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更新時(shí)間：2024-11-26
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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，系統(tǒng)工作時(shí)它直接接收系統(tǒng)傳遞來的電信號，并把電信號轉(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，從而使系統(tǒng)輸出較大的液壓功率，用以驅(qū)動相應(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、結(jié)構(gòu)、性能也多種多樣。它們有個(gè)性，也有共性。本章將對常見電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理、組成、分類及有關(guān)特點(diǎn)作簡要介紹。
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的電能通過特定設(shè)計(jì)的元件轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動的機(jī)械能，由此機(jī)械能進(jìn)而驅(qū)動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)有動鐵式和動圈式兩種結(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）為高能永磁動鐵式直線力馬達(dá)。它體積大，加工工藝性好；驅(qū)動力大、行程較大；固有頻率較低，約≤300Hz，適用于直接驅(qū)動功率級滑閥。
圖1.1（c）為永磁動圈式力馬達(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)動滑閥液壓放大器的閥芯運(yùn)動。
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)簡單體積小，運(yùn)動件慣性小，所需驅(qū)動力小，無摩擦，靈敏度高；但中位泄漏大，負(fù)載剛度差；輸出流量小；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；適于小信號工作，常用作兩級伺服閥的前置放大級。
圖1.2（b）為射流管式液壓放大器，按動量轉(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)動零件慣性大；射流管的引壓管剛度差，易振動；常用作兩級伺服閥的前置放大級。
圖1.2（c）為偏轉(zhuǎn)射流管式液壓放大器，按動量轉(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)；射流噴嘴有失效對中功能；運(yùn)動零件慣量小。缺點(diǎn)是在高溫及低溫時(shí)性能差。可用于兩級伺服閥的前置放大級。
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)動件慣量大，液動力大，要求驅(qū)動力大。通常與動圈式或MOOG DDV直線力馬達(dá)直接連接構(gòu)成單級伺服閥或用作兩級伺服閥的前置級，它也是兩級和三級伺服閥功率放大級的主要型式。
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力反饋電液流量伺服閥的工作原理見第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)動力大，增加了閥芯的抗污染能力；
（3）閥芯基本處于浮動狀態(tài)，附加摩擦力小；
（4）閥的性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，零漂小；
（5）力反饋回路包圍力矩馬達(dá)，限制了閥的動態(tài)響應(yīng)。
2）直接位置反饋
動圈式滑閥直接位置反饋兩級電液流量伺服閥是典型的直接位置反饋型式，見圖1.3。它由永磁式動圈力馬達(dá)、馬達(dá)直接驅(qū)動的雙邊滑閥式前置控制閥和三通滑閥式功率級組成。前置控制滑閥的兩個(gè)預(yù)開口節(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。滑閥副的閥芯直接與馬達(dá)的動線圈骨架相連。前置級的閥套又是功率放大級的閥芯。
輸入控制電流給力馬達(dá)動圈，則力馬達(dá)的動圈產(chǎn)生電磁力，此電磁力將克服對中彈簧的彈簧力使動圈和前置級閥芯移動，其位移量與動圈電流成正比。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)動功率級閥芯（即前置級的閥套）移動，且功率閥芯一邊移動一邊逐漸消減前置級滑閥的原開啟面積的變化量，直到前置級滑閥兩個(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，使功率級滑閥閥芯跟隨前置級滑閥閥芯運(yùn)動，功率級滑閥閥芯的位移與動圈輸入電流大小成正比。
直接位置反饋式動圈伺服閥的特點(diǎn)：
（1）結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠；
（2）力馬達(dá)線性范圍寬，調(diào)整方便；
（3）前置級滑閥流量增益大，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)動圈和滑閥閥芯直接連接，運(yùn)動部分慣量較大，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輸出壓力的控制，使閥的輸入信號與閥輸出壓力成一一對應(yīng)關(guān)系，個(gè)別情況下用于流量伺服閥內(nèi)部動壓反饋校正。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
該閥的工作原理見圖1.4。給伺服閥輸入某一信號，則噴嘴擋板產(chǎn)生壓差，此壓差作用到功率級滑閥的閥芯上，使閥輸出負(fù)載壓力，此負(fù)載壓力反饋到閥芯兩端。設(shè)噴嘴擋板級輸出壓力的作用面積為，輸出壓差為pc，功率級閥芯的反饋面積為，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圖1.5。當(dāng)給閥輸入某一信號時(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)壓力差通過反饋噴嘴作用到擋板上，形成對力矩馬達(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)上與輸入信號產(chǎn)生的電磁力矩相綜合。
該閥的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、體積小；靜態(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，影響閥的動態(tài)響應(yīng)；反饋噴嘴對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，雙噴嘴擋板兩級電反饋電液流量伺服閥和三級流量伺服閥等等，它們的工作原理分別見第3章和第6章。
電反饋伺服閥的特點(diǎn)是回路增益較高，可以針對閥回路加必要的校正環(huán)節(jié)，閥的靜、動態(tài)性能好；閥的最高動態(tài)受一級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）功率放大級功耗小；
（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。對閥線圈輸入電流比較大的電控器功率級，宜采用脈寬調(diào)制（PWM）型開關(guān)式功率放大級。
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，也可以直接接受數(shù)字信號，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，能自動消除由于環(huán)境變化而導(dǎo)致閥零位漂移影響。
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