第9章液壓伺服系統(tǒng)9.1液壓伺服系統(tǒng)概述

9.2液壓伺服系統(tǒng)的控制元件

9.3電液伺服閥

9.4典型液壓伺服系統(tǒng)實例

思考和練習題

9.1液壓伺服系統(tǒng)概述

9.1.1液壓伺服系統(tǒng)的工作原理

如圖9-1所示為一簡單液壓傳動系統(tǒng)，它用一個四通滑閥控制液壓缸去推動負載運動。當給閥芯一個向右輸入位移量xi時，則滑閥移動某一開口量xv，此時，壓力油進入液壓缸右腔，液壓缸左腔回油，在壓力油的作用下缸體向右運動，輸出位移xp。圖

9-1液壓傳動系統(tǒng)

若將滑閥和液壓缸組合成一個整體，上述系統(tǒng)就變成一個簡單的液壓伺服系統(tǒng)，如圖9-2所示。由于閥體與缸體制成一個整體，因而構(gòu)成反饋控制。其反饋控制過程是：當控制滑閥處于中間位置（零位，即沒有信號輸入，xi＝0）時，閥芯凸肩恰好遮住通往液壓缸的兩個油口，閥沒有流量輸出，缸體不動，系統(tǒng)的輸出量xp＝0，系統(tǒng)處于靜止平衡狀態(tài)。圖

9-2液壓伺服系統(tǒng)原理圖

若給控制滑閥一個輸入位移xi（如圖向右），閥芯將偏離其中間位置，則節(jié)流窗口a、b便有一個相應(yīng)的開口量xv＝xi，壓力油經(jīng)a口進入液壓缸右腔，左腔油液經(jīng)b口回油，缸體右移xp，由于缸體與閥體是一體的，因此閥體也右移xp。受閥芯輸入端的限制，閥的開口量逐漸減小，即xv＝xi－xp，直到xp＝xi（xv＝0）時，閥的輸出流量等于零，缸體停止運動，處在一個新的平衡位置，完成了液壓缸輸出位移對滑閥輸入位移的跟隨運動。如果控制滑閥反向運動，液壓缸也反向跟隨運動?？刂苹y作為轉(zhuǎn)換、放大元件，把輸入的機械信號（位移或速度等）轉(zhuǎn)換并放大成液壓信號（流量或壓力等）輸出至液壓缸。在這個系統(tǒng)中，輸出位移xp之所以能夠精確地復(fù)現(xiàn)輸入位移xi的變化，是因為缸體和閥體是一個整體，構(gòu)成反饋控制。缸體的輸出信號（位移xp）反饋至閥體，并與滑閥輸入信號（位移xi）進行比較，有偏差（即有開口量）缸體就繼續(xù)移動，直到偏差消除為止?？梢姡@個系統(tǒng)是靠偏差信號進行工作的，即以偏差來消除偏差，這就是反饋控制原理。系統(tǒng)的工作原理圖可以用圖9.3方塊圖來表示。

圖

9-3液壓伺服系統(tǒng)工作原理方框圖

9.1.2液壓伺服系統(tǒng)的類型及組成

1.液壓伺服系統(tǒng)的分類（1）按輸入信號變化規(guī)律分類,有定值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)三類。當系統(tǒng)輸入信號為定值時，稱為定值控制系統(tǒng)，其基本任務(wù)是提高系統(tǒng)的抗干擾能力。當系統(tǒng)的輸入信號按預(yù)先給定的規(guī)律變化時，稱為程序控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)也稱為隨動系統(tǒng)，其輸入信號是時間的未知函數(shù)，輸出量能夠準確、迅速地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。

（2）按傳遞信號（指輸入和偏差信號）的元件分類,有機液伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)和氣液伺服系統(tǒng)等。（3）按輸出物理量分類,有位置伺服系統(tǒng)、速度伺服系統(tǒng)和力（或壓力）伺服系統(tǒng)等。（4）按控制方式分類,有閥控系統(tǒng)（節(jié)流式）和泵控系統(tǒng)（容積式）兩類。（5）按控制元件不同分類，可分為滑閥式、射流管式、

噴嘴擋板式和轉(zhuǎn)閥式等。

2.液壓伺服系統(tǒng)的組成圖9-4所示是應(yīng)用電液伺服閥的電液伺服系統(tǒng)。液壓執(zhí)行元件（液壓缸）根據(jù)輸入系統(tǒng)的電氣信號而動作，從而驅(qū)動負載輸出相應(yīng)的物理量（如位移、速度、力等）。輸出信號經(jīng)電氣測量反饋裝置測得并回輸?shù)较到y(tǒng)輸入端與輸入信號相比較，產(chǎn)生反映二者偏差大小的電壓信號，即偏差信號，該信號經(jīng)過伺服放大器放大成具有一定功率輸出的電流信號輸入電液伺服閥。電液伺服閥首先將輸入的電流信號通過電氣—機械轉(zhuǎn)換裝置按比例地變換成控制閥閥芯的機械位移，從而改變了相應(yīng)的節(jié)流口狀態(tài)，輸出具有一定壓力和流量的壓力油（即輸出具有足夠大的液壓功率）去驅(qū)動液壓執(zhí)行元件及負載，執(zhí)行元件運動到輸入信號與反饋信號完全一致，

偏差信號消失為止。

圖9-4電液位置伺服控制系統(tǒng)圖

9-5液壓伺服系統(tǒng)職能方框圖

（1）指令元件（又稱給定元件）：給出與被控制對象所希望的運動規(guī)律相對應(yīng)的指令信號（輸入信號），加在系統(tǒng)中的輸入端。給定元件可以是機械裝置（如凸輪、連桿、模板等），給出位移信號；也可以是電氣元件（如電位計、程序裝置等），給出電壓信號。（2）比較元件：用來比較輸入信號和反饋信號，并將它們的差值作為偏差信號輸送給后面的元件。實際系統(tǒng)中，

一般沒有專門的比較元件，而是由某一結(jié)構(gòu)元件替代完成比較元件的功能。

（3）放大轉(zhuǎn)換元件（液壓功率放大器）：將偏差信號放大并轉(zhuǎn)換成液壓信號（壓力或流量），如伺服放大器、液壓控制閥、電液伺服閥等。（4）液壓執(zhí)行元件：驅(qū)動控制對象動作的液壓元件，通常指液壓缸或液壓馬達。（5）檢測反饋元件:用來檢測系統(tǒng)輸出量，將其轉(zhuǎn)換成與輸入信號具有相同形式的反饋信號，并回輸給比較元件。反饋元件可以是機械裝置（如齒輪副、連桿等），也可以是電氣元件（如電位計、

測速電機等）。

（6）控制對象:即被控制的機械設(shè)備。以上六部分是液壓伺服系統(tǒng)的基本組成。為改善系統(tǒng)性能，可增設(shè)校正元件；為了使輸入信號按比例放大或縮小，可增設(shè)比例元件。這兩部分在圖中沒有畫出。此外，也可把液壓源部分歸入液壓伺服系統(tǒng)組成中，因液壓源的壓力和流量的波動以及供油壓力的大小對系統(tǒng)的性能會產(chǎn)生直接影響。

3.液壓伺服系統(tǒng)的特點液壓伺服系統(tǒng)與普通的液壓傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，具有以下特點：

(1)它是一個自動跟蹤系統(tǒng)（或隨動系統(tǒng)）：輸出量能夠自動地跟隨輸入量的變化規(guī)律而變化。

(2)它是一個誤差控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出信號和輸入信號之間存在偏差是液壓伺服系統(tǒng)工作的必要條件，也可以說液壓伺服系統(tǒng)是靠偏差信號進行工作的。執(zhí)行元件的運動狀態(tài)只取決于輸入信號與反饋信號的偏差大小，與其他量無關(guān)。當偏差信號為零時，執(zhí)行元件不動；當偏差信號為正（負）時，執(zhí)行元件正（反）向運動；當偏差信號絕對值增大（減?。r，執(zhí)行元件輸出的力和速度增大（減?。?/p>

(3)它是一個負反饋閉環(huán)系統(tǒng)：被控制對象（或執(zhí)行元件）產(chǎn)生的運動量（輸出量）必須經(jīng)檢測反饋元件回輸?shù)奖容^元件，力圖抵消使被控制對象（或執(zhí)行元件）產(chǎn)生運動的輸入信號，即力圖使偏差信號減小到零，從而形成一個負反饋閉環(huán)系統(tǒng)。從圖9－5中的系統(tǒng)職能方框圖可直觀地看出。

(4)它是一個信號放大系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出信號功率（執(zhí)行元件輸出的機械功率）是系統(tǒng)的輸入信號功率的數(shù)倍甚至數(shù)千倍。伺服控制的物理本質(zhì)是利用偏差信號去控制液壓能源輸入到系統(tǒng)的能量，所以液壓伺服裝置一般也稱為液壓伺服放大器。

(5)與普通的液壓傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，盡管同樣有液壓泵（能源）、液壓馬達或液壓缸（執(zhí)行元件）和控制元件，但控制調(diào)節(jié)的精度要求更高。如液壓源提供的液壓力和流量應(yīng)更穩(wěn)定，進入執(zhí)行元件的流量特性的線性度要更好。液壓伺服系統(tǒng)的缺點是：伺服元件加工精度高，因此價格較貴；液壓伺服系統(tǒng)對油液的污染比較敏感，因此可靠性受到影響；在小功率系統(tǒng)中，液壓伺服控制不如電氣控制靈活。隨著科技的發(fā)展，液壓伺服系統(tǒng)的缺點將不斷得到克服。在自動化技術(shù)領(lǐng)域中，液壓伺服控制有著廣泛的應(yīng)用前景。

9.2液壓伺服系統(tǒng)的控制元件

9.2.1滑閥式液壓伺服閥滑閥式液壓伺服閥具有最優(yōu)良的控制性能，在液壓伺服系統(tǒng)中應(yīng)用最廣。它的結(jié)構(gòu)與液壓換向滑閥很相似，但由于工作目的不同，在設(shè)計要求上有很大差異。換向閥實際上是液壓開關(guān)，每個閥口只有兩個狀態(tài)，要么完全打開，要么完全封死，結(jié)構(gòu)上很容易保證；而滑閥式液壓伺服閥則是一種比例控制的液壓放大器，每個閥口具有連續(xù)變化的開啟度，以便連續(xù)調(diào)節(jié)通過液體的流量，其加工精度（特別是軸向尺寸加工精度）要求很高。

單邊控制滑閥式液壓伺服閥如圖9-6所示?；y控制邊的開口量δ控制著液壓缸右腔的壓力和流量，從而控制液壓缸運動的速度和方向。來自泵的壓力油進入單桿液壓缸的有桿腔A，通過活塞上的小孔a后進入無桿腔B，壓力由p1降為p2然后再經(jīng)過開口量為δ的單邊滑閥的開口流回油箱。在液壓缸不受外載荷作用的條件下，p2B＝p1A。當閥芯根據(jù)輸入信號向左移動時，開口量δ增大，無桿腔壓力減小，于是p2B＜p1A，缸體向左移動。因為缸體和閥體連接成一個整體，所以閥體左移又使開口量δ減?。ㄘ摲答仯?，直至平衡。圖9-7所示為雙邊控制滑閥式液壓伺服閥的工作原理。壓力油一路直接進入液壓缸有桿腔，另一路經(jīng)滑閥左控制邊的開口xs1和液壓缸無桿腔相通，并經(jīng)滑閥右控制邊的開口xs2流回油箱。當滑閥向左移動時，xs1減小，xs2增大，液壓缸無桿腔壓力p1減小，兩腔受力不平衡，缸體向左移動。反之缸體向右移動。雙邊滑閥式液壓伺服閥比單邊滑閥式液壓伺服閥的調(diào)節(jié)靈敏度高，工作精度高。圖

9-6單邊控制滑閥式液壓伺服閥簡圖

圖

9-7雙邊控制滑閥式液壓伺服閥的

圖9-8四邊控制滑閥式液壓伺服閥的工作原理

按照控制邊相對于閥套槽邊的位置不同，滑閥式液壓伺服閥可制成正開口、零開口和負開口三種類型，如圖9-9所示，即：當滑閥處于平衡位置（無輸入控制信號）時，閥芯凸肩控制邊與閥套槽邊的相對位置分別為負開口（xs＜0）、零開口（xs＝0）和正開口（xs＞0）。具有零開口的滑閥，其工作精度最高；負開口有較大的不靈敏區(qū)，較少采用；具有正開口的滑閥，工作精度較負開口高，但功率損耗大，穩(wěn)定性也差。圖

9-9滑閥的三種開口形式

9.2.2噴嘴擋板式液壓伺服閥噴嘴擋板式液壓伺服閥有單噴嘴和雙噴嘴兩種。圖9-10所示為單噴嘴擋板式液壓伺服閥。它由固定節(jié)流孔a、中間油室b、噴嘴1及擋板2等組成。噴嘴和擋板共同組成一個可變截面的節(jié)流裝置。中間油室b與執(zhí)行元件的工作油腔相連通。從液壓泵來的壓力油(壓力為p1)經(jīng)過固定節(jié)流孔a后，一部分油液經(jīng)噴嘴端面和擋板所形成的間隙δ排出而流回油箱。擋板的位置（即間隙δ的大小）由輸入信號來控制，可以直接用機械方法控制，也可以由電信號控制。當δ的大小改變時，就改變了噴嘴和擋板處的節(jié)流作用，因而使中間油室中的油壓力p2也隨之改變，這樣就使執(zhí)行元件產(chǎn)生運動。圖

9-10單噴嘴擋板式液壓伺服閥的工作原理簡圖

雙噴嘴擋板式液壓伺服閥具有較高的功率放大倍數(shù)，因而應(yīng)用較多。圖9-11所示為雙噴嘴擋板式液壓伺服閥的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。在結(jié)構(gòu)上，該閥左右完全對稱，各有一直徑確定的固定節(jié)流口和噴嘴；兩噴嘴的正中間有一擋板，擋板支承在上部的轉(zhuǎn)軸上（未畫出），可隨轉(zhuǎn)軸左右小幅度擺動。這樣，擋板與兩噴嘴就構(gòu)成了可變節(jié)流口。液壓源提供的恒壓力為ps的油同時進入左、右輸入端，經(jīng)兩固定節(jié)流口流入左、右控制腔，又沿噴嘴高速噴向擋板，并由噴嘴與擋板之間的縫隙流回油箱。在左、右控制腔處各設(shè)一控制口，分別與執(zhí)行元件（假設(shè)為液壓缸）的兩油腔A、B相連。

當伺服閥處于零位（無輸入信號，擋板未發(fā)生偏轉(zhuǎn)）時，擋板到兩噴嘴的距離均相同，兩噴嘴處的節(jié)流壓降相同，從而使兩控制腔的壓力相等，因此，液壓缸左、右腔壓力也相等，活塞不動；當輸入信號使擋板繞轉(zhuǎn)軸順時針轉(zhuǎn)動一微小角度而靠近左噴嘴時，左噴嘴處的節(jié)流壓降增大，右噴嘴處的節(jié)流壓降減小，導(dǎo)致左腔A的控制壓力大于右腔B的控制壓力，液壓缸左腔進油，右腔排油，活塞向右運動；反之，當擋板繞轉(zhuǎn)軸逆時針轉(zhuǎn)動一微小角度而靠近右噴嘴時，結(jié)果與上述情況正好相反，活塞向左運動。很明顯，活塞移動的速度以及產(chǎn)生推力的大小與輸入信號（或擋板的偏移量）的大小成正比，

活塞運動的方向取決于輸入信號的極性（或擋板偏移的方向）。

圖

9-11雙噴嘴擋板式液壓伺服閥

由上可見，用很小的機械功率操縱擋板，便可以在噴嘴擋板式液壓伺服閥的輸出端得到較大的液壓功率，實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換及功率放大的功能。但是，在噴嘴處自始至終有液壓油泄漏，能量損失較大，因而這種閥只能用在小功率場合。與滑閥式液壓伺服閥相比，噴嘴擋板式液壓伺服閥結(jié)構(gòu)簡單，加工精度要求不高，制造容易；運動部件（擋板）質(zhì)量輕，慣性小，位移量小，故靈敏度高，動態(tài)響應(yīng)快；對油液的污染不太敏感；沒有徑向不平衡力，不會發(fā)生“卡緊”現(xiàn)象，因而工作可靠。其缺點是：功率損耗大，噴嘴擋板間距離很小時的抗污染能力差，因此適宜在多級放大伺服系統(tǒng)中用作第一級（前置級）伺服裝置。具體實例可見電液伺服閥。9.2.3射流管式液壓伺服閥

圖

9-12射流管式液壓伺服閥的工作原理簡圖

9.3電

液

伺

服

閥

9.3.1電液伺服閥的分類電液伺服閥廣泛地應(yīng)用在電液位置、速度、加速度、力伺服系統(tǒng)以及伺服振動發(fā)生器中。它具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功率放大系數(shù)高、控制精度高、直線性好、死區(qū)小、

靈敏度高、

動態(tài)性能好以及響應(yīng)速度快等優(yōu)點。

電液伺服閥按用途、性能和結(jié)構(gòu)特征可分為通用型和專用型；按輸出量可分為流量控制伺服閥和壓力控制伺服閥；按液壓放大級數(shù)可分為單級、兩級和三級伺服閥；按電氣－機械轉(zhuǎn)換后動作方式可分為力矩馬達式（輸出轉(zhuǎn)角）和力馬達式（輸出直線位移）；按電氣－機械轉(zhuǎn)換裝置可分為動鐵式（一般為銜鐵傳動）與動圈式和干式與濕式；按液壓前置級的結(jié)構(gòu)形式可分為單噴嘴擋板式、雙噴嘴擋板式、四噴嘴擋板式、射流管式、偏轉(zhuǎn)板射流式和滑閥式；按反饋形式可分為位置反饋式、負載流量反饋式和負載壓力反饋式；按輸入信號形式可分為連續(xù)控制式和脈寬調(diào)制式。

圖

9-13通用型流量伺服閥

圖

9-14通用型壓力伺服閥

9.3.2電液伺服閥的組成電液伺服閥是電液伺服系統(tǒng)的核心部分。如圖9-15所示，輸入信號ei及反饋信號ef均為微弱的電信號，兩者經(jīng)過比較，在電伺服放大器中放大，并轉(zhuǎn)化為差動電流Δi輸入到力矩馬達中，再轉(zhuǎn)化成機械位移而輸入到下級液壓放大元件。液壓放大元件（可以是多級）輸出具有一定壓力和流量的壓力油，推動液壓執(zhí)行元件拖動負載運動。系統(tǒng)的輸出位移量xp經(jīng)檢測反饋元件轉(zhuǎn)化為電壓信號ef后返回比較元件，形成負反饋閉環(huán)關(guān)系。這里，電液伺服閥是聯(lián)系電信號和液壓信號的橋梁，被稱為電液伺服系統(tǒng)的心臟。圖

9-15電液伺服系統(tǒng)的組成

9.3.3電液伺服閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.雙噴嘴擋板式電液伺服閥在雙噴嘴擋板式電液伺服閥中，最常用的是力反饋式，圖9-16所示為力反饋雙噴嘴擋板式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理圖。它由上部電磁元件和下部液壓元件兩大部分組成。電磁元件就是力矩馬達，由永久磁鐵1和4、導(dǎo)磁體2、銜鐵3、彈簧管5和繞在銜鐵上的控制線圈組成?？刂凭€圈有兩組，根據(jù)需要可將它們串聯(lián)、并聯(lián)或差動連接。液壓元件是一個兩級液壓伺服閥，前置放大級是雙噴嘴擋板式液壓伺服閥，功率放大級是帶有四條控制邊的滑閥式液壓伺服閥。閥芯9通過力反饋桿8上的小球與銜鐵擋板組件相連。

圖

9-16雙噴嘴擋板式電液伺服閥(力反饋式)當輸入力矩馬達的差動電流Δi為零時，銜鐵由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體之間的正中位置。此時，擋板6也位于兩噴嘴7之間的正中位置，即伺服閥常態(tài)，液壓源提供的壓力為ps的恒壓油經(jīng)精濾油器11、左右兩固定節(jié)流口10進入控制腔。由于擋板到兩噴嘴的距離相同，兩控制腔的壓力也相等，因此作用于閥芯左、右端面的推力也相等，閥芯在力反饋桿的約束下處于中間位置，液壓伺服閥的閥口封死，電液伺服閥無壓力油輸出。若力矩馬達有差動電流輸入，根據(jù)差動電流的極性（Δi＞0或Δi＜0)，銜鐵將在電磁力矩作用下發(fā)生順時針或逆時針的偏轉(zhuǎn)。假設(shè)Δi＞0時，銜鐵順時針偏轉(zhuǎn)，如圖9-17所示，擋板隨之偏轉(zhuǎn)并向左噴嘴靠近，左控制腔壓力升高，右控制腔壓力降低，閥芯在壓差作用下向右移動。電液伺服閥閥口P→B，A→T，有液壓油輸出。這時的力反饋桿一方面要隨著擋板順時針偏轉(zhuǎn)而向左移動，另一方面又要隨著閥芯向右移而迫使擋板向中間位置回復(fù)，結(jié)果使力反饋桿發(fā)生圖9-17所示的彎曲變形。當作用于銜鐵上的電磁力矩與彈簧管和力反饋桿的變形彈性反力矩平衡時，銜鐵處于一個新的平衡位置；同時，作用于閥芯的液壓作用力與力反饋桿的變形彈性力也處于平衡，閥芯也處于一個新的平衡位置。結(jié)果是閥芯向右移動了xv，閥口對應(yīng)一個相應(yīng)的開啟度，伺服閥輸出端輸出相應(yīng)的流量qL。由于力矩馬達的電磁力矩與輸入的差動電流Δi成比例，也可以證明，閥芯的位移量與力矩馬達的電磁力矩也成比例，因而閥芯的位移量與輸入差動電流成比例，也就意味著伺服閥輸出流量與輸入差動電流成比例。而輸出液流的方向取決于輸入差動電流的極性，這樣就使輸出流量與輸入差動電流對應(yīng)起來，當改變輸入電流信號的大小和極性時，就可以改變電液伺服閥的輸出流量的大小和方向，從而實現(xiàn)電液伺服閥的功能要求。

圖9-17力反饋桿變形示意圖(a)當Δi=0時；(b)當Δi>0時該閥的特點是：采用了力反饋桿，使得擋板基本在零位附近工作，輸出流量與輸入電流之間關(guān)系的線性度較好；閥特性不受中間參數(shù)影響，抗干擾能力強；噴嘴與擋板間的縫隙很小，易受污染而卡住，故對油液清潔度要求較高。在上述電液伺服閥中，若去掉力反饋桿，并在閥芯兩端增設(shè)對中彈簧，就由“力反饋式”變?yōu)椤皩χ袕椈墒健?，但其性能不如“力反饋式”?/p>

故用的不是太多。

2.射流管式電液伺服閥圖9-18所示為射流管式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理圖,它由上部電磁元件和下部液壓元件兩大部分組成。電磁元件為力矩馬達，與雙噴嘴擋板式電液伺服閥的力矩馬達一樣。液壓元件為兩級液壓伺服閥，前置放大級為射流管式液壓伺服閥，功率放大級為滑閥式液壓伺服閥。射流管2與力矩馬達的銜鐵固定連接，它不但是供油通道，而且是銜鐵的支承彈簧管。接收器3的兩接收小孔分別與滑閥式液壓伺服閥的閥芯5的左、

右兩端的容腔相通。

圖

9-18射流管式電液伺服閥

當無電流信號輸入時，力矩馬達無電磁力矩輸出，銜鐵在彈簧管作用的射流管支承下，處于上、下導(dǎo)磁體之間的正中位置，射流管的噴口處于兩接收小孔的正中間，液壓源提供的恒壓力液壓油進入電液伺服閥的供油口P，經(jīng)精濾油器6進入射流管，由噴口高速噴出。由于兩接收小孔接收的液體動能相等，因而閥芯左右兩端容腔的壓力相等，閥芯在定位彈簧板4的作用下處于中間位置（常態(tài)位置），電液伺服閥輸出端A、

B口無流量輸出。

當力矩馬達有電流信號輸入時，銜鐵在電磁力矩作用下偏轉(zhuǎn)一微小角度（假設(shè)其順時針偏轉(zhuǎn)），射流管也隨之偏轉(zhuǎn)，使噴口向左偏移一微小距離。這時，左接收小孔接收的液體動能增多，右接收小孔接收的液體動能減少，閥芯左端容腔壓力升高，右端容腔壓力降低，在壓差作用下，閥芯向右移動，并使定位彈簧板變形。當作用于閥芯的液壓推力與定位彈簧板的變形彈力平衡時，閥芯處于新的平衡位置，閥口對應(yīng)一個相應(yīng)的開啟度，P→A，B→T（回油口），輸出相應(yīng)的流量。

由于定位彈簧板的變形量（也就是閥芯的位移量）與作用于閥芯兩端的壓力差成比例，該壓力差與噴口偏移量成比例，噴口偏移量與力矩馬達的電磁力矩成比例，電磁力矩又與輸入的電流信號成比例，因而閥芯位移量與輸入電流信號成比例，也就是該電液伺服閥的輸出流量與輸入的電流信號大小成比例。改變輸入電流信號的大小和極性，就可以改變電液伺服閥的輸出流量的大小和方向。與噴嘴擋板式電液伺服閥相比，射流管式電液伺服閥的最大優(yōu)點是抗污染能力強。據(jù)統(tǒng)計，在電液伺服閥出現(xiàn)的故障中，有80％是由液壓油的污染引起的，因而射流管式電液伺服閥的應(yīng)用越來越廣泛。

3.動圈式電液伺服閥

動圈式電液伺服閥主要有位置直接反饋式和電反饋式兩種。圖9-19所示為動圈位置直接反饋式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理圖。它由左部電磁元件和右部液壓元件組成。電磁元件為動圈式力矩馬達，由永久磁鐵3、導(dǎo)磁體4、左右復(fù)位彈簧7、調(diào)零螺釘1和帶有線圈繞組的動圈6組成。線圈繞組有兩個，根據(jù)需要可將它們串聯(lián)、并聯(lián)或差動連接。動圈與一級閥芯8固定連接，并由其支撐在兩導(dǎo)磁體形成的氣隙5之中。當有電流通過線圈繞組時，動圈會帶動一級閥芯移動，電流的方向不同，閥芯的移動方向也不同。液壓元件是帶有四條控制邊的滑閥式液壓伺服閥（即四通液壓伺服閥）。液壓伺服閥閥芯9（二級閥芯）是中空的，中間裝有可隨動圈左右移動的一級閥芯。

圖

9-19動圈式電液伺服閥

當電液伺服閥無控制信號輸入（動圈繞組無電流通過）時，在兩復(fù)位彈簧作用下，動圈和一級閥芯處于某一特定位置。與此同時，液壓源輸入的液壓油經(jīng)二級閥芯上的左、右兩固定節(jié)流孔13、14進入二級閥芯左、右端面處的控制腔11、16內(nèi)，又穿過由一級閥芯的左、右凸臺和二級閥芯左、右端面構(gòu)成的可變節(jié)流口12、15進入一、二級閥芯之間形成的環(huán)形空間，經(jīng)二級閥芯的徑向孔流回油箱。由于二級閥芯處于浮動狀態(tài)，在端面處的液壓力作用下，一定會處于某一平衡位置，因此使得兩可變節(jié)流口的開口相同，兩端面控制腔內(nèi)的液體壓力相等。此時，二級閥芯的四條控制邊應(yīng)該正好將電液伺服閥的四個工作油口堵死，輸出流量為零。否則，

需要調(diào)節(jié)調(diào)零螺釘，達到該要求。該調(diào)節(jié)過程稱為電液伺服閥的“調(diào)零”。

當電液伺服閥有控制信號輸入（動圈繞組有電流通過）時，動圈受磁場力的作用而移動（假設(shè)向左），一級閥芯被動圈拖動而左移，使左、右節(jié)流口開口分別增大和減小，左、右控制腔內(nèi)的壓力分別下降和上升，二級閥芯在壓力差的作用下也跟隨一級閥芯向左移動，直到左、右節(jié)流口的開度相等，又處于一個新的平衡位置為止。此時，P→B，A→T，伺服閥有液壓油輸出。若輸入電流增大，閥口開啟度也增大，輸出流量便增大。若改變輸入電流的方向，則會出現(xiàn)與上面相反的過程。該閥的特點是：結(jié)構(gòu)緊湊，抗污染能力強，流量和壓力增益高；但力矩馬達的動圈與一級閥芯固定連接，慣性大，所以動態(tài)響應(yīng)較低。

9.3.4電液伺服閥的特性

1.靜態(tài)特性電液伺服閥的靜態(tài)特性是指控制電流、負載流量與負載壓力三者之間的關(guān)系。它包括負載流量特性、空載流量特性、壓力特性及泄漏特性等。

1）負載流量特性

負載流量特性表示在穩(wěn)態(tài)工作時，輸入電流i、負載流量qL和負載壓力pL三者之間的關(guān)系，又稱為壓力流量特性。圖9-20所示為這一關(guān)系曲線，稱為負載流量特性曲線。

圖

9-20負載流量特性曲線

2）空載流量特性空載流量特性是指空載（負載壓力pL＝0）時，輸出流量與輸入電流之間的關(guān)系，常用空載流量特性曲線來表示，如圖9-21所示。理論上，空載流量與輸入電流是線性關(guān)系，但實際上由于力矩馬達的磁滯現(xiàn)象，空載流量特性曲線為一磁滯曲線。由此曲線可以得到電液伺服閥的幾個重要靜態(tài)性能指標：

圖9-21空載流量特性曲線

(1)滯環(huán)。從圖9-21中可以看出，當輸入電流改變方向時，空載流量特性曲線并不重合，而是形成一個滯環(huán)，這是由于摩擦力和磁滯等原因造成的。滯環(huán)常以曲線上同一流量下電流的最大差值ΔImax與閥的額定電流Icmax之比來表示。滯環(huán)越大，表明閥內(nèi)摩擦力越大，磁滯現(xiàn)象也越嚴重，這是不理想的。

(2)額定電流Icmax。它是指在正常工作狀態(tài)下，輸入力矩馬達控制線圈的最大控制電流。它因線圈的連接方式不同而不同。一個力矩馬達有兩組線圈，可以有串聯(lián)、并聯(lián)、與伺服放大器差動連接等三種連接方式，如圖9-22所示。其中，圖（a）為兩線圈并聯(lián)，其額定電流Icmax＝2imax，I為流過每一個線圈的控制電流；圖（b）為兩線圈串聯(lián)，其額定電流Icmax＝imax；圖（c）為差動連接，其額定電流Icmax＝Δimax，而Δi＝i1－i2,是兩個線圈的電流之差，簡稱差動電流。圖9-22控制線圈的接線方式(a)并聯(lián)；

(b)串聯(lián)；

(c)差動連接

(3)額定流量qe。它是指在額定電流下，電液伺服閥的最大空載流量。

(4)流量增益。它是指輸出流量隨輸入電流的變化率，也就是空載流量特性曲線的斜率。由于空載流量特性曲線不是直線，因而不同工作點處的流量增益是不等的。常取空載流量特性曲線在原點附近某一范圍內(nèi)的平均斜率表示流量增益，稱為名義流量增益，也可以用額定流量除以額定電流求出。此外，由曲線還可以確定非線性度、不對稱度、零偏、零漂、分辨率等指標，可參考相關(guān)資料。

3）

壓力特性

壓力特性指輸出流量為零時，負載壓力與輸入電流之間的關(guān)系，又稱壓力增益特性，用壓力特性曲線表示，如圖9-23所示。中間過O點的曲線為理想狀態(tài)（無磁滯現(xiàn)象）下的壓力特性曲線，而實際的壓力特性曲線為兩側(cè)的兩條曲線。由于磁滯現(xiàn)象的存在，當電流改變方向時，壓力特性曲線并不重合。壓力特性的最重要參數(shù)是壓力增益，即輸出流量為零時，負載壓力隨輸入電流的變化率，也就是壓力特性曲線的斜率。通常把負載壓力限定在最大負載壓力的±40％之間，取壓力特性曲線在該區(qū)域的平均斜率作為伺服閥的壓力增益。壓力增益大，表明閥的壓力靈敏度高，有利于提高伺服系統(tǒng)的控制精度，但對系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。新閥的壓力增益大，表明閥的制造精度高；舊閥的壓力增益大，表明使用后的磨損小。

圖

9-23壓力特性曲線

4）泄漏特性泄漏流量是輸出流量為零時，由回油口流出的內(nèi)部泄漏流量。圖9-24所示為泄漏特性曲線。泄漏流量隨輸入電流而變化，當閥處于零位時為最大值。對于常用的兩級伺服閥來說，泄漏量由前置級或第一級的泄漏量qp0和輸出級泄漏量qc組成。qc與系統(tǒng)壓力ps的比值可用來作為滑閥的流量——壓力系數(shù)。

圖9-24泄漏特性曲線

2.動態(tài)特性通常用頻率特性來表示電液伺服閥的動態(tài)特性。當負載壓力為零、輸入電流為等幅變頻的正弦波信號時，輸出流量（一般用主閥芯的位移量代替流量）也按同頻率的正弦規(guī)律變化，此時，輸出流量的振幅比和頻率的關(guān)系，以及輸出流量與輸入電流的相位差和頻率的關(guān)系總稱為頻率特性。振幅比與頻率的關(guān)系稱為幅頻特性，相位差與頻率的關(guān)系稱為相頻特性，一般用實測曲線表示，

如圖

9-25所示。

圖

9-25電液伺服閥的頻率特性

幅頻特性曲線的縱坐標為振幅比，單位是“分貝”（dB），振幅比的分貝數(shù)為20lg（A1/A0）。其中，A0為低頻時輸出流量的振幅（以A0作為比較振幅變化的標準，一般取5～6Hz作為基準低頻），A1為某頻率（應(yīng)高于基準低頻）下輸出流量的振幅。橫坐標為頻率的對數(shù)值Hz。從圖9-25可以看出，振幅比的分貝數(shù)均為負值，并且隨頻率的增加，其值越負。這表明，頻率越高，輸出流量振幅值衰減得越大。相頻特性曲線的縱坐標為相位差，即輸出流量變化的相位角與輸入電流變化的相位角的差值，橫坐標仍為頻率的對數(shù)值。從圖9-25可看出，隨頻率增加，相位差增大。這表明，頻率越高，輸出流量變化的相位角滯后得越多。

1）幅頻寬當輸出電流振幅比的分貝數(shù)為－3dB（即A1＝0.7A0）時所對應(yīng)的頻率值稱為幅頻寬。例如，由圖9-25可查出曲線1所代表的各閥的幅頻寬約為80Hz，曲線2所代表的各閥的幅頻寬為100Hz。幅頻寬是衡量電液伺服閥動態(tài)響應(yīng)速度的重要指標。幅頻寬小，響應(yīng)速度慢，將系統(tǒng)的靈敏度降低；反之，響應(yīng)速度快，可提高系統(tǒng)靈敏度，但容易將外界高頻干擾傳往負載。

2）相頻寬輸出流量與輸入電流的相位差為90°(即滯后角為90°)時的頻率值稱為相頻寬。例如，由圖9-25可查出曲線1所代表的各閥的相頻寬約為90Hz。與幅頻寬一樣，相頻寬也是衡量電液伺服閥動態(tài)響應(yīng)速度的指標，兩者作用相同。頻寬（幅頻寬和相頻寬統(tǒng)稱頻寬）是衡量電液伺服閥動態(tài)特性的一個重要參數(shù)。為了使液壓伺服系統(tǒng)有較好的性能，應(yīng)有一定的頻寬。但頻帶過寬，可能使電噪聲和高頻干擾信號傳給系統(tǒng)，對系統(tǒng)工作不利。9.3.5電液伺服閥的選用由于電液伺服閥具有控制精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，因此在工業(yè)設(shè)備、航天航空以及軍事裝備中獲得了廣泛的應(yīng)用，它常用來實現(xiàn)電液位置、速度、加速度和力的控制。它的正確使用與否，直接影響到系統(tǒng)的性能及工作可靠性和壽命。電液伺服閥的選擇和使用必須從靜態(tài)特性、動態(tài)特性兩方面來考慮。在靜態(tài)方面，必須滿足負載壓力pL和負載流量qL的要求；在動態(tài)方面，既要動態(tài)品質(zhì)好，又要能穩(wěn)定工作。也就是說，一方面動態(tài)響應(yīng)速度應(yīng)足夠快，而不至于影響伺服系統(tǒng)的響應(yīng)；另一方面又必須抑制不必要的高頻干擾信號。從靜、動態(tài)特性兩方面考慮，在選用電液伺服閥時，應(yīng)遵循以下幾個原則：

(1)對于額定電流Icmax下的負載流量特性曲線必須包絡(luò)所有的工作點，并且使 ，以保證有足夠的流量和功率輸送到液壓執(zhí)行元件中去，這就是估計伺服閥規(guī)格的基本因素。

(2)空載流量特性曲線的線性度要好，也就是空載流量特性曲線應(yīng)盡可能接近直線。要做到這一點，電液伺服閥的功率放大元件應(yīng)選擇矩形閥口的零開口滑閥式液壓伺服閥。

(3)壓力靈敏度要高，即壓力增益應(yīng)足夠大。在壓力特性曲線上表現(xiàn)為曲線應(yīng)盡可能陡。要滿足此要求，閥在關(guān)閉時的泄漏量應(yīng)盡可能小。同類規(guī)格的伺服閥，其壓力增益的差異在很大程度上反映了制造質(zhì)量的差異，即閥芯凸肩與閥套配合密封狀態(tài)的好壞。

(4)內(nèi)泄漏量應(yīng)足夠小。一般要求最大泄漏量不應(yīng)超過額定流量的10％，以防止不必要的功率損耗。內(nèi)泄漏量不但是評價新閥質(zhì)量好壞的指標，而且是評價舊閥在使用過程中磨損情況的指標。

(5)頻寬應(yīng)適當，既滿足伺服系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)要求，又不致將高頻干擾傳到執(zhí)行元件。

(6)液壓油的過濾精度應(yīng)足夠高。油液的污染可能會使閥口的工作棱邊產(chǎn)生腐蝕性磨損；也可能堆積在閥芯與閥套的間隙中，使閥芯被粘住，增大摩擦力，還會堵塞噴口、節(jié)流口等。一般推薦進入電液伺服閥的油液至少需要經(jīng)過8μm的過濾器來過濾。

(7)為防止使用中主閥芯的液壓卡緊，減小閥芯運動時的摩擦力，可設(shè)法使閥芯在工作中不停地高頻小幅振動。最簡單的方法就是在輸入主控制信號之外，再加入一個交變電流信號使閥芯的銜鐵抖動，從而引導(dǎo)閥芯抖動。

(8)為了改善伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能，一般要盡量縮短閥和執(zhí)行元件之間的連接管道。常將閥直接固定在執(zhí)行元件上，

這時要注意閥的外形尺寸是否妨礙到機器的布局。

圖

9-26伺服閥的應(yīng)用情況

9.4典型液壓伺服系統(tǒng)實例

9.4.1機液伺服系統(tǒng)

1.車床仿形刀架液壓伺服系統(tǒng)在車床上，利用液壓仿形刀架可以仿照樣件（或樣板）的形狀自動加工出多臺肩的軸類零件或曲線輪廓的旋轉(zhuǎn)表面，從而大大提高勞動生產(chǎn)率和減輕勞動強度。圖

9-27所示表示一個裝在臥式車床上的液壓仿形刀架的原理圖。

圖

9-27車床液壓仿形刀架原理圖

仿形刀架工作時，壓力油從液壓泵9經(jīng)過過濾器10通入伺服閥的通道f并分兩路：一路不經(jīng)節(jié)流進入油路a至液壓缸前腔A，液壓缸前腔A的油壓始終等于液壓泵的供油壓力p1（由溢流閥8調(diào)整），在工作過程中是不變的；另一路經(jīng)節(jié)流縫隙δ1至環(huán)槽b，再進入油路c至液壓缸后腔B，同時壓力油從環(huán)槽b和節(jié)流縫隙δ2進入油路e而回油箱。可以看出，液壓缸后腔B一方面通過縫隙δ1和進油相通，另一方面又通過縫隙δ2和油箱相通,因此，液壓缸后腔B中的壓力p2

就由節(jié)流縫隙δ1和δ2的比例關(guān)系來決定。車削圓柱面時，觸頭6沿樣件7的圓柱表面滑動，這時滑閥11不動，節(jié)流縫隙δ1和δ2保持某一比例關(guān)系，使得液壓缸后腔B中壓力油的作用力能和液壓缸前腔A中壓力油的作用力以及車刀13處沿液壓缸軸向的切削分力互相平衡。如果車刀上所受到的沿液壓缸軸向的切削分力為F（N），液壓缸前腔A的有效工作面積為A1（m2），壓力為p1（Pa），液壓缸后腔B的有效工作面積為A2（m2），壓力為p2（Pa），并且忽略摩擦力，則作用力的平衡關(guān)系可以用下式來表示：p1A1＝p2A2＋F

圖

9-28進給運動合成示意圖

2.汽車轉(zhuǎn)向液壓助力器為了減輕駕駛員操作方向盤的體力勞動，提高汽車的轉(zhuǎn)向靈活性，在汽車上常采用轉(zhuǎn)向液壓助力器，這種液壓助力器也是一種機液伺服位置控制系統(tǒng)。圖9-29所示是轉(zhuǎn)向液壓助力器的工作原理圖。它主要由液壓缸和控制滑閥兩部分組成。液壓缸活塞1的右端通過鉸鏈固定在汽車車架上，液壓缸缸體2和控制滑閥閥體連在一起，形成負反饋，由方向盤5通過擺桿4控制滑閥閥芯3移動。當缸體前后移動時，通過轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)6等控制車輪向左或向右偏轉(zhuǎn)，從而操縱汽車轉(zhuǎn)向?？刂苹y的閥芯和閥體做成負開口。圖

9-29轉(zhuǎn)向液壓助力器工作原理圖

9.4.2電液伺服系統(tǒng)

1.機械手伸縮運動伺服系統(tǒng)一般機械手能實現(xiàn)伸縮、回轉(zhuǎn)、升降和手腕的動作，每一個動作都是由液壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動的，其原理相同。這里只介紹機械手伸縮運動伺服系統(tǒng)的工作原理。圖9-30所示為機械手伸縮運動電液伺服系統(tǒng)原理圖。它主要由電液伺服閥1、液壓缸2、活塞桿帶動的機械手手臂3、齒輪齒條機構(gòu)4、電位器5、步進電動機6和放大器7等元件組成，它是電液位置伺服系統(tǒng)。當電位器的觸頭處于中位時，觸頭上沒有電壓輸出。當它偏離這個位置時，由于產(chǎn)生了偏差就會輸出相應(yīng)的電壓。電位器觸頭產(chǎn)生的微弱電壓，經(jīng)放大器放大后對電液伺服閥進行控制。電位器觸頭由步進電動機帶動旋轉(zhuǎn)，步進電動機的角位移和角速度由數(shù)字控制裝置發(fā)出的脈沖數(shù)和脈沖頻率控制。齒條固定在機械手手臂上，電位器殼體固定在齒輪上，所以當手臂帶動齒輪轉(zhuǎn)動時，電位器殼體同齒輪一起轉(zhuǎn)動，形成負反饋。

圖

9-30機械手伸縮運動電液伺服系統(tǒng)原理

機械手伸縮運動伺服系統(tǒng)的工作原理是：由數(shù)字控制裝置發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，使步進電機帶動電位器5的動觸頭轉(zhuǎn)過一定的角度（假定為順時針方向轉(zhuǎn)動），動觸頭偏離電位器中位，產(chǎn)生微弱電壓，經(jīng)放大器7放大后，輸入給電液伺服閥1的控制線圈，使伺服閥產(chǎn)生一定的開口量。這時壓力油經(jīng)閥的開口進入液壓缸的左腔，推動活塞連同機械手手臂一起向右移動；液壓缸右腔的回油經(jīng)伺服閥流回油箱。由于齒輪和機械手手臂上齒條相嚙合，因而手臂向右移動時，電位器隨著作順時針方向轉(zhuǎn)動。當電位器的中位和觸頭重合時，偏差為零，則動觸頭輸出電壓為零，電液伺服閥失去信號，閥口關(guān)閉，手臂停止移動。手臂移動的行程決定于脈沖數(shù)量，速度決定于脈沖頻率。當數(shù)字控制裝置