三级电液伺服阀稳定性及其对系统的影响

　　0 概述

　　三级电液伺服阀已广泛应用在大功率和快速性要求高的设备上,已有许多用户反映,使用三级电液伺服阀的系统容易产生不稳定现象,且一旦遇到这类现象,设备无法正常工作,查找和排除故障原因往往相当困难。本文总结了已有的对三级电液伺服阀稳定性进行分析的文献,提出了作者对三级电液伺服阀稳定性分析的新见解,有利于对电液控制系统的理解和维护。

　　1 三级电液伺服阀的不稳定现象

　　严格地说,三级电液伺服阀的不稳定与系统的不稳定是有区别的,但它在设备上的表现通常是难以区别的,这无疑给解决三级电液伺服阀所在系统的稳定性问题带来难度。三级电液伺服阀的稳定性可分为广义的不稳定和狭义的不稳定。

　　凡是影响伺服系统正常工作,输出幅值超出误差范围的运动现象(含高频、低频、振幅有或无规律、连续或断续变化的现象)都可以理解为广义的不稳定。

　　控制原理所定义的不稳定现象(通常是高频、振幅过大且有规律的运动现象)都可以理解为狭义的不稳定。

　　对三级电液伺服阀的稳定性需要认真加以分析,这种分析首先需要了解三级电液伺服阀的结构。

　　2 三级电液伺服阀的结构与建模

　　三级电液伺服阀采用力矩马达作为电-机械转换装置,先导级是双喷嘴挡板+滑阀式力反馈两级电液伺服阀,功率级(主级,即第三级)采用滑阀结构,主级滑阀上有检测阀芯位移的传感器,其输出信号反馈到三级阀控制器,使整个三级电液伺服阀构成了一个位置闭环控制系统,如图1所示。

　　完整的三级电液伺服阀传递函数方框图如图2所示^[1]。

　　由图2推导出三级电液伺服阀的开环传递函数为:

　　式中:K_I为伺服放大器增益(A/V);

　　K_xI为前置阀阀芯位移-电流增益(m/A);

　　K_Q为前置阀空载流量系数(m²/s);

　　K_H为三级阀位置反馈增益(V/m);

　　A_P为主阀阀芯有效端面积(m²);

　　K_vf为先导阀惯性环节时间常数(s);

　　ω_m为先导阀固有频率(rad/s);

　　ω_f为主阀液压固有频率(rad/s);

　　ξ_m为力矩马达衔铁组件阻尼比(无因次)。

　　3 影响三级电液伺服阀稳定性的因素

　　下面根据三级电液伺服阀的构成分析其稳定性及其对系统的影响。

　　3.1 伺服放大器

　　伺服放大器将输入信号与位移传感器的反馈信号进行比较、放大和调节等运算后,输出一个与偏差电压信号成比例的控制电流给力矩马达的线圈。