电液伺服系统动态特性及控制
瑞典林雪平大学讲义
原着 ：Karl-Erik Rydberg Professor, PhD
本节导读：伺服阀台肩、窗口、遮盖量、流量增益曲线
液压伺服系统的核心是伺服阀，因此有必要彻底了解其特点。伺服阀是一个元件，其作用是电（或机械）输入信号和液压功率之间的接口。液压功率以流量和压力的乘积表示。根据应用工况使用不同类型的伺服阀。
3.1 节流边和油口的数量
伺服阀采用最广泛的结构是滑阀结构。典型的滑阀结构如图3-1所示。从图中可以看出，
滑阀可按台肩和油口的数量进行分类。由于所有的阀都需要供油，因此至少有一个回油和一个负载口，因此阀可分为三通或四通类型。
图3-1 伺服阀功率级的典型结构
图3-1所示的四通滑阀有两台肩、三台肩和四台肩。对于主滑阀的机械定位，可以使用两台肩或三台肩。对于有四个台肩（或至少有三个台肩）的滑阀，可以使用液压力来定位，常用于四通阀。
（译者注：这段话不容易理解，对于两台肩或者三台肩的滑阀，一般设计为三油口，连接油缸。负载口连接在油缸的无杆腔，供油口连接在油缸的有杆腔；油缸的无杆腔和有杆腔面积比为2:1。这是三通阀的典型应用。而对于四台肩的阀，通常情况下设计为四个油口，此时可以通过液压力来使阀芯保持平衡，比如常见的伺服阀结构，阀芯两端有控制油。当两端控制油压力相同时，阀芯处于平衡位置）这是高频响伺服阀的基本概念。
特殊伺服阀可能不止四个台肩，一个三通阀，如图3-1右下侧所示，需要有偏置压力作用
于非对称油缸的一侧，以提供反作用力。通常情况下，无杆腔面积为有杆腔面积的两倍，供油压力作用于有杆腔以保持活塞平衡。（译者注：对于三通阀的这种应用，供油压力通过PA节流边后，压降为Ps/2,所以无杆腔的力为A.Ps/2;有杆腔的力为PsxA/2。此时有杆腔和无杆腔力相同，活塞处于平衡状态）
3.2阀的中位类型
阀的中位类型是通过当阀处于零位时，阀芯的台肩宽度和阀套上窗口的宽度进行比较来定义的。如果台肩的宽度比阀套窗口的宽度小，阀被称之为正开口或负遮盖，如图3-2所示；零遮盖的阀，其阀芯台肩宽度和阀套窗口宽度相同；当一个阀的台肩宽度比阀套窗口大时，称之为正遮盖；
图3-2 当阀芯处于中位时不同的遮盖类型
伺服阀的流量特性直接和阀芯的遮盖量相关。和图3-2对应的有三种非常重要的流量增益特性，曲线如图3-3所示。实际上，通过零位附近的流量增益曲线来定义阀的遮盖类型比通过几何尺寸来定义要更加的方便。对于零遮盖的阀，其阀芯台肩宽度和阀套窗口宽度正好相同，以便于在零位附近得到流量的线性增益。通常情况下，零遮盖的阀有一个微小的遮盖量，用以弥补节流边处的间隙（译者注：伺服阀的节流边要求严格的锐边，但是完全的锐边是不可能达到的，总会有一个微小的倒圆角，一般规定不能大于R0.01）。
大多数四通伺服阀都加工成零遮盖结构，以便于得到线性流量增益。正遮盖的阀用得不多，因为在流量增益曲线中会有一段死区。使用比例放大器，死区会导致稳态误差，可能引起反冲（译者注：由于有死区，当给定指令信号时，在死区内无流量输出，当指令信号继续增大，超过死区有流量输出时，这个时候的信号已经很大了，会导致阀在死区的两个极限位置震荡），从而导致伺服闭环回路的稳定性问题。死区可以通过电气进行补偿，但是多少会影响伺服阀的响应时间。
图3-3 流量增益曲线（Xv为阀芯位移，Ql为负载流量）
负遮盖(正开口)的阀用于需要连续输出流量的系统，以便使油温保持一个恒定的范围，或者增加系统的阻尼。然而，在零位有大量的功率损失，此外，在正开口之外，流量增益会下降，压力增益也会下降，限制了这类阀在一些特殊场合的应用。
3.2.1 阀套
在一个伺服系统中，阀的流量特性是至关重要的，阀的加工制造精度非常高。与阀芯的台肩宽度、间隙等的匹配在任何工况下都要一直满足。为了补偿压力和温度的影响，阀芯在阀套内工作，阀套外面是阀体。阀套如图3-4所示，内外都充满了油压，因此不会影响阀芯和阀套的间隙（译者注：静压支撑）。
图3-4 伺服阀主阀芯和阀套（MOOG）
从图3-4可以看出，阀套上的窗口是一个矩形槽（流量窗口），每个油口至少包括两个，最高四个的流量窗口，对称均布与阀套上（译者注：阀套上的矩形窗口与阀芯的台肩相匹配）。这意味着过流面积可以通过阀芯的直径Ds、位移Xv求得：
此处fsc是阀套开口量占圆周的百分比，通常情况下，fsc在以下范围之间：
0.25≤Fsc≤0.5。（译者注：伺服阀的窗口梯度概念非常重要，一定要搞清楚，fsc.π.ds即为窗口梯度）。
