電液伺服閥
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-07-26
電液伺服閥的實(shí)例教程
英文作者：Andrew Plummer，巴斯大學(xué)（Universityof Bath）
中文譯校：騰益登
* 建議閱讀時(shí)間：20~30mins*
摘要
到2016年為止，第一個(gè)關(guān)于兩級(jí)電液伺服閥的專利已經(jīng)過去了70年，而雙噴嘴擋板伺服閥專利的授權(quán)也過去了60年。本篇文章主要回顧在那個(gè)時(shí)代關(guān)于伺服閥的一些設(shè)計(jì)，特別兩級(jí)電液伺服閥。單級(jí)閥，也就是直動(dòng)式或者比例閥的發(fā)展，在工業(yè)上而不是航空方面的應(yīng)用，也做了簡(jiǎn)單回顧。接著，討論了目前關(guān)于伺服閥技術(shù)的一些研究，特別是壓電驅(qū)動(dòng)以及增材制造。
1. 介紹
伺服閥是閉環(huán)電液運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要元件?！?em>伺服閥”是指主閥芯位置與電信號(hào)成比例，而閥芯運(yùn)動(dòng)是由內(nèi)部液動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的。閥芯的運(yùn)動(dòng)改變節(jié)流口的大小，因此控制了流量；然而，流量取決于節(jié)流口壓差，除非使用了壓力補(bǔ)償器。最常見的伺服閥設(shè)計(jì)就是帶機(jī)械反饋的兩級(jí)噴嘴擋板伺服閥（圖1）。
圖1 兩級(jí)噴嘴擋板伺服閥
主要元件有：
力矩馬達(dá)作為電氣與機(jī)械的轉(zhuǎn)換器，由彈簧管支撐，其無摩擦偏轉(zhuǎn)，隔離了力矩馬達(dá)與液壓油（圖2a）。
擋板由力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可以限制通過噴嘴的流量（圖2b）；擋板行程~0.1mm。也可以用單個(gè)噴嘴（圖2c），其只能用于調(diào)節(jié)閥芯一側(cè)的壓力。但是由于液動(dòng)力的不平衡，其對(duì)力矩馬達(dá)有更高的要求。
第一級(jí)形成H型液壓橋式回路，其中一對(duì)噴嘴是可變節(jié)流器，當(dāng)擋板偏轉(zhuǎn)的時(shí)候，會(huì)在閥芯兩端產(chǎn)生壓差。
反饋彈簧桿帶動(dòng)閥芯移動(dòng)（行程大約~1mm），直到擋板的反饋力與力矩馬達(dá)的力相平衡，擋板將再回到中心位置。
圖2 噴嘴擋板先導(dǎo)級(jí)元件
伺服閥既是一個(gè)功率放大器，也是一個(gè)電氣與液壓的轉(zhuǎn)換器。
展開 電液伺服閥的動(dòng)態(tài)特性一般用頻率響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)表示，因?yàn)樗矐B(tài)響應(yīng)比較簡(jiǎn)單，此處不討論。
伺服閥動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，當(dāng)改變輸入信號(hào)的頻率，輸出信號(hào)也將出現(xiàn)幅值和相位的變化。頻率響應(yīng)特性就是頻率響應(yīng)的幅值和相位與諧波輸入頻率ω的關(guān)系特性，包括幅頻特性和相頻特性。
兩個(gè)概念：幅值比和相位差
幅值比
在某一指定的頻率值下輸出流量與輸入電流的振幅比A1，除以基準(zhǔn)低頻時(shí)輸出流量與輸入電流的振幅比Ao0，即為該指定頻率時(shí)的幅值比A1/Ao。常以1~10Hz作為基準(zhǔn)低頻。幅值比A1/Ao是無因次量，通常取20lg(A1l/Ao)的值來衡量幅值比，201g(A1/Ao)的單位為dB。
頻寬
頻寬即A1/Ao=0.707，或20lg(A1/Ao0)=－3dB時(shí)的頻率值。
一般規(guī)定A1由Ao下降3dB時(shí)的頻率(即輸出流量為基準(zhǔn)頻率時(shí)輸出流量的70.7%) 為系統(tǒng)的截止頻率。它表示超出此頻率后, 輸出就急劇衰減, 跟不上輸入。在此截止頻率處，近似幅頻伯德圖與精確值最大誤差約-3dB。
相位差
輸入電流及輸出流量作正弦變化時(shí)，輸出與輸入的相位差。即輸出與輸入之間不會(huì)完全同步，存在滯后現(xiàn)象。
相頻寬
輸出流量與輸入電流的相位差為滯后90°時(shí)的頻率值。
關(guān)于伯德圖的繪制
幅頻特性和相頻特性的橫坐標(biāo)w均用以10為底的對(duì)數(shù)值分度，但需要注意習(xí)慣標(biāo)識(shí)。
如何查看伺服閥樣本上的頻率響應(yīng)曲線
在選擇伺服閥時(shí)，我們必須根據(jù)質(zhì)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)要求，選擇合適頻寬的伺服閥。頻寬值越大，閥響應(yīng)越快。但是，并不意味著我們?cè)谶x用伺服閥的時(shí)候，一味的選擇高頻響的伺服閥，因?yàn)檫@意味此類閥會(huì)有更高的制造精度和成本，而對(duì)系統(tǒng)來說并不經(jīng)濟(jì)。
展開 分析電液比例伺服閥的特點(diǎn)及電液比例伺服閥控變量泵容積調(diào)速的原理。利用AMESim 軟件，建立比例伺服閥控變量泵容積調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。利用該模型對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明: 該調(diào)速系統(tǒng)具有很好的速度跟蹤特性、較小的速度超調(diào)量、較高的速度控制精度以及較好的系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。
009-電液比例伺服控制容積調(diào)速系統(tǒng)仿真研究.rar
B型半橋
B型半橋在液壓元件，尤其是液壓閥中，應(yīng)用最為廣泛。
一個(gè)B型半橋——單噴嘴擋板閥
兩個(gè)B型半橋——雙噴嘴擋板閥
蓋板式插裝溢流閥：外控油經(jīng)過x口，再經(jīng)過節(jié)流孔到達(dá)插裝閥上端容腔，上端容腔和溢流閥并聯(lián)。溢流閥相當(dāng)于可變節(jié)流口。插裝閥上端容腔即為負(fù)載腔。
先導(dǎo)式溢流閥：油液經(jīng)過節(jié)流孔達(dá)到主閥芯上腔，上腔和先導(dǎo)閥芯閥座并聯(lián)。先導(dǎo)閥芯閥座即為可變節(jié)流口。主閥上腔為負(fù)載腔。典型的B型半橋。
C型半橋
伺服閥單腔使用，手動(dòng)可調(diào)節(jié)流閥與負(fù)載腔并聯(lián)，節(jié)流閥出口回油。對(duì)負(fù)載進(jìn)行控制之前，通過調(diào)節(jié)手動(dòng)節(jié)流閥，可對(duì)回油液阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)負(fù)載壓力特性曲線的起始點(diǎn)和斜率進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)壓力特性曲線的起始點(diǎn)和斜率調(diào)節(jié)完畢，節(jié)流閥便不再動(dòng)，使其開口保持不變；此時(shí)通過調(diào)節(jié)伺服閥指令信號(hào)，來改變伺服閥開度，進(jìn)而對(duì)負(fù)載進(jìn)行壓力控制。
實(shí)測(cè)曲線如下：
圖中，橫軸為指令信號(hào)，測(cè)試范圍為4-20mA；縱軸為負(fù)載腔壓力，單位為bar。左圖中，系統(tǒng)供油壓力為8bar。右圖中，系統(tǒng)供油壓力為14bar。
測(cè)試時(shí)，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口，可以設(shè)定壓力特性曲線的初始值，再結(jié)合調(diào)節(jié)伺服閥的零位，可對(duì)壓力特性曲線的斜率進(jìn)行調(diào)節(jié)。在4-20mA的信號(hào)范圍內(nèi)，可以獲得0bar到系統(tǒng)供油壓力之間的任意控制壓力。
從圖中可以看出，壓力滯環(huán)非常小，不到1%；而且控制精度很高，可達(dá)0.1bar。
D型半橋
D型半橋用得不多，暫時(shí)未到實(shí)例。
展開 現(xiàn)在電液伺服系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)要求越來越高。動(dòng)態(tài)一般是看階躍響應(yīng)曲線和伯德圖。階躍響應(yīng)是考察時(shí)域特性，伯德圖是考察頻域特性。
階躍響應(yīng)包括兩個(gè)重要指標(biāo)：上升時(shí)間和超調(diào)量
伯德圖也包括兩個(gè)重要指標(biāo)：-3DB對(duì)應(yīng)的帶寬和諧振
一般的電液系統(tǒng)都可以看成二階震蕩系統(tǒng)，對(duì)于二階系統(tǒng)，當(dāng)阻尼系數(shù)＜0.707時(shí)，頻域的震蕩指標(biāo)Mr（諧振峰值）和時(shí)域的阻尼系數(shù)可以互相換算（以前公眾號(hào)文章講過多次）。今天舉幾個(gè)例子，有個(gè)直觀感受。
有些朋友可能會(huì)疑惑，為什么調(diào)節(jié)系統(tǒng)PID參數(shù)，當(dāng)P值變大時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量會(huì)增加？根據(jù)上面公式，說明此時(shí)系統(tǒng)的阻尼系數(shù)變小了。為什么會(huì)變小呢？
公式推導(dǎo)太復(fù)雜，也非常無趣，以最簡(jiǎn)單的單位負(fù)反饋為例子：
直接看結(jié)果，當(dāng)P值增加時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)總增益K增加，此時(shí)系統(tǒng)的阻尼系數(shù)變小。自然固有頻率增加。系統(tǒng)響應(yīng)變快，自然容易震蕩和超調(diào)。
下面看幾個(gè)例子：
例一：階躍響應(yīng)超調(diào)小時(shí)（藍(lán)色曲線），諧振峰值也小（伯德圖中+0.2db）：
例二：階躍響應(yīng)超調(diào)大時(shí)（藍(lán)色曲線），諧振峰值也大（伯德圖中+1.1db）：
展開 
電液伺服閥的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
電液伺服閥的最新內(nèi)容
[2]姚坤杉.基于電液伺服閥的液壓系統(tǒng)控制器的研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué),2019.
文章來源中國(guó)機(jī)械雜志
增壓由增壓蓄能器 3 和增壓器 2 實(shí)現(xiàn)，由于實(shí)時(shí)壓射控制系統(tǒng)要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)具備快速的響應(yīng)能力，所以液壓閥選用電液伺服閥。壓射過程一般分為壓射階段、增壓階段和保壓階段 3 個(gè)階段，其工作原理如下。
伺服液壓系統(tǒng)物理層可被分解為電磁閥、電液伺服閥、模態(tài)選擇閥、壓力傳感器等，根據(jù)指令類型，通過各種閥對(duì)進(jìn)回油及油壓的控制，實(shí)現(xiàn)活塞的伸出和收回，從而實(shí)現(xiàn)方向舵偏轉(zhuǎn)。
FORM+TEST這個(gè)曾經(jīng)的小企業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展成為國(guó)際公認(rèn)的測(cè)試機(jī)械制造商。 E. Seidner的老公司已經(jīng)被管理層和一個(gè)忠誠(chéng)的員工團(tuán)隊(duì)重組為FORM+TEST一家現(xiàn)代化的測(cè)試系統(tǒng)公司。 有了最先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，我們可以實(shí)現(xiàn)甚至最嚴(yán)格的愿望和要求，由科學(xué)和工業(yè)的高質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng)。 FORM+TEST有最先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，我們可以實(shí)現(xiàn)甚至最嚴(yán)格的愿望和要求，由科學(xué)和工業(yè)的高質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng)。 FORM+TEST
模型建立
根據(jù)燃油調(diào)節(jié)器原理，在 AMESim 仿真軟件中搭建燃油調(diào)節(jié)器液壓系統(tǒng)仿真模型
該模型中包含燃油調(diào)節(jié)器的所有功能模塊：低壓腔、齒輪泵、安全活門、定壓活門、計(jì)量活門、壓差活門、增壓活門、閉鎖活門、出口等值噴嘴、燃油電液伺服閥、停車電磁閥、油針位移傳感器、閉環(huán)控制器、連接油路。
電液比例控制閥是一種性能介于普通液壓控制閥和電液伺服閥之間的新閥種，在制造成本和抗污染等方面優(yōu)于電液伺服閥。
比例閥和伺服閥的成本較高，價(jià)格也很高，他們目前只用在一些高端的機(jī)械設(shè)備上，如鋼鐵，鍛壓，化工等要求精準(zhǔn)控制的場(chǎng)合。
比例閥與普通液壓元件相比，有如下特點(diǎn)：
1、 電信號(hào)便于傳遞，能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 距離控制。
若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。
2、 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手
是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:使用極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。
指令裝置發(fā)出相應(yīng)的指令，由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；檢測(cè)反饋裝置采用位移傳感器來檢測(cè)輸出位置并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)與指令信號(hào)加以比較，給出偏差信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)；電液伺服閥為液壓控制元件，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用閥控缸。液壓伺服控制系統(tǒng)的職能圖和原理圖如圖2和圖3所示。
電液伺服閥是一個(gè)十分精密而又復(fù)雜的伺服控制元件，它的性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能影響很大，因此測(cè)試要求十分嚴(yán)格。
01
伺服放大技術(shù)
DEH系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)一些電液伺服閥（如MOOG716、D634等）的控制，需要專用伺服放大模塊，輸出±40mA、±10mA、±10V等信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制對(duì)應(yīng)的電液伺服閥，與油動(dòng)機(jī)和LVDT構(gòu)成閉環(huán)伺服回路。早期的伺服放大模塊采用模擬放大回路，比例P、積分I用電位器調(diào)節(jié)，調(diào)試不是很方便。
