伺服阀相关知识介绍

.电液伺服阀的选用和保养

上海七0四所研究所王学星电液伺服阀是电气一液压伺服系统中关键的精密控制元件，价格昂贵，所以伺服阀的选择，应用要谨慎，保养要特别仔细。本文介绍电液伺服阀选择、使用和保养的一些基本方法。

在伺服阀选择中常常考虑的因素有：A：阀的工作性能、规格；B：工作可靠、性能稳定、一定的抗污染能力；C：价格合理；D：工作液、油源；E：电气性能和放大器；F：安装结构，外型尺寸等等。

一：按控制精度等要求选用伺服阀：

系统控制精度要求比较低时，还有开环控制系统、动态不高的场合，都可以选用工业伺服阀甚至比例阀。只有要求比较高的控制系统才选用高性能的电液伺服阀，当然它的价格亦比较高。

二：按用途选用伺服阀：

电液伺服阀有许多种类，许多规格，分类的方法亦非常多，而只有按用途分类的方法对我们选用伺服阀是比较方便的。按用途分：有通用型阀和专用型阀。专用型阀使用在特殊应用的场合，例如：高温阀、防爆阀、高响应阀、余度阀、特殊增益阀、特殊重叠阀、特殊尺寸、特殊结构阀、特殊输入、特殊反馈的伺服阀等等。还有特殊的使用环境对伺服阀提出特殊的要求，例如：抗冲击、震动、三防、真空……。

通用型伺服阀还分通用型流量伺服阀和通用型压力伺服阀。在力（或压力）控制系统中可以用流量阀，也可以用压力阀。压力伺服阀因其带有压力负反馈，所以压力增益比较平缓、比较线性，适用与开环力控制系统，作为力闭环系统也是比较好的。但因这种阀制造、调试较为复杂，生产也比较少，选用困难些。当系统要求较大流量时，大多数系统仍选用流量控制伺服阀。在力控制系统用的流量阀，希望它的压力增益不要象位置控制系统用阀那样要求较高的压力增益，而希望降低压力增益，尽量减少点压力饱和区域，改善控制性能。虽然在系统中可以通过采用电气补偿的方法，或有意增加压力缸的泄漏等方法来提高系统性能和稳定性等，我们在订货时仍需向伺服阀生产厂家提出低压力增益的要求。

通用型流量伺服阀是用得最广泛，生产量亦最大的伺服阀，可以应用在位置、

速度、加速度（力）等各种控制系统中。所以应该优先选用通用型伺服阀。我们重点讲讲这种阀的选择和使用。

电液伺服阀主要用在三种伺服系统中：

电液伺服阀系统的几个类型

1、位置伺服系统：（图1）

2、压力或力伺服控制系统：（图2）

3、速度控制伺服系统：（图3）

这里没有画出PID调节的线路，一般而言，90%的系统只要调节增益即可，不必要PID调节。

通用型流量控制伺服阀目前用得最多的主要有下面四种类型：

1：双喷嘴挡板力反馈电液流量伺服阀。见图（1）；

2：射流管式电液流量伺服阀。见图（2）；

3：动圈式（或动铁式）电液流量伺服阀。见图（3）；

4：直接驱动单级伺服阀（DDV）。见图（4）。

双喷挡阀和射流管阀都是力反馈型伺服阀，衔铁工作在中位附近，不受伺服阀中间参数影响，线性度好，性能稳定，抗干扰能力强，零漂小。是高性能的伺服阀。双喷挡阀的档板与喷嘴间隙小，易被污物卡住；而射流管喷嘴为最小流通面积处，过流面积大，不易堵塞，抗污染性好。它的动态性能比双喷挡阀稍低。同样航空阀，同样流量规格，双喷挡阀阀芯是6mm，而我们射流管阀阀芯是7mm，所以相应频率会低一点。一般相频宽可超过100Hz，高的亦可达到200Hz。其次射流管阀射流放大器部分压力效率和容积效率较高，推动阀芯力较大，所以其分辨率比双喷挡阀高得多。同样道理射流管阀工作压力范围很广，它的低压工作性能优良，它甚至可以在0.5MPa供油条件下正常工作。

动圈式电液伺服阀功率输出级阀芯跟随控制阀芯，是一种直接反馈式伺服阀，此种阀结构简单，造价低，外部可调整零位，抗污染能力亦比较强，一般它的动态比较低是一种较廉价的工业伺服阀。此阀是双滑阀结构摩擦力比较大，分辨率和迟环较差，使用中要加颤振信号。对油液清洁度比较敏感。常有一会漂出去，一会又回到中位来的现象。

DDV阀实际上是一级电反馈的脉宽调制阀（PWN），力马达直接驱动阀芯是一级阀，所以它的动态特性与供油压力没有直接的关系，这种阀面世时间不长，是一种伺服比例阀。

下面为了消除某些手册的结论的影响，特作如下说明：

某国外著名公司两级电反馈伺服比例阀，早期用双喷挡推功率级，现改用射流管先导级推功率级，他们介绍：伺服射流管先导级的工作特点：

☆ ：大大改善了流量接受效率（90%以上的先导级流量被利用）使得能耗降低，对于使用多台伺服比例阀的系统，此优点更突出。

☆ ：伺服射流管先导级具有很高的无阻尼自然频率（500Hz），因此这种阀的动态响应较高。

☆ ：性能可靠。伺服射流先导级具有很高的压力效率（输入满标定信号时，压力效率高大80%以上），因此她可提供给功率级滑阀较大的驱动信号，提高了阀芯的位置重复精度。

☆ ：最低先导级控制压力仅2.5MPa，由于它的这一优点，此阀可用于象汽轮机控制一类的低压系统中。

☆ ：先导级过滤器的寿命几乎是无限的，因为先导级的名义间隙均在200μm 以上。

☆ ：由于阀的频率响应改善，功率级滑阀的增益得到了提高，因此使得阀具有优异的静态和动态性能，并使控制系统的性能大大提高。

我们的说明：

☆ ：射流放大器没有双喷挡放大器的压力负反馈，是它性能优良的重要原因，这是偏导射流并不具备的或者不完全具备的。

☆ ：我们的射流先导级（力矩马达）动态高达700～800H z。

☆ ：我们的射流放大器可以在0.5MPa条件推动阀芯正常工作。

☆ ：国外射流管阀公司也介绍，先导级流量利用率可达先导级总流量的90%，几乎是双喷挡阀的两倍。

同样先导级增益也是双喷挡的两倍。（见图）

国外另一公司介绍射流管阀的优点文件主要标题如下：

5.1 Dry Torque Motor

5.2 High First Stage Pressure Gain

5.3 No First Stage Pressure Feedback

5.4 High First Stage Flow Recovery

5.5 Ability To Pass Large Contamination

5.6 Insensitivity To Erosion

5.7 Single Source Of First Stage Supply Flow

三：伺服阀规格的选择

1、首先估计所需的作用力的大小，再来决定油缸的作用面积：满足以最大速度

推拉负载的力F G 。如果系统还可能有不确定的力，那么我们最好将F G 力放大20%～40%，具体计算如下：

面积A ： A=

s g p F 2.1 P S 为供油压力。

2、确定负载流量Q L ，负载运动的最大速度为V L ：

Q L =A V L

同时知道负载压力P L ：

P L =

A F G 决定伺服阀供油压力P S ；S L P P 32=，L S P P 2

3= 3、确定所需伺服阀的流量规格：

Q N =Q L L

S N P P P ? N P 为伺服阀额定供油压力，该压力下，额定电流条件下的空载流量就是伺服阀的额定流量N Q 。

为补偿一些未知因素，建议额定流量选择要大10%。

注：总作用力S E A L G F F F F F +++=

L F 为负载力；

A F 为满足加速度要求的力；

E F 为外部干扰力；

S F 为摩擦力。

摩擦力S F 根据油缸工况、密封机构、材料不同，大小差异很大，一般取（1%～10%）G F 。

下面如何提出伺服阀动态相应的要求呢，这是选伺服阀关心的问题。

开环的控制系统用阀，伺服阀频宽，相频大于3～4Hz 就够了。

闭环系统算出系统的负载谐振频率，一般选相频大于该频率3倍的伺服阀，该系统就可以调出最佳的性能来了。

注：负载谐振频率的计算

m

V A f t e N ??=2421βπ

e β为油的弹性模量；

A 为油缸的工作面积； t V 为油缸空腔及阀到油缸的连接管道的容积；

m 为负载质量（还应该含其它运动部件及油液的附加质量）。 这里m

V A f t e N ??=2

421βπ是液压系统的负载谐振频率，这里不计及机械的结构刚度，如果计及该刚度，综合谐振频率还会低一些，计算如下： 液压负载的谐振m

K f O N π21

= 这里P

e t e O L A V A K ββ442== P L 是油缸总行程。如果机械刚度是S K ， 那么综合刚度是液压刚度与机械刚度“并联”的结果：S

O S O A K K K K K +?= 综合谐振频率：m

K f A N π21

= O A K K ?Θ ∴用m

V A f t e N ??=2

421βπ选伺服阀频宽是偏安全的。 建议：机械刚度应比液压刚度高3—10倍。

选择流量大，又要频宽相对比较高，可以选电反馈伺服阀。

电反馈伺服阀或伺服比例阀跟机械反馈伺服阀比的优点在

电反馈阀机械反馈阀

滞环：< 0.3%< 3%

分辨率：< 0.1% < 0.5%

其他线性度等指标都要好许多。但温度零漂比较大，有的阀用温度补偿来纠偏。它的前途无量。目前价格还比较贵。

根据系统的计算，由流量规格及频响要求来选择伺服阀，但在频率比较高的系统中一般传感器的响应至少要比系统中响应最慢的元件要高3 ~10倍。

顺便说明一点：一般流量要求比较大，频率比较高时，建议选择三级电反馈伺服阀，这种三级阀，电气线路中有校正环节，这样它的频宽有时可以比装在其上的二级阀还高。

四：伺服阀静动态性能指标对系统的影响：电液伺服阀的各项静动态性能指标对用伺服阀的系统有些什么影响，这也是用户在选阀时很关心的问题。

伺服阀的静态特性曲线主要通过实验画出，这些曲线主要是流量特性曲线（图6），压力特性曲线（图7）和内漏特性曲线（图8）。从流量特性曲线中我们可以算出伺服阀的线性度，对称性，滞环，零位区域特性和分辨率。从压力特性曲线可获得压力增益，亦可以获得滞环。

图6流量增益曲线

图7压力增益曲线

图8泄漏曲线

线性度和对称性影响用伺服阀的系统的精度，对速度控制系统影响最直接，最大。速度控制系统要选线性读好的流量阀，此外选流量规格时，要适当大点避免阀流量的饱和段。线性度、对称性对位置控制，因为系统通常是闭环的，伺服阀工作在零位区域附近，只要系统增益调得合适，非线性度和对称性的影响可减到很小。所以一般伺服阀的线性度指标是< 7.5%；对称度是为10%是比较宽容的。对位置控制精度影响较大的是伺服阀零位区域的特性，即重叠情况。一般总希望伺服阀功率级滑阀付是零开口的，如果有重叠、有死区，那么在位置控制系统中就会出现磁滞回环现象，这个回环很象齿轮传动中的游隙现象。伺服阀因为力矩马达中磁路剩磁影响，及阀芯阀套间的摩擦力其特性曲线有滞环现象。由磁路影响引起的滞环会随着输入信号减小，回环宽度将缩小，因此这种滞环在大多数伺服系统中都不会出现问题，而由摩擦引起的滞迟是一种游隙，它可能会引起伺服系统的不稳定。

反馈有隙也会引起游隙。

一般伺服阀都是线性方窗口，如果多窗口不共面，就破坏了零位的线性，对高精度系统亦会有所影响。

所以精度要求比较高的系统选阀最好选分辨率好的，分辨率好意味着摩擦影响比较小，也即阀芯阀套间加工质量比较好和前置级压力、流量增益比较高，推动阀芯力比较大。此外液压系统用油比较干净，擦摩影响会大大减小。再一种弥补的方法是用颤振来改善伺服阀的分辨率，高频颤振幅值要正好能有效地消除伺服阀中的游隙（包括结构上的和摩擦引起的游隙），太小不好，太大了会影响系统性能，会使其他液压件过度磨损或疲劳损坏。而且颤振频率要大大超过预计的信号频率和系统频率，并避免它正好是系统频率的某个整数倍。颤振信号的波形可以是正弦波、三角波也可以是方波。

对伺服阀压力增益的要求、因系统不同而不同。位置控制系统要求伺服阀的压力增益尽可能高点，那么系统的刚性就比较大，系统负载的变化对控制精度的影响就小。而力控制系统（或压力系统）则希望压力增益不要那么陡，要平坦点，线性好点，便于力控系统的调节。

伺服阀的动态特性也是一个很重要的指标。在闭环系统中，为了达到较高控制精度，要求伺服阀的频宽至少是系统频宽的三倍以上。因为系统设计时，为了系统的稳定，系统的前置增益，要求其Kp < hp hp ωδ2，这里较高的伺服阀频宽可以保证系统增益足够大，这样系统精度就可以较高，快速性和稳定性也可以得到保证。

五：电液伺服阀使用维护说明

1液压系统污染度要求

伺服阀的使用寿命和可靠性与工作液污染度密切相关。工作液不清洁轻则影响产品性能，缩短阀的寿命，重则使产品不能工作。因此，使用者对系统工作液的污染度应予特别重视。使用伺服阀的液压系统必须做到：

1.1安装伺服阀的液压系统必须进行彻底清洗。

新安装的液压系统管路或更换原有管路时，推荐按下列步骤进行清洗： A 在管路预装后进行拆卸、酸洗、磷化；

B然后在组装后进行管路的冲洗。

管路冲洗时，不应装上伺服阀，可在安装伺服阀的安装座上装一冲洗板。如果系统本身允许的话，也可装一换向阀，这样工作管路和执行元件可被同时清洗。向油箱内注入清洗油（清洗油选低粘度的专用清洗油或同牌号的液压油），启动液压源，运转冲洗（最好系统各元件都能动作，以便清洗其中的污染物）。在冲洗工作中应轻轻敲击管子，特别是焊口和连接部位，这样能起到除去水锈和尘埃的效果。同时要定时检查过滤器，如发生堵塞，应及时更换滤芯，更换下来的纸滤芯、化纤滤芯、粉末冶金滤芯不得清洗后再用，其他材质的滤芯视情况而定。更换完毕后，再继续冲洗，直到油液污染度符合要求，或看不到滤油器滤芯污染为止。排出清洗油，清洗油箱（建议用面粉团或胶泥粘去固定颗粒，不得用棉、麻、化纤织品擦洗），更换或清洗滤油器，再通过5~10m

μ的滤油器向油箱注入新油。启动油源，再冲洗24小时，然后更换或清洗滤器，完成管路清洗。

1.2在伺服阀进油口前必须配置公称过滤精度不低于10m

μ的滤油器，而且是全流通的非旁路型滤油器。

伺服阀内的过滤器是粗过滤器，是防止偶然“落网”的较大污染物进入伺服阀而设的因此切不可依赖内过滤器起主要防卫作用。过滤器的精度视伺服阀的类型而定，喷嘴挡板阀的绝对过滤精度要求5~10（NAS1638 5~6级），射流管阀的绝对过滤精度要求10~20m

μ（NAS1638 7~8级）

1.3使用射流管电液伺服阀的液压系统油液推荐清洁度等级为：

长寿命使用时应达到GB/T14039-2002中的-/15/12级（相当于美国NAS13638 6级）一般使用最差不劣于GB/T14039-2002中的-/18/15级（相当于NAS1638 9级）。

2、对伺服放大器的要求：

由于伺服阀马达线圈匝数较多，具有很大的感抗，所以伺服放大器必须是具有深度电流负反馈的放大器。只有极少响应较慢的系统才用电压反馈的放大器。电流负反馈放大器输出阻抗比较大，放大器和伺服阀线圈组成了一个一阶滞后环节，输出阻抗大，那么这个一阶环节的频率高，对伺服阀的频带就不会有太大的影响。放大器的功率级输出的一般原理图见图。不同的伺服系统对伺服放大器有各种不

同的要求，例如不同的校正环节，不同的增益范围及其他功能。但为了确保伺服

阀的正常使用，阀对放大器还提出：放大器要带有限流功能，确保放大器最大输出电流不至于烧坏线圈或不至引起阀的其他失败。伺服阀应能耐受2倍额定电流

的负荷。再要有一个输出调零电位器，因为伺服阀一般容许2%的零偏，及工况不同的零漂，在伺服阀寿命期内零偏允差可到5%～6%，所以调零机构要可调±%的额定电流输出值，某些伺服阀和系统还要求放大器带有颤振信号发生电10

路。

此外要注意输出端不要有过大的旁路电容或泄漏电容，避免与伺服阀线圈感抗一起产生不希望的谐振。伺服阀线圈与放大器的联接，推荐并联接法，此法可靠性高而且具有最小的电感值。

3、安装

3.1伺服阀安装座表面粗糙度值应小于Ra1.6m

μ，表面不平度不大于0.025mm；

3.2不允许用磁性材料制造安装座，伺服阀周围也不允许有明显的磁场干扰。

3.3伺服阀安装工作环境应保持清洁，安装面无污粒附着。清洁时应使用无绒布

或专用纸张。

3.4进口油和回油口不要接错，特别当供油压力达到或超过20Mpa时。

3.5检查底面各油口的密封圈是否齐全。

3.6每个线圈的最大电流不要超过2倍额定电流；

3.7油箱应密封，并尽量选用不锈钢板材。油箱上应装有加油及空气过滤用滤清

器。

3.8禁止使用麻线、胶粘剂和密封带作为密封材料。

3.9伺服阀的冲洗板应在安装前拆下，并保存起来，以备将来维修时使用。

3.10对于长期工作的液压系统，应选较大容量的滤油器。

3.11动圈式伺服阀使用中要加颤振信号，有些还要求泄油直接回油箱，伺服阀还

必须垂直安装。

3.12双喷挡伺服阀要求先通油后给电信号。

4、维修保护

4.1在条件许可的情况下，应定期检查工作液的污染度。

4.2应建立新油是“脏油”的概念，如果在油箱中注入10%以上的新油液，即应

换上冲洗板，启动油源，清洗24小时以上，然后更换或清洗滤油器，再卸下冲洗板，换上伺服阀。一般情况下，长时间经滤器连续使用的液压油往往比较干净。因此，在系统无渗漏的情况下应减少无谓的加油次数，避免再次污染系统。

4.3系统换油时，在注入新油前应彻底清洗油箱，换上冲洗板，通过5~10μm的滤油器向油箱注入新油。启动油源，冲洗24小时以上，然后更换或清洗滤器，完成管路、油箱的再次清洗。

4.4伺服阀在使用过程中出现堵塞等故障现象，不具备专业知识及设备的使用者不得擅自分解伺服阀，用户可按说明书的规定更换滤器。如故障还无法排除，应返回生产单位进行修理、排障、调整。

4.5如条件许可，伺服阀需定期返回生产单位清洗、调整。

4.6使用条件好的油源，油质保持相对较好的，可以较长时间不换油，这对系统可靠运行是有好处的。

4.7切忌让铁磁物质长期与马达壳体相接触，防止马达跑磁，跑磁严重时伺服阀甚至不能工作，轻则影响伺服阀零位和输出。

4.8除非外部有机械调零装置，否则不要自己擅拆伺服阀去调零。因为伺服阀是精密液压元件，调试离不开实验台，离不开专用工装夹具。

4.9伺服阀本身带有保护滤器，更换滤器的方法最好接受厂方的指导。

4.10伺服阀的装卸，增加了一次油源受污染的机会，所以千万要注意干净，这是最重要的保养要求。

六：伺服阀的故障、原因及排除

伺服阀的故障常常在电液伺服系统调试或工作不正常情况下发现的。所以这里有时是系统问题包括放大器、反馈机构、执行机构等故障，有时确是伺服阀问题。所以首先要搞清楚是系统问题、还是伺服阀问题。解决这疑问的常用办法是：一、有条件的将阀卸下，上实验台复测一下即可。二、大多数情况无此条件，这时一个简单的办法是将系统开环，备用独立直流电源、经万用表再给伺服阀供正负不同量值电流，从阀的输出情况来判断阀是否有毛病，是什么毛病。伐问题不大，再找系统问题，例如：执行机构的内漏过大，会引起系统动作变慢，滞环严重、甚至不能工作；反馈信号断路或失常等等，放大器问题有输出信号畸变或不工作，

系统问题这里不祥谈，下面主要谈谈阀的故障。

（1）阀不工作

原因有：马达线圈断线，脱焊；还有进油或进出油口接反。再有可能是前置级堵塞，使得阀芯正好卡在中间死区位置，阀芯卡在中间位置当然这种几率较少。马达线圈串联或并联两线圈接反了，两线圈形成的磁作用力正好抵消。

（2）阀有一固定输出，但已失控

原因：前置级喷嘴堵死，阀芯被赃物卡着及阀体变形引起阀芯卡死等，或内部保护滤器被赃物堵死。要更换滤芯，返厂清洗、修复。

（3）阀反应迟钝、响应变慢等

原因：有系统供油压力降低，保护滤器局部堵塞，某些阀调零机构松动，及马达另部件松动，或动圈阀的动圈跟控制阀芯间松动。系统中执行动力元件内漏过大，又是一个原因。此外油液太脏，阀分辨率变差，滞环增宽也是原因之一。

（4）系统出现频率较高的振动及噪声

原因：油液中混入空气量过大，油液过脏；系统增益调的过高，来自放大器方面的电源噪音，伺服阀线圈与阀外壳及地线绝缘不好，是通非通，颤振信号过大或与系统频率关系引起的谐振现象，再则相对低的系统而选了过高频率的伺服阀。（5）阀输出忽正忽负，不能连续控制，成“开关”控制。

原因：伺服阀内反馈机构失效，或系统反馈断开，不然是出现某种正反馈现象。（6）漏油

原因：安装座表面加工质量不好、密封不住。阀口密封圈质量问题，阀上堵头等处密封圈损坏。马达盖与阀体之间漏油的话，可能是弹簧管破裂、内部油管破裂等。

伺服阀故障排除，有的可自己排除，但许多故障要将阀送到生产厂，放到实验台上返修调试，再强调一遍：不要自己拆阀，那是很容易损坏伺服阀零部件的。用伺服阀较多的单位可以自己装一个简易实验台来判断是系统问题还是阀的问题，阀有什么问题，可否再使用。