液压伺服控制技术和电液比例控制技术

第九章  液压伺服控制技术和电液比例控制技术

第一节  液压伺服控制

http://www1.gdou.edu.cn/gcxy/yykj/yeyakejian/09/0901.htm

    液压伺服系统是一种采用液压伺服机构，根据液压传动原理建立起来的自动控制系统。在这种系统中，执行元件的运动随着控制机构信号的改变而改变。因此液压伺服控制系统又称为随动系统。

    伺服阀是液压伺服系统中的重要元件，它是一种通过改变输入信号，连续的、成比例的控制流量、压力的液压控制阀。根据输入信号的方式不同，又分为电液伺服阀和机液伺服阀两大类。

一、             电液伺服阀

电液伺服阀是一种将小功率模拟量电控制信号转换为大功率液压能输出，以实现对执行元件的位移、速度、加速度及力的控制的伺服阀。电液伺服阀可分为“流量伺服阀”和“力伺服阀”两类。由于电液伺服阀应用比较广泛，通常又简称为伺服阀。

（一）电液伺服阀的组成

图9-1 电液伺服阀的基本组成

电液伺服阀的结构和类型很多，但是都是由电-机械转换器、液压放大器和反馈装置所构成，如图9-1所示。其中电－机械转换器是将电能转换为机械能的一种装置，根据输出量的不同分为力马达（输出直线位移）和力矩马达（输出转角）；液压放大器是实现控制功率的转换和放大。由前置放大级和功率放大级组成，由于电－机械转换器输出的力或力矩很小，无法直接驱动功率级，必须由前置放大级先进行放大。前置放大级可以采用滑阀、喷嘴挡板阀或射流管阀，功率级几乎都采用滑阀。反馈装置即可以解决滑阀的定位问题，又可使整个阀变成一个闭环控制系统，从而具有闭环控制的全部优点。

（二）电液伺服阀的工作原理

图9-2电液伺服阀的结构原理图

1-永久磁铁2、4－导磁体3－铁5－挡板6－喷嘴7－固定节流孔8－过滤油器9－滑阀10－弹簧管11－线圈

图9-2所示为电液伺服阀的结构原理图、喷嘴挡板阀动画。它由力矩马达、喷嘴挡板式液压前置放大级和四边滑阀功率放大级等三部分组成。衔铁3与挡板5连接在一起，由固定在阀座10上的弹簧管11支撑着。挡板5下端为一球头,嵌放在滑阀9的凹槽内，永久磁铁1和导磁体2、4形成一个固定磁场，当线圈12中没有电流通过时，导磁体2、4和衔铁3间四个气隙中的磁通都是Φ_g，且方向相同，衔铁3处于中间位置。当有控制电流通入线圈12时，一组对角方向的气隙中的磁通增加，另一组对角方向的气隙中的磁通减小，于是衔铁3就在磁力作用下克服弹簧管11的弹性反作用力而偏转一角度，并偏转到磁力所产生的转矩与弹性反作用力所产生的反转矩平衡时为止。同时，挡板5因随衔铁3偏转而发生挠曲，改变了它与两个喷嘴6间的间隙，一个间隙减小，另一个间隙加大。

通入伺服阀的压力油经过滤器8、两个对称的节流孔7和左右喷嘴6流出，通向回油。当挡板5挠曲，出现上述喷嘴--挡板的两个间隙不相等的情况时，两喷嘴后侧的压力就不相等，它们作用在滑阀9的左、右端面上，使滑阀9向相应方向移动一段距离，压力油就通过滑阀9上的一个阀口输向液压执行机构，由液压执行机构回来的油则经滑阀9上的另一个阀口通向回油。滑阀9移动时，挡板5下端球头跟着移动。在衔铁挡板组件上产生了一个转矩，使衔铁3向相应方向偏转，并使挡板5在两喷嘴6间的偏移量减少，这就是反馈作用。反馈作用的后果是使滑阀9两端的压差减小。当滑阀9上的液压作用力和挡板5下端球头因移动而产生的弹性反作用力达到平衡时，滑阀9便不再移动，并一直使其阀口保持在这一开度上。

通入线圈12的控制电流越大，使衔铁3偏转的转矩、挡板5挠曲变形、滑阀9两端的压差以及滑阀9的偏移量就越大，伺服阀输出的流量也越大。由于滑阀9的位移、喷嘴6与挡板5之间的间隙、衔铁3的转角都依次和输入电流成正比，因此这种阀的输出流量也和电流成正比。输入电流反向时，输出流量也反向。滑阀式伺服阀动画

（三）液压放大器的结构形式

液压放大器的结构形式有滑阀、喷嘴—挡板阀和射流管阀三种。

1．滑阀

根据滑阀上控制边数(起控制作用的阀口数)的不同，有单边、双边和四边滑阀控制式三种结构类型。如图9-3所示。

图9-3a单边（二通伺服阀）

图9-3a为单边控制式滑阀。它有一个控制边a（可变节流口），有负载口和回油口二个通道，故又称为二通伺服阀。x为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。压力油进入液压缸的有杆腔，通过活塞上的阻尼小孔e进入无杆腔，并通过滑阀上的节流边流回油箱。当阀芯向左或向右移动时，阀口的开口量增大或减小，这样就控制了液压缸无杆腔中油液的压力和流量，从而改变液压缸运动的速度和方向。

图9-3b 双边（三通伺服阀）

图9-3b为双边控制滑阀。它有两个控制边a、b（可变节流口）。有负载口、供油口和回油口三个通道，故又称为三通伺服阀。压力油一路直接进入液压缸有杆腔；另一路经阀口进入液压缸无杆腔并经阀口流回油箱。当阀芯向右或向左移动时，x₁增大x₂减小或x₁减小x₂增大，这样就控制了液压缸无杆腔中油液的压力和流量，从而改变液压缸运动的速度和方向。

以上两种形式只用于控制单杆的液压缸。

图9-3c四边（四通伺服阀）

图9-3c为四边控制滑阀、四边控制滑阀动画。它有四个控制边a、b、c、d（可变节流口）。有两个负载口、供油口和回油口四个通道，故又称为四通伺服阀。其中a和b是控制压力油进入液压缸左右油腔的，c和d是控制液压缸左右油腔回油的。当阀芯向左移动时，x₁ 、x₄减小，x_2、x₃增大，使p₁迅速减小，p₂迅速增大，活塞快速左移 。反之亦然。这样就控制了液压缸运动的速度和方向。这种滑阀的结构形式即可用来控制双杆的液压缸，也可用来控制单杆的液压缸。

由以上分析可知，三种结构形式滑阀的控制作用是相同的。四边滑阀的控制性能最好，双边滑阀居中，单边滑阀最差。但是单边滑阀容易加工、成本低，双边滑阀居中，四边滑阀工艺性差加工困难，成本高。一般四边滑阀用于精度和稳定性要求较高的系统；单边和双边滑阀用于一般精度的系统。

图9-4滑阀在零位时的开口形式

a 负开口（t>h）、b 零开口（t=h）、c 正开口（t<h）

图9-4为滑阀在零位时的几种开口形式，图9-4a为负开口（正遮盖）、图9-4b为零开口（零遮盖）、图9-4c为正开口（负遮盖）。

2．射流管阀

图9-5 射流管阀

1－液压缸 2－接受器 3－射流管

如图9-5所示，射流管阀由射流管3、接受板2和液压缸1组成，射流管3由垂直于图面的轴c支撑并可绕轴左右摆动一个不大的角度。接受板上的两个小孔a和b分别和液压缸1的两腔相通。当射流管3处于两个接受孔道a、b的中间位置时，两个接受孔道a、b内的油液的压力相等，液压缸1不动；如有输入信号使射流管3向左偏转一个很小的角度时，两个接受孔道a、b内的压力不相等，液压缸1左腔的压力大于右腔的，液压缸1向右移动，反之亦然。

射流管的优点是结构简单、加工精度低、抗污染能力强。缺点是惯性大响应速度低、功率损耗大。因此这种阀只适用于低压及功率较小的伺服系统。

3．喷嘴挡板阀

图9-6 双喷嘴挡板阀

1－挡板 2、7固定节流小孔 3、6－喷嘴 4、5－节流缝隙

喷嘴挡板阀因结构不同分单喷嘴和双喷嘴两种形式，两者的工作原理相似。图9-6所示为双喷嘴挡板阀的原理图。它主要由挡板1、喷嘴3和6、固定节流小孔2、7和液压缸等组成。压力油经过两个固定阻尼小孔进入中间油室再进入液压缸的两腔，并有一部分经喷嘴挡板的两间隙4、5流回油箱。当挡板处于中间位置时，液压缸两腔压力相等，液压缸不动；当输入信号使挡板向左移动时，节流缝隙5关小，4开大，液压缸向左移动。因负反馈的作用，喷嘴跟随缸体移动直到挡板处于两喷嘴的中间位置时液压缸停止运动。建立起一种新的平衡。   

喷嘴挡板阀的优点是结构简单、加工方便、运动部件惯性小、反应快、精度和灵敏度较高。缺点是无功损耗大、抗污染能力较差、常用于多级放大式伺服元件中的前置级。

（四）电液伺服阀在闭环液压控制系统中的应用实例

图9-7带钢恒张力控制系统

1－张力调节液压缸2－牵引辊3－热处理炉4、4’－转向辊5－力传感器6－浮动阀7－电液伺服阀8－加载装置9－电放大器

在带钢生产过程中，要求控制带钢的张力。图9-7所示为带钢恒张力控制系统，牵引辊2牵引带钢移动，加载装置8使带钢保持一定的张力。当张力由于某种干扰发生波动，通过设置在转向辊4’轴承上的力传感器5检测带钢的张力，并和给定值进行比较，得到偏差值，通过电放大器9放大后，控制电液伺服阀7，进而控制输入液压缸1的流量，驱动浮动辊6来调节张力，使张力回复到原来给定之值。

二、机液伺服阀

机液伺服阀的工作原理与电液伺服阀基本相同，不同点是电液伺服阀的输入信号是通过力（力矩）马达产生的，而机液伺服阀的输入信号为机动或手控的位移。

    机液伺服阀广泛应用于仿形加工和车辆的转向系统，下面以这两类系统为例说明机液伺服系统的工作原理。

（一）液压仿形刀架

车床液压仿形刀架是由位置控制机—液伺服系统驱动，按照样件（靠模）的轮廓形状，对工件进行仿形车削加工的装置。用这种仿形刀架对工件进行加工时，只要先用普通方法加工一个样件，然后用这个样件就可以复制出一批零件来。它不但可以保证加工的质量，生产率高，而且调整简单，操作方便，因此在批量车削加工中（尤其是对特形面的加工）被广泛地采用。

图9-8 车床液压仿行刀架

1－工件2－车刀3－刀架4－创身导轨5－溜板6－缸体7－阀体8－杠杆9－杆10－伺服阀心11－触销12－靠模

图9-8为某车床上液压仿形刀架的示意图。液压仿形刀架倾斜安装在车床溜板5的上面，工作时，随溜板作纵向运动。靠模12安装在床身支架上固定不动。仿形刀架液压缸的活塞杆固定在刀架的底座上，缸体6、阀体7和刀架3连成一体，可在刀架底座的导轨上沿液压缸轴向移动。伺服阀心10在弹簧的作用下通过杆9使杠杆8的触销11紧压在靠模上。

车削圆柱面时，溜板沿床身导轨4纵向移动。杠杆触销在靠模上方AB段内水平滑动，伺服阀阀口不打开，没有油液进入液压缸，整个仿形刀架只是跟随拖板一起纵向移动，车刀在工件1上车削出A^，B^，段圆柱面。

车削圆锥面时，溜板仍沿床身导轨4纵向移动，触销沿靠模BC段滑动，杠杆向上偏摆，从而带动阀心上移，打开阀口，压力油进入液压缸上腔，液压缸下腔油液流回油箱，液压力推动缸体连同阀体和刀架一起沿液压缸轴线方向向上运动。此两运动的合成就使刀具在工件上车出B^，C^，段圆锥面。

其它曲面形状或凸肩也都是在这样的合成运动下，由刀具在工件上仿形加工出来的。仿形加工结束时，通过电磁阀（图中未画出）使杠杆抬至最上方位置，这时伺服阀阀芯上移，压力油进入液压缸上腔，其下腔的油液通过伺服阀流回油箱，仿形刀架快速退回原位。

（二）滑阀式液压伺服转向机构 

图9-9转向液压助力器

1－活塞2－缸体3－阀心4－摆杆5－方向盘6－转向连杆机构

为减轻司机的体力劳动，通常在机动车辆上采用转向液压助力器。这种液压助力器是一种位置控制的液压伺服机构。图9-9是转向液压助力器的原理图，它主要由液压缸和控制滑阀两部分组成。液压缸活塞杆1的右端通过铰销固定在汽车底盘上，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通过杆4控制滑阀阀芯3的移动。当缸体2前后移动时，通过转向连杆机构6等控制车轮偏转，从而操纵汽车转向。当阀芯3处于图示位置时，各阀口均关闭，缸体2固定不动，汽车保持直线运动。由于控制滑阀采用负开口的形式，故可以防止引起不必要的扰动。当旋转方向盘，假设使阀芯3向右移动时，液压缸中压力p₁减小，p₂增大，缸体也向右移动，带动转向连杆6向逆时针方向摆动，使车轮向左偏转，实现左转弯，反之，缸体若向左移就可实现右转弯。

实际操作时，方向盘旋转的方向和汽车转弯的方向是一致的。为使驾驶员在操纵方向盘时能感觉到转向的阻力，在控制滑阀端部增加两个油腔，分别与液压缸前后腔相通（见图9-9），这时移动控制滑阀芯时所需要的力就和液压缸的两腔压力差（△p=p₁-p₂）成正比，因而具有真实感。