1、9第9章 液压伺服系统 第9章 液压伺服系统 9.1 液压伺服系统概述液压伺服系统概述 9.2 液压伺服系统的控制元件液压伺服系统的控制元件 9.3 电液伺服阀电液伺服阀 9.4 典型液压伺服系统实例典型液压伺服系统实例 思考和练习题思考和练习题 9第9章 液压伺服系统 9.1 液压伺服系统概述液压伺服系统概述 9.1.1 液压伺服系统的工作原理液压伺服系统的工作原理 如图9-1所示为一简单液压传动系统，它用一个四通滑阀控制液压缸去推动负载运动。当给阀芯一个向右输入位移量xi时，则滑阀移动某一开口量xv，此时，压力油进入液压缸右腔，液压缸左腔回油，在压力油的作用下缸体向右运动，输出位移xp。9
2、第9章 液压伺服系统 图 9-1 液压传动系统 9第9章 液压伺服系统 若将滑阀和液压缸组合成一个整体，上述系统就变成一个简单的液压伺服系统，如图9-2所示。由于阀体与缸体制成一个整体，因而构成反馈控制。其反馈控制过程是：当控制滑阀处于中间位置（零位，即没有信号输入，xi0）时，阀芯凸肩恰好遮住通往液压缸的两个油口，阀没有流量输出，缸体不动，系统的输出量xp0，系统处于静止平衡状态。9第9章 液压伺服系统 图 9-2 液压伺服系统原理图 9第9章 液压伺服系统 若给控制滑阀一个输入位移xi（如图向右），阀芯将偏离其中间位置，则节流窗口a、b便有一个相应的开口量xv xi，压力油经a口进入液压缸
3、右腔，左腔油液经b口回油，缸体右移xp，由于缸体与阀体是一体的，因此阀体也右移xp。受阀芯输入端的限制，阀的开口量逐渐减小，即xv xixp，直到xpxi（xv0）时，阀的输出流量等于零，缸体停止运动，处在一个新的平衡位置，完成了液压缸输出位移对滑阀输入位移的跟随运动。如果控制滑阀反向运动，液压缸也反向跟随运动。控制滑阀作为转换、放大元件，把输入的机械信号（位移或速度等）转换并放大成液压信号（流量或压力等）输出至液压缸。9第9章 液压伺服系统 在这个系统中，输出位移xp之所以能够精确地复现输入位移xi的变化，是因为缸体和阀体是一个整体，构成反馈控制。缸体的输出信号（位移xp）反馈至阀体，并与滑
4、阀输入信号（位移xi）进行比较，有偏差（即有开口量）缸体就继续移动，直到偏差消除为止。可见，这个系统是靠偏差信号进行工作的，即以偏差来消除偏差，这就是反馈控制原理。系统的工作原理图可以用图9.3方块图来表示。9第9章 液压伺服系统 图 9-3 液压伺服系统工作原理方框图 9第9章 液压伺服系统 9.1.2 9.1.2 液压伺服系统的类型及组成液压伺服系统的类型及组成1.1.液压伺服系统的分类液压伺服系统的分类 （1）按输入信号变化规律分类,有定值控制系统、程序控制系统和伺服控制系统三类。当系统输入信号为定值时，称为定值控制系统，其基本任务是提高系统的抗干扰能力。当系统的输入信号按预先给定的规律
5、变化时，称为程序控制系统。伺服系统也称为随动系统，其输入信号是时间的未知函数，输出量能够准确、迅速地复现输入量的变化规律。9第9章 液压伺服系统（2）按传递信号（指输入和偏差信号）的元件分类,有机液伺服系统、电液伺服系统和气液伺服系统等。（3）按输出物理量分类,有位置伺服系统、速度伺服系统和力（或压力）伺服系统等。（4）按控制方式分类,有阀控系统（节流式）和泵控系统（容积式）两类。（5）按控制元件不同分类，可分为滑阀式、射流管式、喷嘴挡板式和转阀式等。9第9章 液压伺服系统 2.2.液压伺服系统的组成液压伺服系统的组成图9-4 所示是应用电液伺服阀的电液伺服系统。液压执行元件（液压缸）根据输入
6、系统的电气信号而动作，从而驱动负载输出相应的物理量（如位移、速度、力等）。输出信号经电气测量反馈装置测得并回输到系统输入端与输入信号相比较，产生反映二者偏差大小的电压信号，即偏差信号，该信号经过伺服放大器放大成具有一定功率输出的电流信号输入电液伺服阀。电液伺服阀首先将输入的电流信号通过电气机械转换装置按比例地变换成控制阀阀芯的机械位移，从而改变了相应的节流口状态，输出具有一定压力和流量的压力油（即输出具有足够大的液压功率）去驱动液压执行元件及负载，执行元件运动到输入信号与反馈信号完全一致，偏差信号消失为止。9第9章 液压伺服系统 图 9-4 电液位置伺服控制系统9第9章 液压伺服系统 图 9-
7、5 液压伺服系统职能方框图 9第9章 液压伺服系统（1）指令元件（又称给定元件）：给出与被控制对象所希望的运动规律相对应的指令信号（输入信号），加在系统中的输入端。给定元件可以是机械装置（如凸轮、连杆、模板等），给出位移信号；也可以是电气元件（如电位计、程序装置等），给出电压信号。（2）比较元件：用来比较输入信号和反馈信号，并将它们的差值作为偏差信号输送给后面的元件。实际系统中，一般没有专门的比较元件，而是由某一结构元件替代完成比较元件的功能。9第9章 液压伺服系统（3）放大转换元件（液压功率放大器）：将偏差信号放大并转换成液压信号（压力或流量），如伺服放大器、液压控制阀、电液伺服阀等。（4）
8、液压执行元件：驱动控制对象动作的液压元件，通常指液压缸或液压马达。（5）检测反馈元件:用来检测系统输出量，将其转换成与输入信号具有相同形式的反馈信号，并回输给比较元件。反馈元件可以是机械装置（如齿轮副、连杆等），也可以是电气元件（如电位计、测速电机等）。9第9章 液压伺服系统（6）控制对象:即被控制的机械设备。以上六部分是液压伺服系统的基本组成。为改善系统性能，可增设校正元件；为了使输入信号按比例放大或缩小，可增设比例元件。这两部分在图中没有画出。此外，也可把液压源部分归入液压伺服系统组成中，因液压源的压力和流量的波动以及供油压力的大小对系统的性能会产生直接影响。9第9章 液压伺服系统 3.3
9、.液压伺服系统的特点液压伺服系统的特点 液压伺服系统与普通的液压传统系统相比，具有以下特点：(1)它是一个自动跟踪系统（或随动系统）：输出量能够自动地跟随输入量的变化规律而变化。(2)它是一个误差控制系统：系统的输出信号和输入信号之间存在偏差是液压伺服系统工作的必要条件，也可以说液压伺服系统是靠偏差信号进行工作的。执行元件的运动状态只取决于输入信号与反馈信号的偏差大小，与其他量无关。当偏差信号为零时，执行元件不动；当偏差信号为正（负）时，执行元件正（反）向运动；当偏差信号绝对值增大（减小）时，执行元件输出的力和速度增大（减小）。9第9章 液压伺服系统(3)它是一个负反馈闭环系统：被控制对象（或
10、执行元件）产生的运动量（输出量）必须经检测反馈元件回输到比较元件，力图抵消使被控制对象（或执行元件）产生运动的输入信号，即力图使偏差信号减小到零，从而形成一个负反馈闭环系统。从图 95 中的系统职能方框图可直观地看出。(4)它是一个信号放大系统：系统的输出信号功率（执行元件输出的机械功率）是系统的输入信号功率的数倍甚至数千倍。伺服控制的物理本质是利用偏差信号去控制液压能源输入到系统的能量，所以液压伺服装置一般也称为液压伺服放大器。9第9章 液压伺服系统(5)与普通的液压传统系统相比，尽管同样有液压泵（能源）、液压马达或液压缸（执行元件）和控制元件，但控制调节的精度要求更高。如液压源提供的液压力
11、和流量应更稳定，进入执行元件的流量特性的线性度要更好。液压伺服系统的缺点是：伺服元件加工精度高，因此价格较贵；液压伺服系统对油液的污染比较敏感，因此可靠性受到影响；在小功率系统中，液压伺服控制不如电气控制灵活。随着科技的发展，液压伺服系统的缺点将不断得到克服。在自动化技术领域中，液压伺服控制有着广泛的应用前景。9第9章 液压伺服系统 9.2 液压伺服系统的控制元件液压伺服系统的控制元件 9.2.1 9.2.1 滑阀式液压伺服阀滑阀式液压伺服阀 滑阀式液压伺服阀具有最优良的控制性能，在液压伺服系统中应用最广。它的结构与液压换向滑阀很相似，但由于工作目的不同，在设计要求上有很大差异。换向阀实际上是
12、液压开关，每个阀口只有两个状态，要么完全打开，要么完全封死，结构上很容易保证；而滑阀式液压伺服阀则是一种比例控制的液压放大器，每个阀口具有连续变化的开启度，以便连续调节通过液体的流量，其加工精度（特别是轴向尺寸加工精度）要求很高。9第9章 液压伺服系统 单边控制滑阀式液压伺服阀如图9-6所示。滑阀控制边的开口量控制着液压缸右腔的压力和流量，从而控制液压缸运动的速度和方向。来自泵的压力油进入单杆液压缸的有杆腔A，通过活塞上的小孔a后进入无杆腔B，压力由p1降为p2然后再经过开口量为的单边滑阀的开口流回油箱。在液压缸不受外载荷作用的条件下，p2Bp1A。当阀芯根据输入信号向左移动时，开口量增大，无
13、杆腔压力减小，于是p2Bp1A，缸体向左移动。因为缸体和阀体连接成一个整体，所以阀体左移又使开口量减小（负反馈），直至平衡。9第9章 液压伺服系统 图9-7 所示为双边控制滑阀式液压伺服阀的工作原理。压力油一路直接进入液压缸有杆腔，另一路经滑阀左控制边的开口xs1和液压缸无杆腔相通，并经滑阀右控制边的开口xs2流回油箱。当滑阀向左移动时，xs1减小，xs2增大，液压缸无杆腔压力p1减小，两腔受力不平衡，缸体向左移动。反之缸体向右移动。双边滑阀式液压伺服阀比单边滑阀式液压伺服阀的调节灵敏度高，工作精度高。9第9章 液压伺服系统 图 9-6 单边控制滑阀式液压伺服阀简图 9第9章 液压伺服系统 图
14、 9-7 双边控制滑阀式液压伺服阀的 9第9章 液压伺服系统 图 9-8 四边控制滑阀式液压伺服阀的工作原理 9第9章 液压伺服系统 按照控制边相对于阀套槽边的位置不同，滑阀式液压伺服阀可制成正开口、零开口和负开口三种类型，如图9-9所示，即：当滑阀处于平衡位置（无输入控制信号）时，阀芯凸肩控制边与阀套槽边的相对位置分别为负开口（xs0）、零开口（xs0）和正开口（xs0）。具有零开口的滑阀，其工作精度最高；负开口有较大的不灵敏区，较少采用；具有正开口的滑阀，工作精度较负开口高，但功率损耗大，稳定性也差。9第9章 液压伺服系统 图 9-9 滑阀的三种开口形式 9第9章 液压伺服系统 9.2.2
15、 喷嘴挡板式液压伺服阀喷嘴挡板式液压伺服阀喷嘴挡板式液压伺服阀有单喷嘴和双喷嘴两种。图9-10所示为单喷嘴挡板式液压伺服阀。它由固定节流孔a、中间油室b、喷嘴1及挡板2等组成。喷嘴和挡板共同组成一个可变截面的节流装置。中间油室b与执行元件的工作油腔相连通。从液压泵来的压力油(压力为p1)经过固定节流孔a后，一部分油液经喷嘴端面和挡板所形成的间隙排出而流回油箱。挡板的位置（即间隙的大小）由输入信号来控制，可以直接用机械方法控制，也可以由电信号控制。当的大小改变时，就改变了喷嘴和挡板处的节流作用，因而使中间油室中的油压力p2也随之改变，这样就使执行元件产生运动。9第9章 液压伺服系统 图 9-10
16、 单喷嘴挡板式液压伺服阀的工作原理简图 9第9章 液压伺服系统 双喷嘴挡板式液压伺服阀具有较高的功率放大倍数，因而应用较多。图9-11所示为双喷嘴挡板式液压伺服阀的结构及工作原理示意图。在结构上，该阀左右完全对称，各有一直径确定的固定节流口和喷嘴；两喷嘴的正中间有一挡板，挡板支承在上部的转轴上（未画出），可随转轴左右小幅度摆动。这样，挡板与两喷嘴就构成了可变节流口。液压源提供的恒压力为ps的油同时进入左、右输入端，经两固定节流口流入左、右控制腔，又沿喷嘴高速喷向挡板，并由喷嘴与挡板之间的缝隙流回油箱。在左、右控制腔处各设一控制口，分别与执行元件（假设为液压缸）的两油腔A、B相连。9第9章 液压
17、伺服系统 当伺服阀处于零位（无输入信号，挡板未发生偏转）时，挡板到两喷嘴的距离均相同，两喷嘴处的节流压降相同，从而使两控制腔的压力相等，因此，液压缸左、右腔压力也相等，活塞不动；当输入信号使挡板绕转轴顺时针转动一微小角度而靠近左喷嘴时，左喷嘴处的节流压降增大，右喷嘴处的节流压降减小，导致左腔A的控制压力大于右腔B的控制压力，液压缸左腔进油，右腔排油，活塞向右运动；反之，当挡板绕转轴逆时针转动一微小角度而靠近右喷嘴时，结果与上述情况正好相反，活塞向左运动。很明显，活塞移动的速度以及产生推力的大小与输入信号（或挡板的偏移量）的大小成正比，活塞运动的方向取决于输入信号的极性（或挡板偏移的方向）。9第
18、9章 液压伺服系统 图 9-11 双喷嘴挡板式液压伺服阀 9第9章 液压伺服系统 由上可见，用很小的机械功率操纵挡板，便可以在喷嘴挡板式液压伺服阀的输出端得到较大的液压功率，实现信号转换及功率放大的功能。但是，在喷嘴处自始至终有液压油泄漏，能量损失较大，因而这种阀只能用在小功率场合。与滑阀式液压伺服阀相比，喷嘴挡板式液压伺服阀结构简单，加工精度要求不高，制造容易；运动部件（挡板）质量轻，惯性小，位移量小，故灵敏度高，动态响应快；对油液的污染不太敏感；没有径向不平衡力，不会发生“卡紧”现象，因而工作可靠。其缺点是：功率损耗大，喷嘴挡板间距离很小时的抗污染能力差，因此适宜在多级放大伺服系统中用作第
19、一级（前置级）伺服装置。具体实例可见电液伺服阀。9第9章 液压伺服系统 9.2.3 射流管式液压伺服阀射流管式液压伺服阀 图 9-12 射流管式液压伺服阀的工作原理简图 9第9章 液压伺服系统 9.3 电电 液液 伺伺 服服 阀阀 9.3.1 9.3.1 电液伺服阀的分类电液伺服阀的分类 电液伺服阀广泛地应用在电液位置、速度、加速度、力伺服系统以及伺服振动发生器中。它具有体积小、结构紧凑、功率放大系数高、控制精度高、直线性好、死区小、灵敏度高、动态性能好以及响应速度快等优点。9第9章 液压伺服系统 电液伺服阀按用途、性能和结构特征可分为通用型和专用型；按输出量可分为流量控制伺服阀和压力控制伺服
20、阀；按液压放大级数可分为单级、两级和三级伺服阀；按电气机械转换后动作方式可分为力矩马达式（输出转角）和力马达式（输出直线位移）；按电气机械转换装置可分为动铁式（一般为衔铁传动）与动圈式和干式与湿式；按液压前置级的结构形式可分为单喷嘴挡板式、双喷嘴挡板式、四喷嘴挡板式、射流管式、偏转板射流式和滑阀式；按反馈形式可分为位置反馈式、负载流量反馈式和负载压力反馈式；按输入信号形式可分为连续控制式和脉宽调制式。9第9章 液压伺服系统 图 9-13 通用型流量伺服阀 9第9章 液压伺服系统 图 9-14 通用型压力伺服阀 9第9章 液压伺服系统 9.3.2 电液伺服阀的组成电液伺服阀的组成 电液伺服阀是电
21、液伺服系统的核心部分。如图9-15 所示，输入信号ei及反馈信号ef均为微弱的电信号，两者经过比较，在电伺服放大器中放大，并转化为差动电流i输入到力矩马达中，再转化成机械位移而输入到下级液压放大元件。液压放大元件（可以是多级）输出具有一定压力和流量的压力油，推动液压执行元件拖动负载运动。系统的输出位移量xp经检测反馈元件转化为电压信号ef后返回比较元件，形成负反馈闭环关系。这里，电液伺服阀是联系电信号和液压信号的桥梁，被称为电液伺服系统的心脏。9第9章 液压伺服系统 图 9-15 电液伺服系统的组成 9第9章 液压伺服系统 9.3.3 9.3.3 电液伺服阀的结构和工作原理电液伺服阀的结构和工
22、作原理1.1.双喷嘴挡板式电液伺服阀双喷嘴挡板式电液伺服阀 在双喷嘴挡板式电液伺服阀中，最常用的是力反馈式，图9-16所示为力反馈双喷嘴挡板式电液伺服阀的结构原理图。它由上部电磁元件和下部液压元件两大部分组成。电磁元件就是力矩马达，由永久磁铁1和4、导磁体2、衔铁3、弹簧管5和绕在衔铁上的控制线圈组成。控制线圈有两组，根据需要可将它们串联、并联或差动连接。液压元件是一个两级液压伺服阀，前置放大级是双喷嘴挡板式液压伺服阀，功率放大级是带有四条控制边的滑阀式液压伺服阀。阀芯9通过力反馈杆8上的小球与衔铁挡板组件相连。9第9章 液压伺服系统 图 9-16 双喷嘴挡板式电液伺服阀(力反馈式)9第9章
23、液压伺服系统 当输入力矩马达的差动电流i为零时，衔铁由弹簧管支承在上、下导磁体之间的正中位置。此时，挡板6也位于两喷嘴7之间的正中位置，即伺服阀常态，液压源提供的压力为ps的恒压油经精滤油器11、左右两固定节流口10进入控制腔。由于挡板到两喷嘴的距离相同，两控制腔的压力也相等，因此作用于阀芯左、右端面的推力也相等，阀芯在力反馈杆的约束下处于中间位置，液压伺服阀的阀口封死，电液伺服阀无压力油输出。9第9章 液压伺服系统 若力矩马达有差动电流输入，根据差动电流的极性（i0或i0)，衔铁将在电磁力矩作用下发生顺时针或逆时针的偏转。假设i0时，衔铁顺时针偏转，如图9-17 所示，挡板随之偏转并向左喷嘴
24、靠近，左控制腔压力升高，右控制腔压力降低，阀芯在压差作用下向右移动。电液伺服阀阀口PB，AT，有液压油输出。这时的力反馈杆一方面要随着挡板顺时针偏转而向左移动，另一方面又要随着阀芯向右移而迫使挡板向中间位置回复，结果使力反馈杆发生图9-17 所示的弯曲变形。9第9章 液压伺服系统 当作用于衔铁上的电磁力矩与弹簧管和力反馈杆的变形弹性反力矩平衡时，衔铁处于一个新的平衡位置；同时，作用于阀芯的液压作用力与力反馈杆的变形弹性力也处于平衡，阀芯也处于一个新的平衡位置。结果是阀芯向右移动了xv，阀口对应一个相应的开启度，伺服阀输出端输出相应的流量qL。由于力矩马达的电磁力矩与输入的差动电流i成比例，也可
25、以证明，阀芯的位移量与力矩马达的电磁力矩也成比例，因而阀芯的位移量与输入差动电流成比例，也就意味着伺服阀输出流量与输入差动电流成比例。而输出液流的方向取决于输入差动电流的极性，这样就使输出流量与输入差动电流对应起来，当改变输入电流信号的大小和极性时，就可以改变电液伺服阀的输出流量的大小和方向，从而实现电液伺服阀的功能要求。9第9章 液压伺服系统 图 9-17 力反馈杆变形示意图(a)当i=0时；(b)当i0时 9第9章 液压伺服系统 该阀的特点是：采用了力反馈杆，使得挡板基本在零位附近工作，输出流量与输入电流之间关系的线性度较好；阀特性不受中间参数影响，抗干扰能力强；喷嘴与挡板间的缝隙很小，易
26、受污染而卡住，故对油液清洁度要求较高。在上述电液伺服阀中，若去掉力反馈杆，并在阀芯两端增设对中弹簧，就由“力反馈式”变为“对中弹簧式”，但其性能不如“力反馈式”，故用的不是太多。9第9章 液压伺服系统 2.2.射流管式电液伺服阀射流管式电液伺服阀 图 9-18 所示为射流管式电液伺服阀的结构原理图,它由上部电磁元件和下部液压元件两大部分组成。电磁元件为力矩马达，与双喷嘴挡板式电液伺服阀的力矩马达一样。液压元件为两级液压伺服阀，前置放大级为射流管式液压伺服阀，功率放大级为滑阀式液压伺服阀。射流管2与力矩马达的衔铁固定连接，它不但是供油通道，而且是衔铁的支承弹簧管。接收器3的两接收小孔分别与滑阀式
27、液压伺服阀的阀芯5的左、右两端的容腔相通。9第9章 液压伺服系统 图 9-18 射流管式电液伺服阀 9第9章 液压伺服系统 当无电流信号输入时，力矩马达无电磁力矩输出，衔铁在弹簧管作用的射流管支承下，处于上、下导磁体之间的正中位置，射流管的喷口处于两接收小孔的正中间，液压源提供的恒压力液压油进入电液伺服阀的供油口P，经精滤油器6进入射流管，由喷口高速喷出。由于两接收小孔接收的液体动能相等，因而阀芯左右两端容腔的压力相等，阀芯在定位弹簧板4的作用下处于中间位置（常态位置），电液伺服阀输出端A、B口无流量输出。9第9章 液压伺服系统 当力矩马达有电流信号输入时，衔铁在电磁力矩作用下偏转一微小角度（
28、假设其顺时针偏转），射流管也随之偏转，使喷口向左偏移一微小距离。这时，左接收小孔接收的液体动能增多，右接收小孔接收的液体动能减少，阀芯左端容腔压力升高，右端容腔压力降低，在压差作用下，阀芯向右移动，并使定位弹簧板变形。当作用于阀芯的液压推力与定位弹簧板的变形弹力平衡时，阀芯处于新的平衡位置，阀口对应一个相应的开启度，PA，BT（回油口），输出相应的流量。9第9章 液压伺服系统 由于定位弹簧板的变形量（也就是阀芯的位移量）与作用于阀芯两端的压力差成比例，该压力差与喷口偏移量成比例，喷口偏移量与力矩马达的电磁力矩成比例，电磁力矩又与输入的电流信号成比例，因而阀芯位移量与输入电流信号成比例，也就是该
29、电液伺服阀的输出流量与输入的电流信号大小成比例。改变输入电流信号的大小和极性，就可以改变电液伺服阀的输出流量的大小和方向。与喷嘴挡板式电液伺服阀相比，射流管式电液伺服阀的最大优点是抗污染能力强。据统计，在电液伺服阀出现的故障中，有80是由液压油的污染引起的，因而射流管式电液伺服阀的应用越来越广泛。9第9章 液压伺服系统 3.3.动圈式电液伺服阀动圈式电液伺服阀动圈式电液伺服阀主要有位置直接反馈式和电反馈式两种。图9-19所示为动圈位置直接反馈式电液伺服阀的结构原理图。它由左部电磁元件和右部液压元件组成。电磁元件为动圈式力矩马达，由永久磁铁3、导磁体4、左右复位弹簧7、调零螺钉1和带有线圈绕组的
30、动圈6组成。线圈绕组有两个，根据需要可将它们串联、并联或差动连接。动圈与一级阀芯8固定连接，并由其支撑在两导磁体形成的气隙5之中。当有电流通过线圈绕组时，动圈会带动一级阀芯移动，电流的方向不同，阀芯的移动方向也不同。液压元件是带有四条控制边的滑阀式液压伺服阀（即四通液压伺服阀）。液压伺服阀阀芯9（二级阀芯）是中空的，中间装有可随动圈左右移动的一级阀芯。9第9章 液压伺服系统 图 9-19 动圈式电液伺服阀 9第9章 液压伺服系统 当电液伺服阀无控制信号输入（动圈绕组无电流通过）时，在两复位弹簧作用下，动圈和一级阀芯处于某一特定位置。与此同时，液压源输入的液压油经二级阀芯上的左、右两固定节流孔1
31、3、14进入二级阀芯左、右端面处的控制腔11、16内，又穿过由一级阀芯的左、右凸台和二级阀芯左、右端面构成的可变节流口12、15进入一、二级阀芯之间形成的环形空间，经二级阀芯的径向孔流回油箱。由于二级阀芯处于浮动状态，在端面处的液压力作用下，一定会处于某一平衡位置，因此使得两可变节流口的开口相同，两端面控制腔内的液体压力相等。此时，二级阀芯的四条控制边应该正好将电液伺服阀的四个工作油口堵死，输出流量为零。否则，需要调节调零螺钉，达到该要求。该调节过程称为电液伺服阀的“调零”。9第9章 液压伺服系统 当电液伺服阀有控制信号输入（动圈绕组有电流通过）时，动圈受磁场力的作用而移动（假设向左），一级阀
32、芯被动圈拖动而左移，使左、右节流口开口分别增大和减小，左、右控制腔内的压力分别下降和上升，二级阀芯在压力差的作用下也跟随一级阀芯向左移动，直到左、右节流口的开度相等，又处于一个新的平衡位置为止。此时，PB，AT，伺服阀有液压油输出。若输入电流增大，阀口开启度也增大，输出流量便增大。若改变输入电流的方向，则会出现与上面相反的过程。该阀的特点是：结构紧凑，抗污染能力强，流量和压力增益高；但力矩马达的动圈与一级阀芯固定连接，惯性大，所以动态响应较低。9第9章 液压伺服系统 9.3.4 9.3.4 电液伺服阀的特性电液伺服阀的特性1.1.静态特性静态特性电液伺服阀的静态特性是指控制电流、负载流量与负载
33、压力三者之间的关系。它包括负载流量特性、空载流量特性、压力特性及泄漏特性等。1）负载流量特性负载流量特性表示在稳态工作时，输入电流i、负载流量qL和负载压力pL三者之间的关系，又称为压力流量特性。图9-20 所示为这一关系曲线，称为负载流量特性曲线。9第9章 液压伺服系统 图 9-20 负载流量特性曲线 9第9章 液压伺服系统 2）空载流量特性空载流量特性是指空载（负载压力pL0）时，输出流量与输入电流之间的关系，常用空载流量特性曲线来表示，如图9-21所示。理论上，空载流量与输入电流是线性关系，但实际上由于力矩马达的磁滞现象，空载流量特性曲线为一磁滞曲线。由此曲线可以得到电液伺服阀的几个重要
34、静态性能指标：9第9章 液压伺服系统 图 9-21 空载流量特性曲线9第9章 液压伺服系统(1)滞环。从图9-21 中可以看出，当输入电流改变方向时，空载流量特性曲线并不重合，而是形成一个滞环，这是由于摩擦力和磁滞等原因造成的。滞环常以曲线上同一流量下电流的最大差值Imax与阀的额定电流Ic max之比来表示。滞环越大，表明阀内摩擦力越大，磁滞现象也越严重，这是不理想的。9第9章 液压伺服系统(2)额定电流Ic max。它是指在正常工作状态下，输入力矩马达控制线圈的最大控制电流。它因线圈的连接方式不同而不同。一个力矩马达有两组线圈，可以有串联、并联、与伺服放大器差动连接等三种连接方式，如图9-
35、22所示。其中，图（a）为两线圈并联，其额定电流Ic max2imax，I为流过每一个线圈的控制电流；图（b）为两线圈串联，其额定电流Ic maximax；图（c）为差动连接，其额定电流Ic maximax，而ii1i2,是两个线圈的电流之差，简称差动电流。9第9章 液压伺服系统 图 9-22 控制线圈的接线方式(a)并联；(b)串联；(c)差动连接 9第9章 液压伺服系统(3)额定流量qe。它是指在额定电流下，电液伺服阀的最大空载流量。(4)流量增益。它是指输出流量随输入电流的变化率，也就是空载流量特性曲线的斜率。由于空载流量特性曲线不是直线，因而不同工作点处的流量增益是不等的。常取空载流量
36、特性曲线在原点附近某一范围内的平均斜率表示流量增益，称为名义流量增益，也可以用额定流量除以额定电流求出。此外，由曲线还可以确定非线性度、不对称度、零偏、零漂、分辨率等指标，可参考相关资料。9第9章 液压伺服系统 3）压力特性 压力特性指输出流量为零时，负载压力与输入电流之间的关系，又称压力增益特性，用压力特性曲线表示，如图9-23 所示。中间过O点的曲线为理想状态（无磁滞现象）下的压力特性曲线，而实际的压力特性曲线为两侧的两条曲线。由于磁滞现象的存在，当电流改变方向时，压力特性曲线并不重合。压力特性的最重要参数是压力增益，即输出流量为零时，负载压力随输入电流的变化率，也就是压力特性曲线的斜率。
37、通常把负载压力限定在最大负载压力的40之间，取压力特性曲线在该区域的平均斜率作为伺服阀的压力增益。压力增益大，表明阀的压力灵敏度高，有利于提高伺服系统的控制精度，但对系统的稳定性不利。新阀的压力增益大，表明阀的制造精度高；旧阀的压力增益大，表明使用后的磨损小。9第9章 液压伺服系统 图 9-23 压力特性曲线 9第9章 液压伺服系统 4）泄漏特性泄漏流量是输出流量为零时，由回油口流出的内部泄漏流量。图9-24所示为泄漏特性曲线。泄漏流量随输入电流而变化，当阀处于零位时为最大值。对于常用的两级伺服阀来说，泄漏量由前置级或第一级的泄漏量qp0和输出级泄漏量qc组成。qc与系统压力ps的比值可用来作
38、为滑阀的流量压力系数。9第9章 液压伺服系统 图 9-24 泄漏特性曲线9第9章 液压伺服系统 2.2.动态特性动态特性通常用频率特性来表示电液伺服阀的动态特性。当负载压力为零、输入电流为等幅变频的正弦波信号时，输出流量（一般用主阀芯的位移量代替流量）也按同频率的正弦规律变化，此时，输出流量的振幅比和频率的关系，以及输出流量与输入电流的相位差和频率的关系总称为频率特性。振幅比与频率的关系称为幅频特性，相位差与频率的关系称为相频特性，一般用实测曲线表示，如图 9-25 所示。9第9章 液压伺服系统 图 9-25 电液伺服阀的频率特性 9第9章 液压伺服系统 幅频特性曲线的纵坐标为振幅比，单位是“
39、分贝”（dB），振幅比的分贝数为20lg（A1/A0）。其中，A0为低频时输出流量的振幅（以A0作为比较振幅变化的标准，一般取56Hz作为基准低频），A1为某频率（应高于基准低频）下输出流量的振幅。横坐标为频率的对数值Hz。从图9-25 可以看出，振幅比的分贝数均为负值，并且随频率的增加，其值越负。这表明，频率越高，输出流量振幅值衰减得越大。相频特性曲线的纵坐标为相位差，即输出流量变化的相位角与输入电流变化的相位角的差值，横坐标仍为频率的对数值。从图9-25可看出，随频率增加，相位差增大。这表明，频率越高，输出流量变化的相位角滞后得越多。9第9章 液压伺服系统 1）幅频宽当输出电流振幅比的分贝
40、数为3 dB（即A10.7A0）时所对应的频率值称为幅频宽。例如，由图 9-25 可查出曲线1所代表的各阀的幅频宽约为80 Hz，曲线2所代表的各阀的幅频宽为100 Hz。幅频宽是衡量电液伺服阀动态响应速度的重要指标。幅频宽小，响应速度慢，将系统的灵敏度降低；反之，响应速度快，可提高系统灵敏度，但容易将外界高频干扰传往负载。9第9章 液压伺服系统 2）相频宽 输出流量与输入电流的相位差为90(即滞后角为90)时的频率值称为相频宽。例如，由图9-25 可查出曲线1所代表的各阀的相频宽约为90 Hz。与幅频宽一样，相频宽也是衡量电液伺服阀动态响应速度的指标，两者作用相同。频宽（幅频宽和相频宽统称频
41、宽）是衡量电液伺服阀动态特性的一个重要参数。为了使液压伺服系统有较好的性能，应有一定的频宽。但频带过宽，可能使电噪声和高频干扰信号传给系统，对系统工作不利。9第9章 液压伺服系统 9.3.5 电液伺服阀的选用电液伺服阀的选用 由于电液伺服阀具有控制精度高、响应速度快等优点，因此在工业设备、航天航空以及军事装备中获得了广泛的应用，它常用来实现电液位置、速度、加速度和力的控制。它的正确使用与否，直接影响到系统的性能及工作可靠性和寿命。电液伺服阀的选择和使用必须从静态特性、动态特性两方面来考虑。在静态方面，必须满足负载压力pL和负载流量qL的要求；在动态方面，既要动态品质好，又要能稳定工作。也就是说
42、，一方面动态响应速度应足够快，而不至于影响伺服系统的响应；另一方面又必须抑制不必要的高频干扰信号。9第9章 液压伺服系统 从静、动态特性两方面考虑，在选用电液伺服阀时，应遵循以下几个原则：(1)对于额定电流Ic max下的负载流量特性曲线必须包络所有的工作点，并且使，以保证有足够的流量和功率输送到液压执行元件中去，这就是估计伺服阀规格的基本因素。(2)空载流量特性曲线的线性度要好，也就是空载流量特性曲线应尽可能接近直线。要做到这一点，电液伺服阀的功率放大元件应选择矩形阀口的零开口滑阀式液压伺服阀。sL32pp 9第9章 液压伺服系统(3)压力灵敏度要高，即压力增益应足够大。在压力特性曲线上表现
43、为曲线应尽可能陡。要满足此要求，阀在关闭时的泄漏量应尽可能小。同类规格的伺服阀，其压力增益的差异在很大程度上反映了制造质量的差异，即阀芯凸肩与阀套配合密封状态的好坏。(4)内泄漏量应足够小。一般要求最大泄漏量不应超过额定流量的10，以防止不必要的功率损耗。内泄漏量不但是评价新阀质量好坏的指标，而且是评价旧阀在使用过程中磨损情况的指标。(5)频宽应适当，既满足伺服系统动态响应要求，又不致将高频干扰传到执行元件。9第9章 液压伺服系统(6)液压油的过滤精度应足够高。油液的污染可能会使阀口的工作棱边产生腐蚀性磨损；也可能堆积在阀芯与阀套的间隙中，使阀芯被粘住，增大摩擦力，还会堵塞喷口、节流口等。一般
44、推荐进入电液伺服阀的油液至少需要经过 8 m的过滤器来过滤。(7)为防止使用中主阀芯的液压卡紧，减小阀芯运动时的摩擦力，可设法使阀芯在工作中不停地高频小幅振动。最简单的方法就是在输入主控制信号之外，再加入一个交变电流信号使阀芯的衔铁抖动，从而引导阀芯抖动。(8)为了改善伺服系统的动态性能，一般要尽量缩短阀和执行元件之间的连接管道。常将阀直接固定在执行元件上，这时要注意阀的外形尺寸是否妨碍到机器的布局。9第9章 液压伺服系统 图 9-26 伺服阀的应用情况 9第9章 液压伺服系统 9.4 典型液压伺服系统实例典型液压伺服系统实例 9.4.1 9.4.1 机液伺服系统机液伺服系统1.1.车床仿形刀
45、架液压伺服系统车床仿形刀架液压伺服系统在车床上，利用液压仿形刀架可以仿照样件（或样板）的形状自动加工出多台肩的轴类零件或曲线轮廓的旋转表面，从而大大提高劳动生产率和减轻劳动强度。图 9-27 所示表示一个装在卧式车床上的液压仿形刀架的原理图。9第9章 液压伺服系统 图 9-27 车床液压仿形刀架原理图 9第9章 液压伺服系统 仿形刀架工作时，压力油从液压泵9经过过滤器10通入伺服阀的通道f并分两路：一路不经节流进入油路a至液压缸前腔A，液压缸前腔A的油压始终等于液压泵的供油压力p1（由溢流阀8调整），在工作过程中是不变的；另一路经节流缝隙1至环槽b，再进入油路c至液压缸后腔B，同时压力油从环槽
46、b和节流缝隙2进入油路e而回油箱。可以看出，液压缸后腔B一方面通过缝隙1和进油相通，另一方面又通过缝隙2和油箱相通,因此，液压缸后腔B中的压力p2 就由节流缝隙1和2的比例关系来决定。9第9章 液压伺服系统 车削圆柱面时，触头6沿样件7的圆柱表面滑动，这时滑阀11不动，节流缝隙1和2保持某一比例关系，使得液压缸后腔B中压力油的作用力能和液压缸前腔A中压力油的作用力以及车刀13处沿液压缸轴向的切削分力互相平衡。如果车刀上所受到的沿液压缸轴向的切削分力为F（N），液压缸前腔A的有效工作面积为A1（m2），压力为p1（Pa），液压缸后腔B的有效工作面积为A2（m2），压力为p2（Pa），并且忽略摩擦
47、力，则作用力的平衡关系可以用下式来表示：p1A1p2A2F 9第9章 液压伺服系统 图 9-28 进给运动合成示意图 9第9章 液压伺服系统 2.汽车转向液压助力器汽车转向液压助力器为了减轻驾驶员操作方向盘的体力劳动，提高汽车的转向灵活性，在汽车上常采用转向液压助力器，这种液压助力器也是一种机液伺服位置控制系统。图9-29 所示是转向液压助力器的工作原理图。它主要由液压缸和控制滑阀两部分组成。液压缸活塞1的右端通过铰链固定在汽车车架上，液压缸缸体2和控制滑阀阀体连在一起，形成负反馈，由方向盘5通过摆杆4控制滑阀阀芯3移动。当缸体前后移动时，通过转向梯形机构6等控制车轮向左或向右偏转，从而操纵汽
48、车转向。控制滑阀的阀芯和阀体做成负开口。9第9章 液压伺服系统 图 9-29 转向液压助力器工作原理图 9第9章 液压伺服系统 9.4.2 9.4.2 电液伺服系统电液伺服系统1.1.机械手伸缩运动伺服系统机械手伸缩运动伺服系统一般机械手能实现伸缩、回转、升降和手腕的动作，每一个动作都是由液压伺服系统驱动的，其原理相同。这里只介绍机械手伸缩运动伺服系统的工作原理。9第9章 液压伺服系统 图9-30所示为机械手伸缩运动电液伺服系统原理图。它主要由电液伺服阀1、液压缸2、活塞杆带动的机械手手臂3、齿轮齿条机构4、电位器5、步进电动机6和放大器7等元件组成，它是电液位置伺服系统。当电位器的触头处于中
49、位时，触头上没有电压输出。当它偏离这个位置时，由于产生了偏差就会输出相应的电压。电位器触头产生的微弱电压，经放大器放大后对电液伺服阀进行控制。电位器触头由步进电动机带动旋转，步进电动机的角位移和角速度由数字控制装置发出的脉冲数和脉冲频率控制。齿条固定在机械手手臂上，电位器壳体固定在齿轮上，所以当手臂带动齿轮转动时，电位器壳体同齿轮一起转动，形成负反馈。9第9章 液压伺服系统 图 9-30 机械手伸缩运动电液伺服系统原理 9第9章 液压伺服系统 机械手伸缩运动伺服系统的工作原理是：由数字控制装置发出一定数量的脉冲，使步进电机带动电位器5的动触头转过一定的角度（假定为顺时针方向转动），动触头偏离电
50、位器中位，产生微弱电压，经放大器7放大后，输入给电液伺服阀1的控制线圈，使伺服阀产生一定的开口量。这时压力油经阀的开口进入液压缸的左腔，推动活塞连同机械手手臂一起向右移动；液压缸右腔的回油经伺服阀流回油箱。由于齿轮和机械手手臂上齿条相啮合，因而手臂向右移动时，电位器随着作顺时针方向转动。当电位器的中位和触头重合时，偏差为零，则动触头输出电压为零，电液伺服阀失去信号，阀口关闭，手臂停止移动。手臂移动的行程决定于脉冲数量，速度决定于脉冲频率。当数字控制装置发出反向脉冲时，步进电动机逆时针方向转动，手臂缩回。9第9章 液压伺服系统 2.2.带材跑偏控制系统带材跑偏控制系统在带状材料生产过程中，机械卷
