為液壓力驅(qū)動(dòng)功率級(jí)主閥，猶如一對(duì)稱四通閥控制的液壓缸；主閥多為滑閥，它將先導(dǎo)級(jí)閥的

8、液壓力轉(zhuǎn)換為流量或壓力輸出。電液伺服閥先導(dǎo)級(jí)主要有噴嘴擋板式和射流管式兩種。（1）噴嘴擋板式先導(dǎo)級(jí)閥。它的結(jié)構(gòu)及組成原理如圖2-5所示圖2-5(a)為單噴嘴，圖2-5(b)為雙噴嘴，它是通過改變噴嘴與擋板之間的相對(duì)位移來改變液流通路開度的大小以實(shí)現(xiàn)控制的，具有體積小、運(yùn)動(dòng)部件慣量小、無(wú)摩擦、所需驅(qū)動(dòng)力小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于小信號(hào)工作，因此常用作二級(jí)伺服閥的前置放大級(jí)。其缺點(diǎn)主要是中位泄漏量大，負(fù)載剛性差，輸出流量小，節(jié)流孔及噴嘴的間隙小(0.020.06mm)，易堵塞，抗污染能力差。 圖25 噴嘴擋板式先導(dǎo)級(jí)閥1，4，8固定節(jié)流孔；2，5，7噴嘴；3，6擋板； ps輸入壓力；pv噴嘴處

9、油液壓力； Pc，qc控制輸出壓力、流量（2）射流管式先導(dǎo)級(jí)閥。圖2-6 射流管閥1液壓缸 2接受器 3射流管如圖2-6所示，射流管閥由射流管3、接受板2和液壓缸1組成，射流管3由垂直于圖面的軸c支撐并可繞軸左右擺動(dòng)一個(gè)不大的角度。接受板上的兩個(gè)小孔a和b分別和液壓缸1的兩腔相通。當(dāng)射流管3處于兩個(gè)接受孔道a、b的中間位置時(shí)，兩個(gè)接受孔道a、b內(nèi)的油液的壓力相等，液壓缸1不動(dòng)；如有輸入信號(hào)使射流管3向左偏轉(zhuǎn)一個(gè)很小的角度時(shí)，兩個(gè)接受孔道a、b內(nèi)的壓力不相等，液壓缸1左腔的壓力大于右腔的，液壓缸1向右移動(dòng)，反之亦然。射流管的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工精度低、抗污染能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是慣性大響應(yīng)速度低、功率損

10、耗大。因此這種閥只適用于低壓及功率較小的伺服系統(tǒng)。4 功率級(jí)主閥(滑閥)電液伺服閥中的功率級(jí)主閥是靠節(jié)流原理進(jìn)行工作，即借助閥芯與閥體(套)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)改變節(jié)流口通流面積的大小，對(duì)液體流量或壓力進(jìn)行控制?；y的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)如下。（1）控制邊數(shù)根據(jù)控制邊數(shù)的不同，滑閥有單邊控制、雙邊控制和四邊控制三種類型(圖27)。單邊控制滑閥僅有一個(gè)控制邊，控制邊的開口量x控制了執(zhí)行器(此處為單桿液壓缸)中的壓力和流量，從而改變了缸的運(yùn)動(dòng)速度和方向。雙邊控制滑閥有兩個(gè)控制邊，壓力油一路進(jìn)入單桿液壓缸有桿腔，另一路經(jīng)滑閥控制邊x1的開口和無(wú)桿腔相通，并經(jīng)控制邊X2的開口流回油箱；當(dāng)滑閥移動(dòng)時(shí)，x1增大，x2減小，或

11、相反，從而控制液壓缸無(wú)桿腔的回油阻力，故改變了液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度和方向。四邊控制滑閥有四個(gè)控制邊，x1和x2是用于控制壓力油進(jìn)入雙桿液壓缸的左、右腔，x3和x4用于控制左、右腔通向油箱；當(dāng)滑閥移動(dòng)時(shí)，x3和x4增大，x2和x3減小，或相反，這樣控制了進(jìn)入液壓缸左、右腔的油液壓力和流量，從而控制了液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度和方向。圖2-7 單邊、雙邊和四邊控制滑閥 單邊、雙邊和四邊控制滑閥的控制作用相同。單邊和雙邊滑閥用于控制單桿液壓缸；四邊控制滑閥既可以控制雙桿缸，也可以控制單桿缸。四邊控制滑閥的控制質(zhì)量好，雙邊控制滑閥居中，單邊控制滑閥最差。但是，單邊滑閥無(wú)關(guān)鍵性的軸向尺寸，雙邊滑閥有一個(gè)關(guān)鍵性的軸向尺

12、寸，而四邊滑閥有三個(gè)關(guān)鍵性的軸向尺寸，所以單邊滑閥易于制造、成本較低，而四邊滑閥制造困難、成本較高。通常，單邊和雙邊滑閥用于一般控制精度的液壓系統(tǒng)，而四邊滑閥則用于控制精度及穩(wěn)定性要求較高的液壓系統(tǒng)。（2）零位開口形式滑閥在零位(平衡位置)時(shí)，有正開口、零開口和負(fù)開口三種開口形式(圖2-8)。正開口(又稱負(fù)重疊)的滑閥，閥芯的凸肩寬度(也稱凸肩寬，下同)t小于閥套(體)的閥口寬度h；零開口(又稱零重疊)的滑閥，閥芯的凸肩寬度t與閥套(體)的閥口寬度h相等；負(fù)開口(又稱正重疊)的滑閥，閥芯的凸肩寬度t大于閥套(體)的閥口寬度h?；y的開口形式對(duì)其零位附近(零區(qū))的特性具有很大影響，零開口滑閥的特

13、性較好，應(yīng)用最多，但加工比較困難，價(jià)格昂貴。圖2-8 滑閥的零位開口形式（3）通路數(shù)、凸肩數(shù)與閥口形狀按通路數(shù)滑閥有二通、三通和四通等幾種。二通滑閥(單邊閥)見圖2-7(a)只有一個(gè)可變節(jié)流口(可變液阻)，使用時(shí)必須和一個(gè)固定節(jié)流口配合，才能控制一腔的壓力，用來控制差動(dòng)液壓缸。三通滑閥見圖2-7 (b)只有一個(gè)控制口，故只能用來控制差動(dòng)液壓缸，為實(shí)現(xiàn)液壓缸反向運(yùn)動(dòng)，需在有桿腔設(shè)置固定偏壓(可由供油壓力產(chǎn)生)。四通滑閥見圖2-7 (c)有4個(gè)控制口，故能控制各種液壓執(zhí)行器。 閥芯上的凸肩數(shù)與閥的通路數(shù)、供油及回油密封、控制邊的布置等因素有關(guān)。二通閥一般為2個(gè)凸肩，三通閥為2個(gè)或3個(gè)凸肩，四通閥為

14、3個(gè)或4個(gè)凸肩。三凸肩滑閥為最常用的結(jié)構(gòu)形式。凸肩數(shù)過多將加大閥的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、長(zhǎng)度和摩擦力，影響閥的成本和性能。 滑閥的閥口形狀有矩形、圓形等多種形式，矩形閥口又有全周開口和部分開口之分。矩形閥口的開口面積與閥芯位移成正比，具有線性流量增益，故應(yīng)用較多。5 檢測(cè)反饋機(jī)構(gòu) 設(shè)在閥內(nèi)部的檢測(cè)反饋機(jī)構(gòu)將先導(dǎo)閥或主閥控制口的壓力、流量或閥芯的位移反饋到先導(dǎo)級(jí)閥的輸入端或比例放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)輸入輸出的比較，解決功率級(jí)主閥的定位問題，并獲得所需的伺服閥壓力一流量性能。常用的反饋形式有機(jī)械反饋(位移反饋、力反饋)、液壓反饋(壓力反饋、微分壓力反饋等)和電氣反饋。2.1.2 電液伺服閥的分類電液伺服閥的

15、分類見圖2-9。 圖2-9 電液伺服閥的分類2.1.3 典型結(jié)構(gòu) 1 動(dòng)圈式力馬達(dá)型單級(jí)電液伺服閥單級(jí)電液伺服閥沒有先導(dǎo)級(jí)閥，由電氣一機(jī)械轉(zhuǎn)換器和一級(jí)液壓閥構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)和原理均較簡(jiǎn)單。圖210(a)所示為動(dòng)圈式力馬達(dá)型單級(jí)電液伺服閥的結(jié)構(gòu)圖，它由力馬達(dá)和帶液動(dòng)力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的一級(jí)滑閥兩部分組成。永久磁鐵1產(chǎn)生一固定磁場(chǎng)，可動(dòng)線圈2通電后在磁場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生力，從而驅(qū)動(dòng)滑閥閥芯4運(yùn)動(dòng)，并由右端彈簧8作力反饋。閥左端的位移傳感器5，可提供控制所需的補(bǔ)償信號(hào)。因閥芯帶有液動(dòng)力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，故控制流量較大，響應(yīng)快。額定流量為90100Lmin的閥在±40輸入幅值條件下，對(duì)應(yīng)相位滯后900時(shí)，頻響為200Hz

16、，常用于冶金機(jī)械的高速大流量控制。動(dòng)圈式力馬達(dá)型單級(jí)電液伺服閥的原理方塊圖如圖310(b)所示。 (a)結(jié)構(gòu)圖 (b)原理方塊圖 圖210 動(dòng)圈式力馬達(dá)型單級(jí)電液伺服閥1一永久磁鐵；2一可動(dòng)線圈；3-線圈架；4一閥芯(滑閥)；5位移傳感器; 6一閥套；7導(dǎo)磁體；8彈簧；9一零位調(diào)節(jié)螺釘2 噴嘴擋板式力反饋型兩級(jí)電液伺服閥 兩級(jí)電液伺服閥多用于控制流量較大(80250Lmin)的場(chǎng)合。兩級(jí)電液伺服閥由電氣一機(jī)械轉(zhuǎn)換器、先導(dǎo)級(jí)閥和功率級(jí)主閥組成，種類較多。噴嘴擋板式力反饋電液伺服閥是使用量大、適用面廣的兩級(jí)電液伺服閥。圖2-11（a）所示為電液伺服閥結(jié)構(gòu)，它由力矩馬達(dá)、噴嘴擋板式液壓前置放大級(jí)和四

17、邊滑閥功率放大級(jí)等三部分組成。銜鐵3與擋板5連接在一起，由固定在閥座11上的彈簧管10支撐著。擋板5下端為一球頭,嵌放在滑閥9的凹槽內(nèi)，永久磁鐵1和導(dǎo)磁體2、4形成一個(gè)固定磁場(chǎng)，當(dāng)線圈12中沒有電流通過時(shí)，導(dǎo)磁體2、4和銜鐵3間四個(gè)氣隙中的磁通都是g，且方向相同，銜鐵3處于中間位置。當(dāng)有控制電流通入線圈12時(shí)，一組對(duì)角方向的氣隙中的磁通增加，另一組對(duì)角方向的氣隙中的磁通減小，于是銜鐵3就在磁力作用下克服彈簧管11的彈性反作用力而偏轉(zhuǎn)一角度，并偏轉(zhuǎn)到磁力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與彈性反作用力所產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)為止。同時(shí)，擋板5因隨銜鐵3偏轉(zhuǎn)而發(fā)生撓曲，改變了它與兩個(gè)噴嘴6間的間隙，一個(gè)間隙減小，另一個(gè)間隙

18、加大。通入伺服閥的壓力油經(jīng)過濾器8、兩個(gè)對(duì)稱的節(jié)流孔7和左右噴嘴6流出，通向回油。當(dāng)擋板5撓曲，出現(xiàn)上述噴嘴-擋板的兩個(gè)間隙不相等的情況時(shí)，兩噴嘴后側(cè)的壓力就不相等，它們作用在滑閥9的左、右端面上，使滑閥9向相應(yīng)方向移動(dòng)一段距離，壓力油就通過滑閥9上的一個(gè)閥口輸向液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)回來的油則經(jīng)滑閥9上的另一個(gè)閥口通向回油?；y9移動(dòng)時(shí)，擋板5下端球頭跟著移動(dòng)。在銜鐵擋板組件上產(chǎn)生了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使銜鐵3向相應(yīng)方向偏轉(zhuǎn)，并使擋板5在兩噴嘴6間的偏移量減少，這就是反饋?zhàn)饔谩７答佔(zhàn)饔玫暮蠊鞘够y9兩端的壓差減小。當(dāng)滑閥9上的液壓作用力和擋板5下端球頭因移動(dòng)而產(chǎn)生的彈性反作用力達(dá)到平衡時(shí)，滑閥

19、9便不再移動(dòng)，并一直使其閥口保持在這一開度上。 （a) 噴嘴擋板式力反饋伺服閥結(jié)構(gòu) 圖211 噴嘴擋板式力反饋電液伺服閥1-永久磁鐵2、4導(dǎo)磁體3銜鐵5擋板6噴嘴7固定節(jié)流孔8過濾油器9滑閥10彈簧管11閥體 12線圈通入線圈12的控制電流越大，使銜鐵3偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩、擋板5撓曲變形、滑閥9兩端的壓差以及滑閥9的偏移量就越大，伺服閥輸出的流量也越大。由于滑閥9的位移、噴嘴6與擋板5之間的間隙、銜鐵3的轉(zhuǎn)角都依次和輸入電流成正比，因此這種閥的輸出流量也和電流成正比。輸入電流反向時(shí)，輸出流量也反向。噴嘴擋板式力反饋電液伺服閥的原理方塊圖如圖2-11(b)所示。雙噴嘴擋板式電液伺服閥具有線性度好、動(dòng)態(tài)響

20、應(yīng)快、壓力靈敏度高、閥芯基本處于浮動(dòng)、不易卡阻、溫度和壓力零漂小等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是抗污染能力差噴嘴擋板級(jí)間隙較小(僅0.020.06mm)，閥易堵塞，內(nèi)泄漏較大、功率損失大、效率低，力反饋回路包圍力矩馬達(dá)，流量大時(shí)提高閥的頻寬受到限制。3 直接位置反饋型電液伺服閥直接位置反饋型電液伺服閥的主閥芯與先導(dǎo)閥芯構(gòu)成直接位置比較和反饋，其工作原理如圖2-12所示。圖中，先導(dǎo)閥直徑較小，直接由動(dòng)圈式力馬達(dá)的線圈驅(qū)動(dòng)，力馬達(dá)的輸入電流約為0±300mA。當(dāng)輸入電流I=0時(shí)，力馬達(dá)線圈的驅(qū)動(dòng)力Fi=0，先導(dǎo)閥芯位于主閥零位沒有運(yùn)動(dòng)；當(dāng)輸入電流逐步加大到I=300mA時(shí)，力馬達(dá)線圈的驅(qū)動(dòng)力也逐步加大到

21、約為40N，壓縮力馬達(dá)彈簧后，使先導(dǎo)閥芯產(chǎn)生位移約為4mm；當(dāng)輸入電流改變方向，I= -300mA時(shí)，力馬達(dá)線圈的驅(qū)動(dòng)力也變成約-40N，帶動(dòng)先導(dǎo)閥芯產(chǎn)生反向位移約-4mm。上述過程說明先導(dǎo)閥芯的位移x芯與輸入電流I成比例，運(yùn)動(dòng)方向與電流方向保持一致。先導(dǎo)閥芯直徑小，無(wú)法控制系統(tǒng)中的大流量；主閥芯的阻力很大，力馬達(dá)的推力又不足以驅(qū)動(dòng)主閥芯。解決的辦法是，先用力馬達(dá)比例地驅(qū)動(dòng)直徑小的導(dǎo)閥芯，再用位置隨動(dòng)（直接位置反饋）的辦法讓主閥芯等量跟隨先導(dǎo)閥運(yùn)動(dòng)，最后達(dá)到用小信號(hào)比例地控制系統(tǒng)中的大流量之目的。圖2-12 直接位置反饋型電液伺服閥的工作原理圖 主閥芯兩端容腔為驅(qū)動(dòng)主閥芯的對(duì)稱雙作用液壓缸，該

22、缸由先導(dǎo)閥供油，以控制主閥芯上下運(yùn)動(dòng)。由于先導(dǎo)閥芯直徑小，加工困難，為了降低加工難度，可將先導(dǎo)閥上用于控制主閥芯上下兩腔的進(jìn)油閥口由兩個(gè)固定節(jié)流孔代替，這樣先導(dǎo)閥可看成是由兩個(gè)帶固定節(jié)流孔的半橋組成的全橋。為了實(shí)現(xiàn)直接位置反饋，將主閥芯、驅(qū)動(dòng)油缸、先導(dǎo)閥閥套三者做成一體，因此主閥芯位移xP（被控位移）反饋到先導(dǎo)閥上，與先導(dǎo)閥套位移x套相等。當(dāng)導(dǎo)閥芯在力馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生位移x芯時(shí)，導(dǎo)閥芯與閥套之間產(chǎn)生開口量x芯-x套，主閥芯上腔的回油口打開，壓差驅(qū)動(dòng)主閥芯自下而上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)先導(dǎo)閥口在反饋的作用下逐步關(guān)小。當(dāng)導(dǎo)閥口關(guān)閉時(shí)，主閥停止運(yùn)動(dòng)且主閥位移xP=x套=x芯。反向運(yùn)動(dòng)亦然。在這種反饋中，

23、主閥芯等量跟隨先導(dǎo)閥運(yùn)動(dòng)，故稱為直接位置反饋。圖2-13 (a)是DY系列直接位置反饋型電液伺服閥的結(jié)構(gòu)圖。上部為動(dòng)圈式力馬達(dá)，下部是兩級(jí)滑閥裝置。壓力油由P口進(jìn)入，A、B口接執(zhí)行元件，T口回油。由動(dòng)圈7帶動(dòng)的小滑閥6與空心主滑閥4的內(nèi)孔配合，動(dòng)圈與先導(dǎo)滑閥固連，并用兩個(gè)彈簧8、9定位對(duì)中。小滑閥上的兩條控制邊與主滑閥上兩個(gè)橫向孔形成兩個(gè)可變節(jié)流口11、12。P口來的壓力油除經(jīng)主控油路外，還經(jīng)過固定節(jié)流口3、5和可變節(jié)流口11、12，先導(dǎo)閥的環(huán)形槽和主滑閥中部的橫向孔到了回油口，形成如圖2-13 (b)所示的前置液壓放大器油路(橋路)。顯然，前置級(jí)液壓放大器是由具有兩個(gè)可變節(jié)流口11、12的先

24、導(dǎo)滑閥和兩個(gè)固定節(jié)流口3、5組合而成的。橋路中固定節(jié)流口與可變節(jié)流口連接的節(jié)點(diǎn)a、b分別與主滑閥上、下兩個(gè)臺(tái)肩端面連通，主滑閥可在節(jié)點(diǎn)壓力作用下運(yùn)動(dòng)。平衡位置時(shí)，節(jié)點(diǎn)a、b的壓力相同，主滑閥保持不動(dòng)。如果先導(dǎo)滑閥在動(dòng)圈作用下向上運(yùn)動(dòng)，節(jié)流口11加大，12減小，a點(diǎn)壓力降低，b點(diǎn)壓力上升，主滑閥隨之向上運(yùn)動(dòng)。由于主滑閥又兼作先導(dǎo)滑閥的閥套(位置反饋)，故當(dāng)主滑閥向上移動(dòng)的距離與先導(dǎo)滑閥一致時(shí)，停止運(yùn)動(dòng)。同樣，在先導(dǎo)滑閥向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，主滑閥也隨之向下移動(dòng)相同的距離。故為直接位置反饋系統(tǒng)。這種情況下，動(dòng)圈只需帶動(dòng)小滑閥，力馬達(dá)的結(jié)構(gòu)尺寸就不至于太大。圖2-13 DY型電液伺服閥(a)結(jié)構(gòu)圖； (b)前

25、置級(jí)液壓放大器油路； (c)電液伺服閥符號(hào)1閥體；2閥座；3、5固定節(jié)流口(Fixed Orifice)；4主滑閥(Main Sliding Valve)；6先導(dǎo)閥；7線圈(動(dòng)圈)；8下彈簧；9上彈簧；10磁鋼(Magnet)(永久磁鐵)；11、12可變節(jié)流口 主閥芯凸肩控制棱邊與閥體油窗口的相應(yīng)棱邊的軸向尺寸是零開口狀態(tài)精密配合，在工作過程中，動(dòng)圈的位移量、先導(dǎo)閥芯的位移量與主閥芯的位移量均相等，而動(dòng)圈的位移量與輸入控制電流成比例，所以輸出流量的大小在負(fù)載壓力恒定的條件下與控制電流的大小成比例，輸出流量的方向則取決于控制電流的極性。除控制電流外，在動(dòng)圈繞組中加入高頻小振幅顫振電流，可以克服閥

26、芯的靜摩擦，保證伺服閥具有靈敏的控制性能。動(dòng)圈滑閥式力馬達(dá)型兩級(jí)電液流量伺服閥的優(yōu)點(diǎn)是力馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磁滯小、工作行程大；閥的工作行程大、成本低、零區(qū)分辨率高、固定節(jié)流孔的尺寸大(直徑達(dá)0.8mm)、抗污染能力強(qiáng)；主閥芯兩端作用面積大，加大了驅(qū)動(dòng)力，使主閥芯不易被卡阻。該閥價(jià)格低廉，工作可靠性高，且便于調(diào)整維護(hù)。特別適合用于一般工業(yè)設(shè)備的液壓伺服控制。4 伺服閥的新型結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)90年代，國(guó)外研制直動(dòng)型電液伺服閥獲得了較大的成就。現(xiàn)形成系列產(chǎn)品的有Moog公司的D633、D634系列的直動(dòng)閥、伊頓威格士（EatonVickers）公司的LFDC5V型、德國(guó)Bosch公司的NC10型、日本三菱

27、及KYB株式會(huì)社合作開發(fā)的MK型閥及Moog公司與俄羅期沃斯霍得工廠合作研制的直動(dòng)閥等。該類型的伺服閥去掉了一般伺服閥的前置級(jí)，利用一個(gè)較大功率的力矩馬達(dá)直接拖動(dòng)閥芯，并由一個(gè)高精度的閥芯位移傳感器作為反饋。該閥的最大特點(diǎn)是無(wú)前置級(jí)，提高了伺服閥的抗污染能力。同時(shí)由于去掉了許多難加工零件，降低了加工成本，可廣泛使用于工業(yè)伺服控制的場(chǎng)合。國(guó)內(nèi)有些單位如中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第十八研究所、北京機(jī)床研究所、浙江工業(yè)大學(xué)等單位也研制出了相關(guān)產(chǎn)品的樣機(jī)。特別是北京航空航天大學(xué)研制出轉(zhuǎn)閥式直動(dòng)型電液伺服閥。該伺服閥通過將普通伺服閥的滑閥滑動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榛y的轉(zhuǎn)動(dòng)，并在閥芯與閥套上相應(yīng)開了幾個(gè)與軸向有一定傾角

28、的斜槽。閥芯閥套相互轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，斜槽相互開通或相互封閉，從而控制輸出壓力或流量。由于在工作時(shí)閥芯閥套是相互轉(zhuǎn)動(dòng)的，降低了閥工作時(shí)的摩擦阻力，同時(shí)污染物不容易在轉(zhuǎn)動(dòng)的滑閥內(nèi)堆積，提高了抗污染性能。Park公司開發(fā)了“音圈驅(qū)動(dòng)(Voice Coil Drive)”技術(shù)（VCD），以及以此技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的DFplus控制閥。所謂音圈驅(qū)動(dòng)技術(shù)，顧名思義，即是類似于揚(yáng)聲器的一種驅(qū)動(dòng)裝置，其基本結(jié)構(gòu)就是套在固定的圓柱形永久磁鐵上的移動(dòng)線圈，當(dāng)信號(hào)電流輸入線圈時(shí)，在電磁效應(yīng)的作用下，線圈中產(chǎn)生與信號(hào)電流相對(duì)應(yīng)的軸向作用力，并驅(qū)動(dòng)與線圈直接相連的閥芯運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力很大。線圈上內(nèi)置了位移反饋傳感器，因此，采用VCD驅(qū)

29、動(dòng)的DFplus閥本質(zhì)上是以閉環(huán)方式進(jìn)行控制的，線性度相當(dāng)好。此外，由于VCD驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)零件只是移動(dòng)線圈，慣量極小，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件之間也沒有任何支承，DFplus閥的全部支承就是閥芯和閥體間的配合面，大大減小了摩擦這一非線性因素對(duì)控制品質(zhì)的影響。綜合上述的技術(shù)特點(diǎn)，配合內(nèi)置的數(shù)字控制模塊，使DFplus閥的控制性能佳，尤其在頻率響應(yīng)方面更是優(yōu)越，可達(dá)400Hz。從發(fā)展趨勢(shì)來看，新型直動(dòng)型電液伺服閥在某些行業(yè)有替代傳統(tǒng)伺服閥特別是噴嘴擋板式伺服閥的趨向，但它的最大問題在于體積大、重量重，只適用于對(duì)場(chǎng)地要求較低的工業(yè)伺服控制場(chǎng)合。如能減輕其重量、減小其體積，在航空、航天等軍工行業(yè)亦具有極大的發(fā)展

30、潛力。5 發(fā)展方向目前電液伺服閥的代表性產(chǎn)品有噴嘴檔板式、射流管式、動(dòng)圈式（VCD式）、高頻直動(dòng)電磁鐵式等類型，主要發(fā)展動(dòng)向是產(chǎn)品多樣化、高可靠性和高動(dòng)、靜態(tài)特性。 1)直動(dòng)型電液伺服閥用永磁式力馬達(dá)、動(dòng)圈式力馬達(dá)（VCD式）或高頻電磁鐵驅(qū)動(dòng)閥芯，其位移由位置傳感器進(jìn)行檢測(cè)，由內(nèi)置電子線路對(duì)主閥芯進(jìn)行閉環(huán)控制。該閥具有耐污染能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已開始得到廣泛應(yīng)用。 2)射流管式雙級(jí)電液伺服閥的主閥芯位移用差動(dòng)變壓器進(jìn)行反饋，由內(nèi)置電子放大器對(duì)閥芯進(jìn)行閉環(huán)控制。耐污染能力強(qiáng)，且具有故障保險(xiǎn)功能，當(dāng)意外斷電時(shí)，可保證設(shè)備處于安全位置，廣泛用于軍品和汽輪機(jī)等主機(jī)。 3)噴嘴檔板力反饋和電反饋的雙

31、級(jí)電液伺服閥：其中電反饋的噴嘴檔板閥的第二級(jí)主閥由差動(dòng)變壓器進(jìn)行位置反饋，提高了閥的頻響和減少了波形失真度。大流量伺服閥標(biāo)準(zhǔn)的雙級(jí)噴嘴檔板閥控制三級(jí)閥芯，閥芯由位移傳感器進(jìn)行反饋。 4)內(nèi)置放大器的電液伺服閥可提高電液伺服系統(tǒng)的工作可靠性，減少因接插件故障使系統(tǒng)失效，同時(shí)可適用于分散控制系統(tǒng)，便于安裝維護(hù)。 5)用新材料提高產(chǎn)品壽命：德國(guó)有關(guān)公司用紅寶石材料制作噴嘴檔板，防止因氣饋造成檔板和噴嘴的損傷，而降低動(dòng)靜態(tài)性能，使工作壽命縮短。機(jī)械反饋桿頭部的小球也用紅寶石制作，防止小球和閥芯小槽之間的磨損，使閥失控，并產(chǎn)生尖叫。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷提高，伺服閥的關(guān)鍵零件閥芯和閥套都采用電加工，線電

32、極切割加工方孔（控制刃邊），從而使所生產(chǎn)的閥的直線性、死區(qū)、滯環(huán)都達(dá)到輸入信號(hào)的0.20.5%左右。2.1.4 主要特性及性能參數(shù)1 靜態(tài)特性 電液伺服閥的靜態(tài)特性是指穩(wěn)定工作條件下，伺服閥的各靜態(tài)參數(shù)(輸出流量、輸入電流和負(fù)載壓力)之間的相互關(guān)系。主要包括負(fù)載流量特性、空載流量特性和壓力特性，并由此可得到一系列靜態(tài)指標(biāo)參數(shù)。它可以用特性方程、特性曲線和閥系數(shù)三種方法表示。 (1)特性方程 理想零開口四邊滑閥見圖214，設(shè)閥口對(duì)稱，各閥口流量系數(shù)相等，油液是理想液體，不計(jì)泄漏和壓力損失，供油壓力Ps恒定不變。當(dāng)閥芯從零位右移xv時(shí)，則流入、流出閥的流量q1、q3為 (2-1) (2-2)穩(wěn)態(tài)時(shí)

33、，ql=q3=qL，則可得供油壓力Ps=P1+P2。令負(fù)載壓力PL=P1-P2，則有 (2-3) (2-4) 將式(23)或式(24)代人式(21)或式(22)可得滑閥的負(fù)載流量(壓力-流量特性)方程 (2-5)式中qL負(fù)載流量； Cd流量系數(shù)； W滑閥的面積梯度(閥口沿圓周方向的寬度)； d滑閥閥芯凸肩直徑； xv滑閥位移； Ps伺服閥供油壓力；PL伺服閥負(fù)載壓力。 圖2-14零開口四邊滑閥 圖2-15 電液伺服閥的負(fù)載流量特性曲線 注：1為無(wú)量綱壓力， ，為負(fù)載壓力，為供油壓力。2為無(wú)量綱電流，i為輸入電流，為額定電流。3為無(wú)量綱流量， 為負(fù)載流量，為最大空載流量。對(duì)于典型兩級(jí)力反饋電液伺

34、服流量閥(先導(dǎo)級(jí)為雙噴嘴擋板閥、功率級(jí)為零開口四邊滑閥)，滑閥位移xv=Kxvi，所以其負(fù)載流量(壓力一流量特性)方程 (2-6)式中 Kxv伺服閥增益(取決于力矩馬達(dá)結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù))； i力矩馬達(dá)線圈輸入電流。 其余符號(hào)意義與式(25)相同。由式(26)可知，電液流量伺服閥的負(fù)載流量qL與功率級(jí)滑閥的位移z。成比例，而功率級(jí)滑閥的位移xv與輸入電流i成正比，所以電液流量伺服閥的負(fù)載流量qL與輸入電流i成比例。由此，可列出電液伺服閥負(fù)載流量的一般表達(dá)式為 (2-7)它是一個(gè)非線性方程。 （2）特性曲線及靜態(tài)性能指標(biāo) 由特性方程可以繪制出相應(yīng)的特性曲線，并由此得到一系列靜態(tài)指標(biāo)參數(shù)。由特性曲線和

35、相應(yīng)的靜態(tài)指標(biāo)可以對(duì)閥的靜態(tài)特性進(jìn)行評(píng)定。 負(fù)載流量特性曲線。它是輸入不同電流時(shí)對(duì)應(yīng)的流量與負(fù)載壓力構(gòu)成的拋物線簇曲線，如圖215所示。負(fù)載流量特性曲線完全描述了伺服閥的靜態(tài)特性。要測(cè)得這組曲線卻相當(dāng)麻煩，在零位附近很難測(cè)出精確的數(shù)值，而伺服閥卻正好是在此處工作的。所以這些曲線主要用來確定伺服閥的類型和估計(jì)伺服閥的規(guī)格，以便與所要求的負(fù)載流量和負(fù)載壓力相匹配?？蛰d流量特性曲線。它是輸出流量與輸入電流呈回環(huán)狀的函數(shù)曲線(見圖2-16)，是在給定的伺服閥壓降和零負(fù)載壓力下，輸入電流在正負(fù)額定電流之間作一完整的循環(huán)，輸出流量點(diǎn)形成的完整連續(xù)變化曲線(簡(jiǎn)稱流量曲線)。通過流量曲線，可以得出電液伺服閥的

36、額定流量qR、流量增益、非線性度、滯環(huán)、不對(duì)稱度、分辨率、零偏等性能指標(biāo)參數(shù)。 圖2-16 空載流量特性曲線 圖2-17 壓力特性曲線 壓力特性。它是輸出流量為零(將兩個(gè)負(fù)載口堵死)時(shí)，負(fù)載壓降與輸入電流呈回環(huán)狀的函數(shù)曲線(見圖217)。在壓力特性曲線上某點(diǎn)或某段的斜率稱為壓力增益，它直接影響伺服系統(tǒng)的承載能力和系統(tǒng)剛度，壓力增益大，則系統(tǒng)的承載能力強(qiáng)、系統(tǒng)剛度大、誤差小。靜耗流量特性(內(nèi)泄特性)。輸出流量為零時(shí)，由回油口流出的內(nèi)部泄漏量稱為靜耗流量。靜耗流量隨輸入電流變化，當(dāng)閥處于零位時(shí)，靜耗流量最大(見圖2-18)。對(duì)于兩級(jí)伺服閥，靜耗流量由先導(dǎo)級(jí)的泄漏流量和功率級(jí)的泄漏流量?jī)刹糠纸M成，減

37、小前者將影響閥的響應(yīng)速度；后者與滑閥的重疊情況有關(guān)，較大重疊可以減少泄漏，但會(huì)使閥產(chǎn)生死區(qū)，并可能導(dǎo)致閥淤塞，從而使閥的滯環(huán)與分辨率增大。圖2-18 靜耗流量特性曲線（3）閥系數(shù)閥系數(shù)主要用于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析。（2-7）線性化處理，并以增量形式：表示為 (2-8)式中各符號(hào)意義與式(27)相同。由式(28)可定義閥的三個(gè)系數(shù)，如表2-1所列。作為示例，表3-3中依據(jù)理想零開口四邊滑閥的負(fù)載流量方程 （2-9）表21 伺服閥的閥系數(shù)示例（理想零開口四邊滑閥） 給出了此閥的三個(gè)閥系數(shù)表達(dá)式。根據(jù)閥系數(shù)的定義，式(28)可表示為 （2-10） 伺服閥通常工作在零位附近，工作點(diǎn)在零位，其參數(shù)的增量也就是它

38、的絕對(duì)值，因此閥方程式(210)也可以寫成以下形式 (2-11)三個(gè)閥系數(shù)的具體數(shù)值隨工作點(diǎn)變化而變化，而最重要的工作點(diǎn)為負(fù)載流量特性曲線的原點(diǎn)，由于閥經(jīng)常在原點(diǎn)附近(即零位)工作，此處閥的流量增益最大(即系統(tǒng)的增益最高)，但流量壓力系數(shù)最小(即系統(tǒng)阻尼最小)，所以此處穩(wěn)定性最差。若系統(tǒng)在零位穩(wěn)定，則在其余工作點(diǎn)也穩(wěn)定。理想零開口四邊滑閥的零位閥系數(shù)參見表2-3。 2 動(dòng)態(tài)特性電液伺服閥的動(dòng)態(tài)特性可用頻率響應(yīng)(頻域特性)或瞬態(tài)響應(yīng)(時(shí)域特性)表示。（1）頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)是指輸入電流在某一頻率范圍內(nèi)作等幅變頻正弦變化時(shí)，空載流量與輸入電流的百分比。頻率響應(yīng)特性用幅值比(分貝)與頻率及相位滯后(度

39、)與頻率的關(guān)系曲線波德(Bode)圖表示(見圖219)。輸入信號(hào)或供油壓力不同，動(dòng)態(tài)特性曲線也不同，所以，動(dòng)態(tài)響應(yīng)總是對(duì)應(yīng)一定的工作條件，伺服閥產(chǎn)品型錄通常給出±10、±100兩組輸入信號(hào)試驗(yàn)曲線，而供油壓力通常規(guī)定為7MPa。 幅值比是某一特定頻率下的輸出流量幅值與輸入電流之比，除以一指定頻率(輸入電流基準(zhǔn)頻率，通常為5周s或10周s)下的輸出流量與同樣輸入電流幅值之比。相位滯后是指某一指定頻率下所測(cè)得的輸入電流和與其相對(duì)應(yīng)的輸出流量變化之間的相位差。伺服閥的幅值比為-3dB(即輸出流量為基準(zhǔn)頻率時(shí)輸出流量的70.7)時(shí)的頻率定義為幅頻寬，用-3或f-3表示；以相位滯后達(dá)

40、到一900時(shí)的頻率定義為相頻寬，用-900或f-900表示。由閥的頻率特性可以直接查得幅頻寬-3和相頻寬一900，應(yīng)取其中較小者作為閥的頻寬值。頻寬是伺服閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的度量，頻寬過低會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，過高會(huì)使高頻傳到負(fù)載上去。伺服閥的幅值比一般不允許大于+2dB。通常力矩馬達(dá)噴嘴擋板式兩級(jí)電液伺服閥的頻寬在100130Hz之間，動(dòng)圈滑閥式兩級(jí)電液伺服閥的頻寬在50100Hz之間，電反饋高頻電液伺服閥的頻寬可達(dá)250Hz，甚至更高。圖2-19 伺服閥的頻率響應(yīng)特性曲線 （2）瞬態(tài)響應(yīng) 瞬態(tài)響應(yīng)是指電液伺服閥施加一個(gè)典型輸入信號(hào)(通常為階躍信號(hào))時(shí)，閥的輸出流量對(duì)階躍輸入電流的跟蹤過程中表現(xiàn)

41、出的振蕩衰減特性(圖220)。反映電液伺服閥瞬態(tài)響應(yīng)快速性的時(shí)域性能主要指標(biāo)有超調(diào)量、峰值時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間和過渡過程時(shí)間。超調(diào)量Mp是指響應(yīng)曲線的最大峰值E(tpl)與穩(wěn)態(tài)值E()的差；峰值時(shí)間tpl是指響應(yīng)曲線從零上升到第一個(gè)峰值點(diǎn)所需要的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間tr是指從指令值(或設(shè)定值)的5到95的運(yùn)動(dòng)時(shí)間；過渡過程時(shí)間是指輸出振蕩減小到規(guī)定值(通常為指令值的5)所用的時(shí)間(ts)。 圖2-20 伺服閥的瞬態(tài)響應(yīng)特性曲線 2.1.5 伺服閥的選用電液伺服閥分為單級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。單級(jí)電液伺服閥直接由力馬達(dá)或力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)滑閥閥芯，用于壓力低于6.3MPa、流量小于4Lmin和負(fù)載變化小的系統(tǒng)；二級(jí)電液伺

42、服閥有兩級(jí)液壓放大器，用于流量小于200Lmm 的系統(tǒng)：三級(jí)電液伺服閥可輸出更大的流量和功率。選用伺服閥要依據(jù)伺服閥的特點(diǎn)和系統(tǒng)性能要求。伺服閥最大的弱點(diǎn)是抗污染能力差，過濾器的顆粒粒度必須小于3m。伺服閥側(cè)重應(yīng)用在動(dòng)態(tài)精度和控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)的閉環(huán)系統(tǒng)中，對(duì)動(dòng)態(tài)精度要求一般的系統(tǒng)可用比例閥。從響應(yīng)速度優(yōu)先的原則考慮，伺服閥的前置級(jí)優(yōu)先選擇噴嘴擋板閥，其次是射流管閥，最后是滑閥；從功率考慮，射流管閥壓力效率和容積效率在70以上，應(yīng)首先選擇，然后是選擇滑閥和噴嘴擋板閥；從抗污染和可靠性方面考慮，射流管閥的通徑大，抗污染能力強(qiáng)，可延長(zhǎng)系統(tǒng)無(wú)故障工作時(shí)間；從性能穩(wěn)定方面考慮，射流管閥的磨蝕是對(duì)

43、稱的，不會(huì)引起零漂，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)；滑閥的開口形式一般選擇零開口結(jié)構(gòu)；伺服閥規(guī)格由系統(tǒng)的功率和流量決定，并留有1530的流量裕度；伺服閥的頻寬按照伺服系統(tǒng)頻寬的5倍選擇，以減少對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響，但不要過寬，否則系統(tǒng)抗干擾能力減小；伺服閥在安裝時(shí)，閥芯應(yīng)處于水平位置，管路采用鋼管連接，安裝位置盡可能靠近執(zhí)行器；伺服閥有2個(gè)線圈，接法有單線圈、雙線圈，串聯(lián)、并聯(lián)和差動(dòng)等方式。2.2 電液伺服控制器2.2.1 電液伺服控制器概述由于伺服閥馬達(dá)線圈匝數(shù)較多，具有很大的感抗，所以伺服放大器必須是具有深度電流負(fù)反饋的放大器。只有極少響應(yīng)較慢的系統(tǒng)才用電壓反饋的放大器。電流負(fù)反饋放大器輸出阻抗比較大，

44、放大器和伺服閥線圈組成了一個(gè)一階滯后環(huán)節(jié)，輸出阻抗大，那么這個(gè)一階環(huán)節(jié)的頻率高，對(duì)伺服閥的頻帶就不會(huì)有太大的影響。不同的伺服系統(tǒng)對(duì)伺服放大器有各種不同的要求，例如不同的校正環(huán)節(jié)，不同的增益范圍及其他功能。但為了確保伺服閥的正常使用，閥對(duì)放大器還提出：放大器要帶有限流功能，確保放大器最大輸出電流不至于燒壞線圈或不至引起閥的其他失敗。伺服閥應(yīng)能耐受2倍額定電流的負(fù)荷。要有一個(gè)輸出調(diào)零電位器，因?yàn)樗欧y一般容許2%的零偏，及工況不同的零漂，在伺服閥壽命期內(nèi)零偏允差可到5%6%，所以調(diào)零機(jī)構(gòu)要可調(diào)1%的額定電流輸出值，某些伺服閥和系統(tǒng)還要求放大器帶有顫振信號(hào)發(fā)生電路。輸出端不要有過大的旁路電容或泄漏電

45、容，避免與伺服閥線圈感抗一起產(chǎn)生不希望的諧振。伺服閥線圈與放大器的聯(lián)接，推薦并聯(lián)接法，此法可靠性高而且具有最小的電感值。電液伺服控制器包括誤差比較器、校正放大器、反相及增益控制、功率放大器、顫振信號(hào)源、顯示器、電源等。某電液伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。圖2-21 電液伺服控制器原理示意圖由圖2-21可以看出，電液伺服控制器的主要功能是將電液控制系統(tǒng)的力矩信號(hào)和角位置信號(hào)進(jìn)行調(diào)理送入計(jì)算機(jī)的A/D，同時(shí)將計(jì)算機(jī)D/A輸出的控制信號(hào)（伺服閥控制信號(hào)）進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，去驅(qū)動(dòng)伺服閥按要求運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)的特點(diǎn)是：1）力矩傳感器感受的力矩信號(hào)比較微弱，輸出信號(hào)為mV級(jí)，經(jīng)過傳輸線后進(jìn)入調(diào)理電路引入很大干擾

46、，故除了對(duì)其功率放大和調(diào)零外，另加入濾波電路；2）為了保證電液伺服控制器的可擴(kuò)展性，還設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出接口；3）配置了顯示儀表以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電液伺服系統(tǒng)工作情況的目的。在此以電液伺服閥FF102驅(qū)動(dòng)放大電路、顯示電路及位移傳感器調(diào)理電路為例介紹其結(jié)構(gòu)原理。2.2.2 電液伺服閥驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)模塊是電液伺服閥驅(qū)動(dòng)電路的核心，它由第一級(jí)儀表運(yùn)算放大器AD622AN和第二級(jí)功率運(yùn)算放大器LH0041組成。電液伺服閥驅(qū)動(dòng)電路的要求在D/A1端加-10V10V的電壓，A B端（接電液伺服閥）輸出-40mA40mA的電流信號(hào)。第二級(jí)功率運(yùn)算放大器LH0041的使用原理。圖2-22為電液伺服閥驅(qū)動(dòng)電路

47、圖。電液伺服閥作為驅(qū)動(dòng)的負(fù)載，其線圈具有電感而非純電阻阻抗，所以流過線圈的電流將不與加在其兩端的電壓，即放大器的輸出電壓成正比。為了使控制電流正比于輸入電壓，采用電阻R-S107與電液伺服閥控制線圈串聯(lián)，并將其上電壓與經(jīng)過電阻R-ST1反饋到放大器輸入端，因?yàn)榉答侂妷菏怯呻娏鳟a(chǎn)生的，故為電流負(fù)反饋。： 圖2-22 電液伺服閥驅(qū)動(dòng)電路圖2.2.3 電液伺服閥電流顯示電路電流式模擬表頭電路（如圖2-23所示）直接在把電流式模擬表頭串聯(lián)在電路中，在采樣電阻的位置換上電流式模擬表頭。要用一個(gè)模擬表頭顯示兩路電液伺服閥的電流,也需要加入了通道選擇電路；通道選擇電路的功能是：當(dāng)測(cè)量電液伺服閥的電流以電流式

48、模擬表頭串聯(lián)在電液伺服閥的電路中, 電液伺服閥二的相應(yīng)部分短接;同理要測(cè)量電液伺服閥二的電流時(shí)把電流式模擬表頭串聯(lián)在電液伺服閥電路中, 電液伺服閥的相應(yīng)部分短接。實(shí)現(xiàn)此功能的通道選擇電路如圖3，K1，K2，K3，K4為同一繼電器的4個(gè)雙置開關(guān)，當(dāng)K1打到1，K2打到3，K3打到5，K4打到7時(shí)，電流式模擬表頭測(cè)量電液伺服閥一的電流，電液伺服閥二相應(yīng)測(cè)量部分為短接。圖2-23 通道選擇電路圖采用電流式模擬表頭的顯示電路使輸入驅(qū)動(dòng)電壓與電液伺服閥輸出電流保持了比例關(guān)系，提高了顯示電液伺服閥電流的精度和線性度。2.2.4 傳感器調(diào)理電路位移傳感器數(shù)據(jù)一般不能直接用來顯示，通過調(diào)理電路才能顯示。調(diào)理電

49、路是采用儀表放大器AD622AN，它是一種低功耗，高精度的儀表放大器，其放大倍數(shù)可以達(dá)到21000，其次AD622AN使用更方便，只要在1，8之間加以可變電阻就可以改變其增益（不接電阻時(shí)增益為1），調(diào)理電路如圖2-24所示。圖2-24 儀表放大器AD622AN調(diào)理電路圖22.5 基于 DSP的高速液壓控制器 1 系統(tǒng)模型 液壓伺服控制系統(tǒng)根據(jù)控制參數(shù)的不同，可以分為位置、速度、加速度和力控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-25所示。圖2-25 液壓伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 控制器將給定的控制信號(hào)與檢測(cè)的位置信號(hào)進(jìn)行比較 ，輸出信號(hào)經(jīng) DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì) 電液伺服閥的控制。液壓缸的位移信號(hào)通過傳

50、感器傳到控制器當(dāng)中，通過控制器中的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，將處理的結(jié)果再反饋到電液伺服閥上，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的閉環(huán)控制。高質(zhì)量的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能關(guān)鍵依賴伺服控制器。實(shí)現(xiàn)給定算法的處理器必須有足夠快的計(jì) 算速度，以保持系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。電液伺服閥是一個(gè)典型的非線性元件，在實(shí)際應(yīng)用中由于各種因素，不能完全掌握伺服閥建模所需的各種設(shè)計(jì)參數(shù)，因此也就無(wú)法建立精確的數(shù)學(xué)模型，不能確定精確的控制參數(shù)。 在這種情況下，模糊PID控制、自適應(yīng)控制以及專家系統(tǒng)不斷引起人們的重視 ，紛紛應(yīng)用到電液伺服控制系統(tǒng)當(dāng)中。由于這些控制算法復(fù)雜 ，因此選擇一個(gè)處理器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算成為關(guān)鍵 。DSP因其 對(duì)信號(hào)的高速處理能力，不

51、斷地在高速系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 2 硬件系統(tǒng) TI公司的TMS320C2000系列芯片在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，其中使用最廣是TMS320LF2407A。在此利用MS320LF2407A實(shí)現(xiàn)電液伺服閥的數(shù)字式控制?？刂破饔布到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-26所示。TMS320LF2407A芯片是定點(diǎn)16位處理器，提供了低成本、低功耗、高性能的處理能力。其主要性能包括采用高性能 CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減小了處理功耗；30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns，集成了10位AD轉(zhuǎn)換器及串行通訊接口(SCI)及CAN模塊等。TMS320LF2407A芯片內(nèi)部帶有10位的AD轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間達(dá)50

52、0ns，可選擇由兩個(gè)時(shí)間管理器來觸發(fā)的兩個(gè)8通道輸入AD 轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入的AD轉(zhuǎn)換器。 圖2-26 控制器硬件電路框圖外擴(kuò) SARAM的低32K只能被映射到LF2407A程序空間的低32位，外擴(kuò) SARAM 的高32K，則既可映射到LF2407A程序空間的高32K，也可映射到LF2407A數(shù)據(jù)空間的高32K。因此利用SRAM的高32K作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，低32K作為程序存儲(chǔ)區(qū)，避免數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和程序存儲(chǔ)空間的重疊。AD轉(zhuǎn)換器需要的采樣轉(zhuǎn)換最小時(shí)間為6.1s。AD轉(zhuǎn)換模塊在6個(gè)AD轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期內(nèi)完成全部的采樣轉(zhuǎn)換操作，其中輸入采樣需要1個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期，轉(zhuǎn)換需要5個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期，因此要保證轉(zhuǎn)

53、換的采樣轉(zhuǎn)換時(shí)間大于或等于6.1 s。DA轉(zhuǎn)換將微處理器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，并送入電液伺服閥對(duì)其控制或調(diào)節(jié)。 3 軟件系統(tǒng) 伺服控制器的功能實(shí)際上是由裝在DSP內(nèi)部的軟件決定的，而在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，普遍采用硬件化控制器。系統(tǒng)一經(jīng)確定 ，控制器 的參數(shù)就相對(duì)固化了，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，參數(shù)不能調(diào)整。對(duì)于伺服控制器來說，控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，整個(gè)系統(tǒng)控制品質(zhì)的高低取決于程序中的控制算法。 （1）PID控制算法 DSP控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差計(jì)算控制量。因此，連續(xù) PID控制算法不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。在DSP控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字PI

54、D控制器，數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID控制算法和增量式控制算法。增量式PID控制算式如式(1)所示 ： u(k)= KP e(k)+KIe(k)+KDe(k) -e(k-1) (1) 式中：e(k)=e(k) -e(k-1)；KP 比例放大系數(shù)；KI積分系數(shù)；KD微分系數(shù)；e(k)第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。 式(1)也可以表示為 u(k)=KP (2) 式中：TI積分時(shí)間；TD微分時(shí)間；T采樣周期。 由于控制系統(tǒng)采用了恒定的采樣周期，一旦確定了KP、KI、KD，只要使用前后3次測(cè)量值的偏差，可由式(1)或式 (2)求出控制增量。由于計(jì)算機(jī)輸出增量 ，降低了計(jì)算誤差或計(jì)算精度問題對(duì)

55、控制量的影響。 （2）模糊 PID控制算法 PID控制系統(tǒng)屬于線性控制系統(tǒng)，在參數(shù)變化和外干擾的非線性控制系統(tǒng)中存在參數(shù)難以整定、魯棒性不夠好的缺點(diǎn)，難以解決動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾。隨著液壓伺服系統(tǒng)對(duì)控制精度和動(dòng)態(tài)性能要求的提高，采用傳統(tǒng)PID控制往往不能滿足要求 。 將PID控制引入模糊控制器，構(gòu)成模糊PID復(fù)合控制，在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制 ，而在小偏差范圍內(nèi)則轉(zhuǎn)換成PID控制，兩者的轉(zhuǎn)換根據(jù)給定的偏差閾值e自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。這種復(fù)合控制比PID控制具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，更小的超調(diào)，同時(shí)又比模糊控制具有更高的穩(wěn)態(tài)精度。其結(jié)構(gòu)如圖2-27所示。 圖2-27 模糊PID控制系統(tǒng)圖 選取誤差

56、e和誤差變化ec以及PID三個(gè)參數(shù)KP、KI、KD的論域都為：-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，其模糊子集分為七 級(jí) ，分別為：NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，子集元素對(duì)應(yīng)為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、正小 、正中和正大。比例系數(shù)KP的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度；積分作用系數(shù)KI的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；微分作用系數(shù)KD的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化。3個(gè)控制參數(shù)控制規(guī)則如表2-2、2-3、2-4所示。表2-2 KP的模糊控制規(guī)則表表2-3 KI的模糊控制規(guī)則表表2-4 KD的模糊控制規(guī)則表e、ec、KP、KI、KD隸屬度函數(shù)均采用三角形，如圖2-2