电液伺服控制技术论文.docx
《电液伺服控制技术论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电液伺服控制技术论文.docx（51页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电液伺服控制技术论文
中国地质大学
研究生课程论文封面
课程名称电液伺服控制技术
评语
对课程论文的评语:
平时成绩：
课程论文成绩：
总成绩：
评阅人签名：
注：
1、无评阅人签名成绩无效；
2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效；
3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。
摘要
本文主要介绍了电液伺服阀的概念、特点、主要类型及发展历史，并搜集并整理了国内4家电液电液伺服阀生产厂家以及国外4家电液电液伺服阀生产厂家的产品信息。
同时，分析了目前电液伺服阀产品的主要类型，从工艺、性能、品种规格及价格等方面对国内外电液伺服阀产品进行对比分析。
并阐述了电液伺服阀的发展趋势。
关键字：
电液伺服阀；性能；发展趋势
ABSTRACT
Thispapermainlytalksabouttheconceptoftheelectro-hydraulicservovalve,characteristicsandthedevelopmentofitshistory,andcollectsfourdomesticapplianceelectro-hydraulicproportionalvalvemanufacturersand4foreignelectrichydraulicservovalvemanufacturersproductinformation.Atthesametime,thepassageanalysesthecurrentmaintypesofelectro-hydraulicservovalveproducts.andmakessome.Dothecomparisonandanalysisintermsoftechnology,performance,fullspecificationsandpricesbothhereandabroad.Anddescribesthedevelopmenttrendofelectro-hydraulicservovalve.
Keywords:
electro-hydraulicservovalve;characteristics;developmenttrend
目录
摘要I
ABSTRACTII
一．电液伺服阀概论1
1.1电液伺服阀基本知识1
1.2伺服阀和比例阀的区别2
1.3电液伺服阀的发展过程3
二．电液伺服阀国内研究现状5
2.1北京航空航天电液伺服阀技术中心5
2.1.1公司简介5
2.1.2LDY系列电液伺服阀介绍5
2.2中国航空工业第六零九研究所10
2.2.1企业介绍10
2.2.2FF系列电液伺服阀介绍11
2.3九江中船仪表有限责任公司（四四一厂）18
2.3.1公司简介18
2.32SDYG631、CSDY1/CSDY2、CDY1/CDY2电液伺服阀介绍18
2.4中国运载火箭技术研究院第十八研究所21
2.4.1企业简介21
2.4.2SFL212A、SFL312、SFL22系列电液服阀介绍22
三．电液伺服阀国外研究现状27
3.1美国Moog（穆格）公司27
3.1.1公司简介27
3.1.2D633、D634、G761系列电液伺服阀介绍27
3.2德国Bosch公司33
3.2.1德国Bosch公司简介33
3.2.2Bosch三级电液伺服阀介绍33
3.3美国威格士（EatonVickers）公司34
3.3.1公司简介34
3.3.2SM4-40伺服阀34
3.4日本三菱公司38
3.4.1公司简介38
3.4.2MK阀介绍39
四．国内外电液伺服阀对比分析41
4.1国内电液伺服阀对比分析42
4.2国外电液伺服阀对比分析42
4.3国内外电液伺服阀技术差异43
4.4国内外电液伺服阀发展趋势44
参考文献47
一．电液伺服阀概论
1.1电液伺服阀基本知识
电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件，它能够把微小的电气信号转换成大功率的液压能（流量和压力）输出。
从而实现了一些重型机械设备的伺服控制[1]。
液压伺服系统是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。
伺服阀输入信号是由电气元件来完成的。
电气元件在传输、运算和参量的转换等方面既快速又简便，而且可以把各种物理量转换成为电量。
所以在自动控制系统中广泛使用电气装置作为电信号的比较、放大、反馈检测等元件；而液压元件具有体积小，结构紧凑、功率放大倍率高，线性度好，死区小，灵敏度高，动态性能好，响应速度快等优点，可作为电液转换功率放大的元件。
因此，在一控制系统中常以电气为“神经”，以机械为“骨架”，以液压控制为“肌肉”最大限度地发挥机电、液的长处。
电液伺服阀的种类很多，根据它的结构和机能可作如下分类：
1）按液压放大级数，可分为单级伺服阀、两级伺服阀和三级伺服阀，其中两级伺服阀应用较广。
2）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、滑阀式、射流管式和偏转板射流式。
3）按反馈形式可分为位置反馈、流量反馈和压力反馈。
4）按电-机械转换装置可分为动铁式和动圈式。
5）按输出量形式可分为流量伺服阀和压力控制伺服阀。
6）按输入信号形式可分为连续控制式和脉宽调制式[2]。
电液伺服阀本身是一个闭环控制系统，一般由下列部分组成：
（1）电－机转换部分；
（2）机－液转换和功率放大部分；
（3）反馈部分；
（4）电控器部分。
大部分伺服阀仅由前三部分组成，只有电反馈伺服阀才含有电控器部分。
随着科学技术的突飞猛进，自动控制技术已经渗透到各个领域，并得到了更加广泛的应用。
由于电－液伺服阀能将微弱的电控信号按比例转换成极大的液压功率[3]，从而使电子技术同液压技术有机的结合起来。
且伺服阀具有控制精度高、响应快、体积小、重量轻，能适应脉冲调制和模拟量调制等优点，所以在各种电液伺服控制系统中得到了极广泛的应用，同时还因伺服阀在控制系统中起着有如“心脏”的作用，因而受到特别重视。
电液伺服阀是五十年代初为适应导弹和空间技术的需要而发展起来的，目前除了用于航空、航天、航海、尖端武器等军事领域外，随着计算机技术的普及，该产品已广泛应用于冶金、化工、机械制造、矿山、汽车、电力系统、纺织、塑料、机器人、实验设备以及各种非标系统等领域中。
1.2伺服阀和比例阀的区别
比例阀多为电气反馈，当有信号输入时，主阀芯带动与之相连的位移传感器运动，当反馈的位移信号与给定信号相等时，主阀芯停止运动，比例阀达到一个新的平衡位置伺服阀，阀保持一定的输出[5]；
伺服阀有机械反馈和电气反馈两种，一般电气反馈的伺服阀的频响高，机械反馈的伺服阀频响稍低，动作过程与比例阀基本相同。
区别：
一般比例阀的输入功率较大，基本在几百毫安到1安培以上，而伺服阀的输入功率较小，基本在几十毫安；
比例阀的控制精度稍低，滞环较伺服阀大，伺服阀的控制精度高，但对油液的要求也高。
结构上比例阀的阀芯是靠电磁力和液压力及弹簧力来实现平衡的，而伺服阀是靠液压力来平衡的，所以比例阀在控制大流量高压力上没有优势；还有比例阀最早的产品是开式的，这应该是为什么叫比例阀的原因；在应用上，伺服阀用的更广，不仅能够用于精确的位置，速度等控制，还具有随动作用，所以像你开的汽车助力转向就是一个随动伺服系统，这是比例阀难以实现的。
实现油缸上下运动可以通过阀在不同位置而使得油路切换而实现，这样的阀采用普通换向阀就可以实现了，而伺服或者比例阀的作用是不仅可以控制油缸的方向，还可以精确控制阀的开度，从而可以精确控制流量（工作状态保持不变下）[6]。
阀的反馈只能决定阀是否精确到位，而并不能控制系统的状态，因为即使阀的开度准确，但是真正到作动器内的流量也受到泵压力、管路消耗、负载变化等等多种因素的影响，因而要实现精确的位置或者速度控制，还需要另外一个避环回路——系统避环，针对位置和速度，现在有成型的速度和位置控制板来实现。
比例阀没有了伺服阀的阀芯位置避环，它是靠较大的、精确控制供给比例阀芯的电流量来控制相对准确的阀芯位置而简化的设计形式。
比例阀不用配固定的作动器，精确实现位置和速度控制也还是需要系统避环。
比例阀和伺服阀电流输入信号抗干扰强，但相应的价格贵点，内部线圈是可以是一个也有的是两个，很多三位阀只用一个线圈，靠电压反相控制两边位置，三位阀更多的是两个线圈布置在三位阀的两边，但线圈可以是单独控制，也可以是串联或并联控制。
其实比例阀和伺服阀现在很难区分，可能驱动方式是唯一差别，伺服阀是力矩马达，比例阀是比例线圈，伺服阀是喷嘴档板，响应高点，比例阀是滑阀，但说到控制精度，比例阀可能还要高点，特别是在两极反馈阀中，因为先导极的比例阀反馈是电位移传感器，而伺服阀是机械式的反馈杆，所以在一些参数如重复精度，滞环，线性度比例阀比伺服阀好，但BODE图上的曲线伺服阀好些
比例阀有较大的零位死区（约20％），而伺服阀则无。
从控制来说，比例阀不适合于位置控制。
因此，我调研了为国内外的伺服阀。
1.3电液伺服阀的发展过程
压控制技术的历史最早可追溯到公元前240年，当时一位古埃及人发明了人类历史上第一个液压伺服系统——水钟。
然而在随后漫长的历史阶段，液压控制技术一直裹足不前，直到18世纪末19世纪初，才有一些重大进展。
在二战前夕，随着工业发展的需要，液压控制技术出现了突飞猛进地发展，许多早期的控制阀原理及专利均是这一时代的产物。
如：
Askania调节器公司及Askania-Werke发明及申请了射流管阀原理的专利。
同样，Foxboro发明了喷嘴挡板阀原理的专利。
而德国Siemens公司发明了一种具有永磁马达及接收机械及电信号两种输入的双输入阀，并开创性地使用在航空领域[3]。
在二战末期，伺服阀是用螺线管直接驱动阀芯运动的单级开环控制阀。
然随着控制理论的成熟及军事应用的需要，伺服阀的研制和发展取得了巨大成就。
1946年，英国Tinsiey获得了两级阀的专利；Raytheon和Bell航空发明了带反馈的两级阀；MIT用力矩马达替代了螺线管使马达消耗的功率更小而线性度更好。
1950年，W.C.Moog第一个发明了单喷嘴两级伺服阀。
1953年至1955年间，T.H.Carson发明了机械反馈式两级伺服阀；W.C.Moog发明了双喷嘴两级伺服阀；Wolpin发明了干式力矩马达，消除了原来浸在油液内的力矩马达由油液污染带来的可靠性问题。
1957年R.Atchley利用Askania射流管原理研制了两级射流管伺服阀。
并于1959年研制了三级电反馈伺服阀。
1959年2月国外某液压与气动杂志对当时的伺服阀情况作了12页的报道，显示了当时伺服阀蓬勃发展的状况。
那时生产各种类型的伺服阀的制造商有20多家。
各生产厂家为了争夺伺服阀生产的霸权地位展开了激烈地竞争。
回顾历史，可以看到最终取胜的几个厂家，大多数生产具有反馈及力矩马达的两级伺服阀。
我们可以看到，1960年的伺服阀已具有现代伺服阀的许多特点。
如：
第二级对第一级反馈形成闭环控制；采用干式力矩马达；前置级对功率级的压力恢复通常可达到50%；第一级的机械对称结构减小了温度、压力变化对零位的影响。
同时，由早期的直动型开环控制阀发展变化而来的直动型两级闭环控制伺服阀也已出现。
当时的伺服阀主要用于军事领域，随着太空时代的到来，伺服阀又被广泛用于航天领域，并研制出高可靠性的多余度伺服阀等尖端产品。
与此同时，随着伺服阀工业运用场合的不断扩大，某些生产厂家研制出了专门使用于工业场合的工业伺服阀。
如Moog公司就在1963年推出了第一款专为工业场合使用的73系列伺服阀产品。
随后，越来越多的专为工业用途研制的伺服阀出现了。
它们具有如下的特征：
较大的体积以方便制造；阀体采用铝材（需要时亦可采用钢材）；独立的第一级以方便调整及维修；主要使用在14MPa以下的低压场合；尽量形成系列化、标准化产品[7]。
然而Moog公司在德国的分公司却将其伺服阀的应用场合主要集中在高压场合，一般工作压力在21MPa，有的甚至到35MPa，这就使阀的设计专重于高压下的使用可靠性。
而随着伺服阀在工业场合的广泛运用，各公司均推出了各自的适合工业场合用的比例阀。
其特点为低成本，控制精度虽比不上伺服阀，但通过先进的控制技术和先进的电子装置以弥补其不足，使其性能和功效逼近伺服阀。
1973年，Moog公司按工业使用的需要，把某些伺服阀转换成工业场合的比例阀标准接口。
Bosch研制出了其标志性的射流管先导级及电反馈的平板型伺服阀。
1974年，Moog公司推出了低成本、大流量的三级电反馈伺服阀。
Vickers公司研制了压力补偿的KG型比例阀。
Rexroth、Bosch及其他公司研制了用两个线圈分别控制阀芯两方向运动的比例阀等等。
二．电液伺服阀国内研究现状
2.1北京航空航天电液伺服阀技术中心
2.1.1公司简介
网址（
中国运载火箭技术研究院第十八研究所（北京航天伺服技术研究所），是航天系统唯一一家具有独立法人资质的伺服技术专业研究所，隶属于中国最大的运载火箭及载入航天飞行器研究、设计、生产基地——中国运载火箭技术研究院，是精密机电控制设备的专业研制单位，是中国航天伺服专业技术中心。
研究领域集燃气、液压、机械、电子于一体，从事智能机电及工业自动控制产品的设计、研发和生产，在国际上首创大功率自足式完全整体化电液伺服机构，专业技术跨越了六大技术台阶，创立了一套较为完整的适应中国国情的航天伺服控制技术理论体系。
自主开发了34种伺服机构（系统），形成了以伺服阀、电机、气动机、传感器、超高速涡轮泵和伺服控制器等为代表的200余种伺服配套产品，建立了较为完善的研究试验设施和配套体系。
2.1.2LDY系列电液伺服阀介绍
（1）工作原理
LDY系列电液伺服阀是由电磁力矩马达、双喷嘴—挡板（前置级）和四边滑阀（功率级）组成的电液放大器。
当阀压降恒定时，功率级四边阀的阀芯位移和力矩马达的输入电流成正比，负载流量输出也和输入电流成正比。
（2）结构特点
LDY系列电液伺服阀的结构优点：
零点稳定，灵敏度高，零漂小，频带宽，稳定性高，长期工作可靠。
用途：
适用于位置控制，速度控制，力控制，加速度控制，加速度控制等自动控制系统。
LDY系列电液伺服阀结构类型如表2.1所示。
表2.1LDY系列电液伺服阀结构类型
序号
型号
结构特点
结构原理
1
LDY6
LDY11
LDY10
LDY15
前置级为双喷嘴挡板阀，第二级为四边滑阀，力反馈输出流量与输入电流成正比实现控制。
图2.1
2
LDY3
前置级为双喷嘴挡板阀，第二级为四边滑阀，第三级为功率四边滑阀。
第三级滑阀位置由LVDT电反馈实现闭环控制回路。
图2.2
3
LDY5
双喷嘴挡板式单级放大，干式力矩马达的电液伺服阀
图2.3
LDY系列电液伺服阀力反馈结构原理图如图2.1所示。
图2.1力反馈结构原理图
图2.2大流量三级阀结构原理
图2.3小流量单级阀结构原理
（3）性能参数
液压性能
LDY系列电液伺服阀用恒压油源供油。
最低供油压力为0.8MPa
最高供油压力如表2.2：
表2.2最高供油压力
系列型号
LDY3
LDY5
LDY11
LDY15
LDY10
LDY6
供油压力（MPA）
21
25
31.5
供油孔实验压力：
最高供油压力150%
回油孔实验压力：
最高供油压力100%
工作液体
建议使用22号透平油，N46抗磨液压油或其它合适的液压油为工作液体。
工作液体应符合ISO4406的15/11～18/14污染等级或NAS7-8级以上的清洁度。
工作油液温度
最低温度-40℃（由于条件限制温度-40℃以下没有试验过）
最高温度+125℃。
额定流量
额定流量（Ps=7MPa时）[L/min]及零位流量[L/min]见表2.3：
表2.3LDY系列电液伺服阀额定流量及零位流量
型号
LDY3
LDY11A
LDY11B
LDY10
LDY15
LDY5
LDY6
额定流量
125
250
300
500
63
80
100
125
150
180
220
80
100
125
4
10
20
12
4
10
20
40
60
零位流量
<4
<3
<4
<2.5
<1.5
<1.3
电气性能
输入电流一般不应超过额定电流。
LDY系列电液伺服阀标准线圈参数和线圈连接如表2.4和2.5所示。
表2.4LDY系列电液伺服阀标准线圈参数
单线圈额定电阻（在25℃测定）
额定电流（mA）
线圈的近似电感（H）
差动、并联、电线圈
串联
单线圈
差动连接
串连接
并连接
650
15
7.5
1.0
3.0
5.0
1,1
220
30
15
0.30
0.53
1.0
0,27
80
40
20
0.22
0.40
0.70
0.18
22
80
40
0,07
0.12
0.20
0.05
表2.5LDY系列线圈连接
静态和动态特性
流量增益是指控制流量对输入电流的比值。
流量对称性和直线性如图2.4所示，常规伺服阀在零区附近（±5%额定输入电流）的流量非线性允许为名义流量增益的50%—200%。
额定流量允差为±10%额定流量。
流量对称性允差<10%额定流量。
滞环允差<3%额定电流。
分辨率<0.5%额定电流。
图2.4流量对称性和直线性
压力增益是指关闭控制腔时（控制流量为零），负载压降随输入电流变化的函数曲线上，负载压降在40%供油压力范围内，曲线上某点的斜率。
压力增益特性曲线如图2.5所示。
压力增益指标允许在输入1%额定电流时，压力差变化在0%-95%供油压力范围。
图2.5压力增益特性曲线
零位流量（又称内泄漏）是前置级流量和功率级滑阀泄漏量叠加值。
零位流量应小于3%额定流量。
如图2.6所示。
图2.6零位流量特性
零漂是由工作条件或环境变化引起的零位变化。
允许零漂值：
温度每变化55?
，<±3%额定电流；加速度从0~10g变化时，<±2%额定电流；供油压力从80%~100%额定电压变化时，<±2%额定电流。
频率响应伺服阀的频率响应是指无载控制流量对于等幅变频正弦输入电流的复数比。
标准产品的频率响应参数如表2.6所示。
表2.6标准产品的频率响应参数
产品型号
LDY3
LDY5
LDY6
LDY10
LDY11
LDY14
LDY15
频率[Hz]（-3db时）
30~100
500
60~100
40~50
30~50
60~100
50~100
阶跃响应响应时间常数按输出流量变化从0%-90%计算。
当电流阶跃输入为100%，工作供油压力为21MPa时，响应时间参数如表2.7。
表2.7响应时间参数
产品型号
LDY3
LDY5
LDY6
LDY10
LDY11
LDY14
LDY15
响应时间[sec]
0.003~0.012
0.001
0.003~0.006
0.005~0.010
0.005~0.015
0.003~0.006
0.003~0.006
2.2中国航空工业第六零九研究所
2.2.1企业介绍
网址（
中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心，是由原中国航空工业第六○九研究所整体与金城集团航空业务部分组成，是我国航空机载机电系统产品的科研和专业生产基地，是中国航空工业总公司所属航空机电液压工程研究专业技术的研发中心。
南京机电液压伺服工程公司是中国航空工业总公司南京机电液压工程研究中心的下属单位，主要从事电液伺服阀及电液伺服控制系统的开发、研制及批量生产。
是我国历史最久、规模最大、水平最高的伺服阀研发与生产基地之一。
产品已广泛用于航空、航天、航海、兵器、汽车、冶金、机器人、矿山、邮电、纺织、印刷、自动控制、试验设备、非标设备制造等领域。
2.2.2FF系列电液伺服阀介绍
（1）FF系列电液伺服阀（如图2.7）
它是一种高性能、双喷档、力反馈的流量控制阀。
产品有FF101、FF102、FF106、FF106A、FF113等多个系列，并已研制成功射流偏转板阀、直接驱动阀。
图2.7FF系列电液伺服阀
FF系列电液伺服阀的力矩马达采用永磁力矩马达，它由两个永久磁钢产生极化磁通，衔铁两端伸入磁通回路的气隙中。
弹簧管除起衔铁—挡板的弹性支承作用外，还起阀的电磁部分和液压部分之间的密封作用。
第一级液压放大器的挡板插在两个喷嘴之间，形成两个可变节流口。
反馈杆从挡板内部伸出，它的小球插入第二级四通滑阀阀芯中间的小槽内。
液压油连续地从供油腔Ps通过内部过滤器及两个固定节流孔，然后流过喷嘴挡板形成的可变节流口，再经过回油节流孔流回回油腔Pr。
当力矩马达线圈组件输入控制电流时，由于控制磁通和极化磁通的相互作用，在衔铁上产生一个力矩，该力矩使衔铁组件绕弹簧管旋转中心旋转，从而使挡板运动，它导致一边的喷嘴—挡板可变节流口可变节流面积减少，另一边的可变节流面积增大，致使喷嘴腔产生压差，推动阀芯移动，此移动一直持续到由于反馈杆弯曲产生的反馈力矩与由控制电流产生的控制力矩相平衡为止，此时挡板大致处于中位。
由于力矩马达的力矩与输给阀的控制电流基本成正比关系，反馈力矩与阀芯位移成正比。
这样，再诸力平衡状态时，便得到一个与控制电流成比例的阀芯位移，即在阀压降为恒值及阀套采用矩形孔或环槽节流边的情况下，输出流量与输入电流之间成比例关系。
FF系列电液伺服阀结构原理图如2.8所示。
图2.8FF系列电液伺服阀结构原理图
电气性能
线圈连接图如图2.9所示。
图2.9线圈连接图
规定控制电流的正极性：
单线圈：
2+，1-或4+，3-
串联线圈：
1和4相连，2+，3-
并联线圈：
1与3，2与4相连（1，3）-，（2，4）+
差动连接：
1与4相连，当（1，4）+时，（1，4）到2<（1，4）到3，当（1，4）-时，2到（1，4）>3到（1，4）
电插头座
通常供货为外形图所示通用电插头座，也可以根据用户要求提供专用电插头座。
插头座有4种方向可供选择，具体方向请查阅相应产品的系列号。
励振
为改善阀的特性，给输入信号附加的振荡信号称为励振。
励振频率一般取100～400Hz，幅值（峰间值）为10%～20%额定电流。
伺服放大器
伺服阀的力矩马达线圈需要一个直流输出的伺服阀放大器来驱动。
伺服阀放大器应采用深度电流反馈，以消除阀线圈阻抗变化引起阀的增益变化和相位滞后。
液压特性
供油压力
FF系列伺服阀可在供油压力2～28MPa下正常工作。
FF系列伺服阀额定供油压力为21MPa，样本中给出的性能系在额定供油压力下测定。
阀性能，特别是分辨率和动态响应随供油压力降低而变差。
阀
升级会员 