第四章电液伺服阀

第4章 电液伺服阀

主讲：邓晓刚单位：机械工程学院机械电子教研室1

前言液压控制阀是液压控制系统中的重要元件， 它在液压控制系统中起到了信号转换、功率 放大及控制作用。本章主要介绍电液伺服阀 的工作原理、分类，永磁力矩马达、电液伺 服阀的动态分析及电液伺服阀的性能及其规 格选择等问题。要求熟练掌握电液伺服阀的 工作原理及其动态特性分析，熟悉电液伺服 阀的选择。

4.1 电液伺服阀结构、分类及工作原理4.1.1 电液伺服阀的结构与功能 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。 控制精度高，响应速度快。 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 主要功能：信号转换、功率放大、伺服控 制3

基本结构图控制信号电气元件

电液伺服阀

液压执行元件

负载

反馈检测元件

(a)电液控制系统职能方框图电信号

力矩马达

力-位移转换器

前置级功率放大器

功率级液压放大器

流量、压力

(b)电液伺服阀基本结构图

4.1.2 电液伺服阀的分类 伺服阀可分为单级、两级、三级伺服阀。阀流量 较大时，采用两级或三级电液伺服阀的形式。包 括液压前置级和功率级– 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

单级伺服阀主要由滑阀、力矩马达构成。力矩马 达直接驱动滑阀运动。– 动铁式单级伺服阀 – 动圈式单级伺服阀5

单级电液伺服阀结构简图力矩马达(或力马达):将电气信号转换为力矩或力液压放大器：控制流向液压执行机构的流量或压力

特点：– 结构简单，价格低。 – 力矩马达功率小。工作时可能出现不稳定。N S

ps

p0

xv A B

(a)动铁式6

(b)动圈式

两级电液伺服阀 这是最常用的电液伺服阀。 具有液压前置放大器，将力矩马达输出放大，以 克服滑阀承受的较大液动力、粘性力和质量力。 按反馈形式不同，分为位置反馈、负载压力反馈 和负载流量反馈三种。QL

i

QL

QL

动画

i

i

ps PL7

(a)位置反馈

ps PL (b)负载压力反馈

ps PL(c)负载流量反馈

位置反馈电液伺服阀结构简图 根据伺服阀芯位置感受方式不同，位置反 馈两级电液伺服阀分为：不常用

8

(a)直接反馈

(b)力反馈

(c)弹簧对中

4.1.3 电液伺服阀工作原理 1、单级电液伺服阀原理N S

ps

p0

xv

力矩马达在输入电流作用下产生偏转，直接 推动阀芯运动，打开节流口，输出流量、压 力，直接控制负载运动。 缺点：输出流量有限；稳定性不可靠，通常 取决

于负载的动态特性。9

A

B

2、两级电液伺服阀的工作原理 两级电液伺服阀克服了单级伺服阀流量受 限制和工作不稳定的缺点。 根据反馈形式不同，分位置反馈、负载压 力反馈和负载流量反馈三种。位置反馈最 为常见。 位置反馈又分直接反馈、力反馈和弹簧对 中电液伺服阀。前两种最为常见。

直接反馈两级电液伺服阀N

永久磁铁

S

导磁体挡板、喷嘴

N

永久磁铁

i1 i2xf

a

i1 i2xf

r

xv

p2 p V0 pQL QL ps 供油 p2 V0

p1 p V0 p

阀芯固定节流口pc1 V0 p

bQL QL

回油

p1 V0

ps 供油

ps 供油

p1V0

回油

马达11

马达

导磁体 力反馈两级电液伺服阀 a挡板、喷嘴

N

永久磁铁

S

N

永久磁铁

S

导磁体挡板、喷嘴

i1 i2xf

a

xf

r

xv

r

xv反馈弹簧

p1 p V0 pQL QL p2 V0

阀芯固定节流口pc1 V0 p

bQL QL

阀芯pc 2 V0 p

回油

p1 V0

ps 供油

ps 供油

p1V0

p2

回油

V0

ps 供油

马达

动画

马达

4.2 动铁式永磁力矩马达 力矩马达是电液伺服阀的输入级。起到前置 放大的作用，电气-机械转换装置。 力矩马达分类– 可动件运动形式：直线位移式(力马达)、角位 移式(力矩马达) – 可动件结构形式：动铁式(衔铁)、动圈式(控 制线圈) – 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)13

4.2.1 概述

g

xNa

永久磁铁

eg 推挽输出直 流放大器

e1 e2

rpEbb i1 Zb i2

N

S

导磁体

扭簧支轴

rp

N

S

S衔铁、线圈

动铁式力矩马达组成如图。衔铁被安装在磁场气隙中， 两个导磁体被磁化。永磁体、导磁体构成磁路。当电流 通过控制线圈，产生通过衔铁的磁通，改变了通过四个 气隙的磁通量，产生力矩，带动衔铁绕轴心或弹簧管中 心转动，与弹性支承力矩平衡，衔铁输出一个角位移。 特点：衔铁惯性小，弹簧管刚度大，动态响应快。但受 磁滞影响大，输出线性度差。因此衔铁位移量很小。14

4.2.2 动铁式力矩马达基本方程 本节研究力矩马达的输出在控制输入电流作用下 的动态特性。g

x

永久磁铁

eg 推挽输出直 流放大器

e1 e2

rpEbb i1 Zb i2

N

Na

S

导磁体

扭簧支轴

rp

N

S

S衔铁、线圈

d a 2 eg Rc rp i 2 N c dt15

力矩马达磁路原理图d 2 d K t i K m J a Ba K a TL dt dt 拉氏变换后： 2 K t I J a s Ba s K a K m TL衔铁力矩平衡方程：

负弹簧

N p 21 a4 2

N p 2

p

N

1 M0

R1

1 4R2

aNc i

2

R2

2 1

3

S16

S(a)磁路原理图

3R1

S

2

(b)等效磁路原理图