機器人驅動及控制第5章微型機器人壓電電動機驅動及控制●學習目標了解微型壓電電動機的發展簡史了解微型壓電電動機的特點及應用掌握微型壓電電動機的驅動機理掌握行波型超聲電機機理和運行特性掌握行波型超聲電機驅動控制方法了解新構型壓電電機工作原理了解壓電電機在關節機器人中應用01020304050607

傳統電磁電機由于受工作原理和結構型式限制已無法滿足微型機器人所需驅動器具有的能耗低、易于微型化、位移和力輸出較大、動作響應快、線性控制性能好等技術要求。

利用壓電陶瓷逆壓電效應使彈性體產生振動的壓電電機因具有設計靈活、結構緊湊、低速大轉矩、低噪聲和不產生磁場、也不被外界磁場干擾等優點，已成為當前包括微型機器人在內的機電驅動和控制領域的研究熱點。5.1概述壓電電機不像傳統電磁電機利用電磁力而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和振動來獲得運動和力矩，將材料的微觀變形通過機械共振放大和摩擦耦合轉換成轉子（或動子）的旋轉（或直線）運動。壓電電動機定義2025/2/115.1概述5.1.1發展簡史

1942年，美國學者首次申請了專利，揭示了基本原理，進入了電機研究萌芽階段。

1972年，德國西門子和日本松下電器公司研制出具有應用前景的壓電超聲電動機。

1987年，日本佳能公司將環狀行波壓電超聲電機應用于相機自動調焦系統，標志著壓電超聲電動機正式走向實際應用階段。

1990年，清華大學申請了國內首項超聲電機的發明專利，從此進入了快速發展時期。

1995年，南京航空航天大學成功研制出首臺具有應用前景的環形壓電行波超聲電機。2025/2/11

5.1.2壓電電動機特點

優點

結構緊湊、設計靈活。結構簡單，易于微型化和多樣化。選用合適壓電陶瓷材料和摩擦材料，可在低溫、高溫和真空等極端條件下工作。

環境適應性強。沒有磁極和繞組，利用壓電陶瓷逆壓電效應、超聲振動和摩擦耦合來轉換動力；工作時不產生磁場，也不受外界磁場影響，抗電磁干擾性強。

定位精度高、響應速度快。依靠定子產生微米級振幅來驅動轉子旋轉，響應速度快，沒有游隙和回程間隙，系統可達到微米級的定位精度。

低速、大扭矩。不存在減速機構，可直接驅動，提高了傳動效率，降低了能耗和傳動誤差。單位體積上輸出扭矩較大，一般為傳統電磁電機的10倍左右。5.1概述2025/2/11

5.1.2壓電電動機特點

缺點

輸出功率較小。壓電電機及其控制系統輸出功率較小，難以制造出輸出功率1kW以上的壓電電機，目前，旋轉行波型壓電超聲電機輸出功率小于50W。

壽命較短。大多數的壓電電機通過定、轉子間的摩擦傳遞能量，摩擦界面磨損嚴重。此外，壓電陶瓷在高頻振動下會產生疲勞損壞，特別是在電機功率較大和溫度較高時疲勞損傷更為嚴重。

價格昂貴。壓電陶瓷作為一種智能材料，其工藝精度要求較高，且電機的集成控制電路成本較高，使得壓電電機及壓電系統在應用中的性價比還不高。只有在一些特殊的場合，性價比才得以呈現。5.1概述2025/2/11

5.1概述5.1.3壓電電動機分類轉子轉動機理行波型壓電電動機定子中產生的行走橢圓運動推動轉子，屬于連續驅動方式駐波型壓電電動機做固定橢圓運動的定子推動轉子，屬于間斷驅動方式結構和轉子運動形式旋轉型壓電電動機直線型壓電電動機轉子運動自由度單自由度壓電電動機多自由度壓電電動機彈性體和移動體接觸情況接觸式壓電電動機非接觸式壓電電動機2025/2/11

5.1概述5.1.4壓電電動機應用

航空航天領域。壓電電機自身不產生磁場，也不受磁場干擾，電磁兼容性好，勝任太空輻射、太陽磁暴和極端溫度變化等惡劣、極端的工作環境，結構易于微型化和多樣化，是空間探測器的理想動力驅動器。2025/2/11

5.1概述5.1.4壓電電動機應用

照相機調焦系統。日本佳能公司將超聲波電動機成功應用到EOS系列照相機鏡頭中。尼康公司和奧林巴斯公司也均將超聲波電動機應用到自己的產品中。具有調焦時間短、噪聲低、定位精度高、體積小和重量輕等優點。2025/2/11

5.1概述5.1.4壓電電動機應用

機器人關節驅動。隨著人工智能的發展，機器人手臂越來越向輕型化、柔性化、低剛度和定位精確化方向發展，以實現自如的活動。以往驅動裝置多采用電磁電機或液壓裝置驅動，配套件復雜，增加了手臂的體積和重量，不利于機器人向微型化方向發展。2025/2/11

5.1概述5.1.4壓電電動機應用

精密定位裝置和隨動系統。超聲波電機響應速度快，當位置傳感器檢測到目標位置信號的瞬間，切斷電源，電機立即停止工作，定位精確，開環控制即可實現較高的精密定位。超聲波電機用于精密定位裝置，啟、停響應速度快的特點很適合隨動系統。

掃描電子顯微鏡試料架的驅動。掃描電子顯微鏡試料架位置采用超聲波電動機直接驅動，省掉了復雜的傳動機構，減小了手動誤差，使定位更加精確。2025/2/115.1概述5.1.4壓電電動機應用

生物醫療領域。磁共振兼容設備基于靜態磁場工作，這些設備在靜態磁場中工作時不應產生電磁干擾。超聲波電機因具有不產生磁場、也不受外界磁場所干擾的特性，不會對成像過程造成干擾，在該領域已成功商業化。

汽車領域。德國奔馳將超聲電機用于驅動汽車車窗或調整座椅。日本豐田將超聲電機用于豪華轎車上操縱后視鏡和座椅頭靠。2025/2/115.2微型壓電電動機驅動機理

5.2.1壓電效應概述

壓電顧名思義就是當外力使材料發生形變時隨之發生的發電現象。

當晶體受到某固定方向外力作用時，內部產生電極化現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電狀態；當外力作用方向改變時，電荷極性也隨之改變。這一現象稱為壓電效應或正壓電效應。

反之，若在晶體上施加電場，從而使該晶體產生電極化，同時也將產生應變和應力，當電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失，這就是逆壓電效應。

壓電電動機就是利用逆壓電效應進行工作的。2025/2/115.2微型壓電電動機驅動機理

5.2.1壓電效應概述

自然界中大多數晶體具有壓電效應，但壓電效應十分微弱。通常把明顯呈現壓電效應的敏感功能材料叫作壓電材料。

壓電材料分為壓電晶體和壓電陶瓷兩大類，其中壓電陶瓷是制造壓電電機的重要材料。

箭頭方向為壓電陶瓷極化方向。當壓電材料上下表面施加正向電壓，即形成上正下負電場，則壓電材料在長度方向伸長，高度方向收縮；反之，若施加反向電壓，則會在長度方向收縮，高度方向伸長。

在壓電體表面施加交變電場時，壓電體就會激發出某種模態的彈性振動。外加電場交變頻率與壓電體機械諧振頻率相同時，壓電體就進入諧振狀態，稱為壓電振子。

當振動頻率高于20kHz時，就進入超聲振動狀態。2025/2/115.2微型壓電電動機驅動機理

5.2.2橢圓運動及作用

超聲振動是超聲波電動機工作的基本條件，起驅動源作用。但并不是任意超聲波振動都具有驅動作用，必須具備一定的形態，即振動位移的軌跡是一個橢圓時，才具有連續的定向驅動作用。

靜止狀態下定子與轉子表面有一微小間隙。定子產生超聲振動時，其上的接觸摩擦點A做周期性運動，軌跡為一橢圓。

A點運動到橢圓上半圓周時與轉子表面接觸，通過摩擦撥動轉子旋轉；

A點運動到橢圓下半圓周時與轉子表面脫離，并反向回程。

如果這種橢圓運動連續不斷地進行下去，則對轉子就具有連續定向的撥動，從而使轉子連續不斷地旋轉。2025/2/115.2微型壓電電動機驅動機理

5.2.2橢圓運動及作用

φ=nπ(n=0,±1,,±2)時，兩位移同相運動，合成軌跡為一直線。

φ≠nπ時，軌跡為一橢圓。且φ=nπ±π/2時，軌跡為規則橢圓。

相位差φ的取值決定了橢圓運動的旋轉方向，φ＞0時，橢圓運動為順時針方向；φ＜0時，橢圓運動為逆時針方向。

橢圓運動旋轉方向決定了定子對轉子的撥動方向，也就決定了超聲波電機的轉向。

若在空間有兩個相互垂直簡諧運動形成的振動位移ux和uy，振動角頻率為w，振幅為和，時間相位差為φ，則有消去時間整理得2025/2/115.3行波型超聲波電動機

5.3.1電動機結構

環形行波型超聲波電機由下端蓋、定子、轉子、上端蓋、軸承、碟簧和輸出軸組成。

核心是由壓電陶瓷和彈性體組成的定子和與定子接觸的接觸面粘有摩擦材料的轉子。

定子和轉子均為一薄圓環結構，整個電動機呈現扁圓環形結構。

定子上端面開有一圈梳狀齒槽，下端面通過粘接劑粘有環狀壓電陶瓷片，定、轉子之間依靠碟簧形變所產生的軸向壓力壓緊在一起。2025/2/115.3行波型超聲波電動機

5.3.1電動機結構

壓電陶瓷按下圖極化，即可產生兩個在時間和空間上都相差90°的駐波。

壓電陶瓷環極化為A、B兩個相區，為驅動的兩相電極；兩相區之間有λ/4的S區域未極化，利用正壓電效應實時產生反映定子振動狀態的反饋信號作為控制驅動電源的輸出頻率。

另有3λ/4區域作為A、B相區公共區。每隔λ/2沿厚度方向極化。相鄰兩個分區極化方向相反，分別以“+”“-”表示，電壓激勵下，一段收縮，另一段伸長，構成一個波長為λ的彈性波。2025/2/11

5.3行波型超聲波電動機5.3.2工作原理定子行波的產生

將極化方向相反的壓電陶瓷片粘貼于彈性體上，壓電陶瓷施加交變電壓時，產生交替伸縮形變，在一定電壓和頻率作用下，彈性體產生駐波，用方程表示為A、B區駐波在時間和空間上分別相差90°，方程為在彈性體中，兩列駐波疊加可得2025/2/11

5.3行波型超聲波電動機5.3.2工作原理定子表面質點運動軌跡

定子A區和B區施加對稱周期性激勵電壓，在定子圓環表面圓周上形成行波。行波的振幅比其波長小得多，彈性體彎曲角度φ很小，z方向位移近似為彈性體厚度h，h0=h/2。彈性體表面任一點P在彈性體未撓曲時的位置為P0，從P0到P在z方向的位移為從P0到P在x方向位移為2025/2/11

5.3行波型超聲波電動機5.3.2工作原理定子表面質點運動軌跡

彈性體表面任意一點P按橢圓軌跡運動，使表面質點對移動體產生驅動力，且運動方向與行波傳播方向相反。彈性體彎曲角度φ為整理得x方向的位移近似為

彈性體制成環形結構，受到壓電陶瓷激勵產生逆時針彎曲行波時，表面質點呈現順時針方向橢圓旋轉運動。

在摩擦力的驅動下，轉子壓緊在彈性體表面就會轉動起來。

為增大定、轉子接觸處的振動速度，定子表面開槽，提高超聲波電機的轉換效率，改善電機的性能。2025/2/11

5.3行波型超聲波電動機5.3.3轉子運動速度

調節激振頻率可以調節電動機轉速。保持兩相駐波等幅的前提下，忽略激勵電壓的非線性對壓電陶瓷應變的影響，改變駐波振幅，即調節壓電陶瓷的激勵電壓，可以做到線性調速，這是調壓調速的一大優點。彈性體表面質點沿x方向運動速度為沿x方向的運動速度在行波的波峰和波谷處最大。最大速度為“-”表示移動體運動方向與行波行進方向相反。若定、轉子之間沒有滑動，且轉子表面與定子振動波形相切，則轉子速度=橢圓最高點的運動速度。實際上，定子與轉子表面存在滑動，電機轉子的實際速度<假設行波移動速度v為常數，由行波特點上式可得f

為電動機的激勵頻率。2025/2/11

5.3行波型超聲波電動機5.3.4電動機運行特性

運行特性主要是指轉速、效率和輸出功率等與輸出轉矩之間的關系。這些特性與電機類型和控制方式有關。

機械特性與直流電機相似，但電機轉速隨轉矩的增大快速下降，并且明顯呈現出非線性的變化趨勢。

效率特性與直流電機明顯不同，最大效率出現在低速、大轉矩區域，故超聲波電動機適合低速運行。

效率較低，環形行波型超聲波電機效率一般不超過45%。2025/2/115.4行波型超聲波電動機驅動與控制5.4.1驅動控制方法

電壓幅值控制改變電壓幅值可以直接改變行波的振幅。但是電壓過低，壓電元件有可能不起振，電壓過高又會接近壓電元件的工作極限，實際應用中一般不采用調壓調速方案。

變頻控制調節諧振點附近的頻率可以調節電動機的轉速和轉矩，頻率控制對超聲波電機最為合適。由于電動機工作點在諧振點附近，故調頻具有響應快的特點。但是電動機工作時由于諧振頻率的漂移，控制系統要有自動跟蹤頻率變化的反饋回路。2025/2/115.4行波型超聲波電動機驅動與控制5.4.1驅動控制方法

相位差控制改變兩相電壓的相位差，可以改變定子表面質點的橢圓運動軌跡，從而改變電動機的轉速。但是這種控制方法低速啟動困難，驅動電源設計較復雜。

正反脈寬調幅控制調節電動機正反脈寬比例（占空比）即可實現速度控制。

在以上四種控制方式中，由于變頻控制響應快、易于實現低速起動，應用得最多。2025/2/11

5.4行波型超聲波電動機驅動與控制5.4.2驅動控制電路

超聲波電動機驅動控制電路主要由高頻信號發生電路、移相電路、功率放大電路和頻率自動跟蹤電路四部分組成。

驅動控制電路為超聲波電機提供一定幅值、相位差90°的高頻激勵電壓信號。

高頻信號發生電路是驅動電路的核心。用于產生超聲頻率的激勵信號。

超聲頻率信號可以由諧振電路、計算機控制的定時計數器和壓控振蕩電路等多種方法產生。

為保證超聲波電動機始終在最佳驅動頻率下工作，驅動電源中設置自動頻率跟蹤電路。2025/2/11

5.5其他構型壓電電動機5.5.1駐波型超聲波電動機

定子激勵單純駐波振動，質點做往復直線運動，通過轉換裝置或與其他運動組合，把往復直線運動轉換為橢圓運動，驅動轉子旋轉。

由蘭杰文振子（由兩塊金屬夾持兩片壓電陶瓷元件，并用螺栓緊固在一起）、振子前端的楔形振動片和轉子三部分組成。

振子端面沿長度方向振動，楔形結構振動片的前端面與轉子表面傾斜接觸，誘發振動片前端向上運動，形成橫向共振。

縱、橫向振動的合成使振動片前端質點的運動軌跡近似為橢圓，滿足超聲波電機運動的形成機理。

楔形超聲波電機以縱振動為驅動力，前端振動片在驅動力作用下橫向彎曲振動，從而撥動轉子旋轉。

楔形超聲波電動機2025/2/115.5其他構型壓電電動機5.5.1駐波型超聲波電動機

定子由兩個獨立的振子組成。縱振子控制定子與轉子之間的摩擦力，扭振子控制輸出轉矩。縱向振動和扭轉振動在定子彈性體合成為質點的橢圓運動。

一個振動周期，當定子做伸長縱向運動時，定子與轉子接觸，扭轉振子的運動通過摩擦力傳遞給轉子，以輸出轉矩。當定子做縮短縱向運動時，定子與轉子脫離，定子相反方向的扭轉運動不傳遞給轉子，保證轉子單方向旋轉。

兩種復合運動可以獨立控制，電機輸出轉矩大，工作穩定，可雙向旋轉。

縱扭復合型超聲波電動機2025/2/115.5其他構型壓電電動機5.5.2直線型超聲波電動機

利用兩個蘭杰文振子作為激振器和吸振器的結構型式。

激振器上外加激勵電壓產生逆壓電效應，使梁振動。此時吸振器受到梁的振動產生正壓電效應，所產生的能量消耗在與之相連的負載上。

當吸振器能很好地吸收激振器傳來的振動波時，有限長直梁就好像變成了半無限長直梁，形成單向行波。

與環形行波型超聲波電機工作原理相同，梁表面質點做橢圓運動，驅動移動體做直線運動。

激振器和吸收器調換位置，形成反向行波，實現反向運動。2025/2/115.5其他構型壓電電動機5.5.3多自由度超聲波電動機

在高性能機器人的柔性關節、人形機器人的髖關節和全方位仿生運動的球形關節等應用場合，要求輸出軸能全方位運動，即要求有多個自由度的電動機驅動。

兩自由度球形超聲波電動機

主要由一個球形轉子和兩個定子組成。

定子與行波型超聲波電機定子類似，但端面加工成內凹球面，以便與球形轉子保持良好接觸。

定子位于空間不同位置，每個定子可驅動球形轉子繞相應軸線旋轉，故電動機有兩個自由度。2025/2/115.5其他構型壓電電動機

三自由度超聲波電動機5.5.3多自由度超聲波電動機

電機定子為圓柱體，轉子為球體。

定子采用螺桿結構，把金屬彈性體和3組6片壓電陶瓷元件及電極片夾持在一起。

彎曲振子的壓電陶瓷元件分割為兩部分，相互反向極化。壓電陶瓷按極性相反順序兩兩疊合為一組。

為激發正交彎曲振動模態，兩彎曲振動陶瓷元件在空間相位差90°，即U、V兩組激發彎曲振動，W組激發縱向振動。

質點彎曲振動與縱向振動合成為橢圓運動，兩個彎曲振動合成行波，因此任意兩組壓電陶瓷通電都可以驅動球形轉子沿相應軸線轉動，電機的運動為兩兩正交的三自由度。2025/2/115.5其他構型壓電電動機5.5.4桿式壓電電動機

將壓電驅動、諧波傳動和活齒傳動集成于一體，利用活齒嚙合取代定、轉子之間的摩擦力來驅動轉子旋轉，減小摩擦和磨損，提高電動機的工作效率和使用壽命。

壓電陶瓷片組驅動型

由電機定子（提供動力）和活齒傳動系統兩部分組成。

定子包括上配重塊、下配重塊和壓電陶瓷片組。陶瓷片組通過定子上、下配重塊上的螺紋連接并壓緊。

活齒傳動系統主要由激波器（柔輪）、活齒架、活齒和中心輪組成。2025/2/115.5其他構型壓電電動機2025/2/11

壓電陶瓷片組由5片壓電陶瓷片、3片接電片和2片地極片組成。每片陶瓷片表面鍍銀，上表面分兩個區，一個正向極化，另一個反向極化，下表面不分區為全電極。

當極化方向與所加電壓的電場方向一致時，此分區產生伸長變形，反之將產生壓縮變形。

每片陶瓷片在交變電壓產生的交變電場作用下，若其頻率接近定子的一階彎曲共振頻率時，將使定子上配重塊產生彎曲共振。

取4片陶瓷片，將其分為U相和V相兩組。

壓電陶瓷片組驅動型5.5其他構型壓電電動機

當定子中的壓電陶瓷片組U相和V相同時施加同頻、同幅的正弦和余弦交變電壓（其頻率接近定子一階彎曲共振頻率）時，定子將產生左右和前后方向的彎曲共振模態，這兩個共振模態的合成使定子上端圓周面呈現出一階勻速旋轉彎曲共振模態。

反饋相利用壓電陶瓷片的正壓電效應產生的交變電壓，作為反饋電壓對電機定子彎曲狀態進行檢測和對電機速度進行控制，從而使電機轉速趨于穩定。2025/2/11

壓電陶瓷片組驅動型5.5其他構型壓電電動機

定子彎曲經與之配合的柔輪放大后，柔輪對活齒將產生徑向推力，迫使與中心輪嚙合的活齒在沿活齒架均布的徑向導槽移動的同時，也沿著中心輪工作齒廓滑滾。

活齒架的徑向導槽推動活齒架以等角速度轉動，帶動與之固連的輸出軸旋轉。

與中心輪非嚙合的活齒，在活齒架均布的徑向導槽反推作用下，順序地返回工作起始位置。

傳動系統完成了由定子彎曲運動到輸出軸轉動的轉換過程。2025/2/11

壓電陶瓷片組驅動型5.5其他構型壓電電動機

若用ns

表示柔輪旋轉速度，nR

表示活齒架旋轉速度，O表示活齒架旋轉中心，O’表示柔輪幾何中心，則壓電陶瓷片組驅動型桿式壓電電動機運動見右圖。

壓電陶瓷片組驅動型2025/2/11

5.5其他構型壓電電動機2025/2/11

由驅動部分和傳動部分構成。驅動部分包括壓電疊堆、彈性體、擺動體和調整彈簧，傳動部分包括波發生器、中心輪、活齒架和活齒。

壓電疊堆驅動型

壓電疊堆驅動型

由兩個互為90°布置于下殼體內側的壓電疊堆提供動力。

未工作時，各零件在調整彈簧彈力的作用下緊密接觸，擺動體朝彈性體一側偏移。

工作時，被施加正弦和余弦信號的壓電疊堆產生伸縮變形，作用于彈性體再傳遞給擺動體，實現前后和左右擺動，通過彈性體和擺動體兩級位移放大，與擺動體固連的波發生器圓周形成連續性行波。

波發生器推動活齒沿中心輪齒廓移動，活齒帶動活齒架和轉子發生轉動。5.5其他構型壓電電動機2025/2/115.5其他構型壓電電動機5.5.5旋轉尺蠖壓電電動機

驅動器根據驅動信號頻率可分為準靜態驅動器和超聲驅動器。

尺蠖壓電電動機屬于準靜態驅動器，驅動信號頻率較低。

該電機以壓電疊堆為驅動源，因定子的特殊結構，工作時驅動機構可產生角位移，具有鉗位裝置可調、結構簡單、能夠實現大行程與高精度、高分辨率很好兼容等優點。

基于尺蠖運動機理的壓電電機逐漸應用于高精密測量、微小機器人、精密加工裝配和納米科學儀器等領域。2025/2/115.5其他構型壓電電動機5.5.5旋轉尺蠖壓電電動機

旋轉尺蠖壓電電機主要由軸承、轉子、鉗位機構、壓電疊堆、底板、驅動機構、基座和底座組成。

2025/2/115.5其他構型壓電電動機5.5.5旋轉尺蠖壓電電動機

施加圖(a)時序信號，壓電疊堆1伸長，鉗位機構3頂住轉子。

施加圖(b)時序信號，壓電疊堆5伸長，由于驅動機構利用杠桿位移放大原理，驅動機構7發生彎曲。鉗位機構3帶動轉子9順時針轉過一定角度θ。

2025/2/115.5其他構型壓電電動機5.5.5旋轉尺蠖壓電電動機

施加圖(c)時序信號，壓電疊堆2伸長頂住轉子后撤消壓電疊堆1和5的電壓信號，鉗位機構3和驅動機構7恢復原狀。鉗位機構4帶動轉子轉過角度θ。2025/2/115.5其他構型壓電電動機5.5.5旋轉尺蠖壓電電動機

施加圖(d)時序信號，壓電疊堆6伸長，驅動機構8發生彎曲，鉗位機構4再帶動轉子轉過角度θ。

撤消壓電疊堆2和6電壓信號，鉗位機構4和驅動機構8恢復原狀。轉子轉過角度3θ，完成周期動作。

時序信號回到初始狀態，壓電疊堆1開始伸長，重復上述動作實現連續運動。2025/2/115.6壓電電動機在關節機器人中的應用5.6.1關節機器人結構

關節機器人各關節均采用超聲電機驅動。每一關節配備一臺中空型旋轉編碼器，與電機輸出軸固聯于一起，超聲電機帶動機械臂運動的同時帶動編碼器動作，實現位置測量。

各關節與超聲電機直接連接，可以提供低速大扭矩，沒有減速齒輪，不存在齒輪傳動的間隙調整機構，使整個機器人的結構緊湊輕巧。2025/2/115.6壓電電動機在關節機器人中的應用5.6.2關節機器人控制系統

控制系統是機器人的神經中樞，是實現各種控制算法和控制策略的實際載體。機器人的控制系統主要由計算機硬件系統、軟件系統、輸入/輸出設備及裝置、關節執行電機驅動器和傳感器系統等各子系統組成。2025/2/115.6壓電電動機在關節機器人中的應用5.6.2關節機器人控制系統

機器人控制系統按其控制方式可分為集中控制、主從控制和分散控制三類。

集中控制方式

主從控制方式分散控制方式用一臺計算機實現全部控制功能，這種方式結構簡單，成本低，但實時性差，難以擴展。主CPU實現管理、坐標變換、軌跡生成和系統自診斷等，從CPU實現所有關節的動作控制。系統實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統擴展性較差，維修困難。將系統控制分成幾個模塊，每個模塊各有不同的控制任務和控制策略，各模塊之間可以是主從關系，也可以是平等關系。系統實時性好，易于實現高速、高精度控制，易于擴展，可實現智能控制，是目前流行的控制方式。2025/2/115.6壓電電動機在關節機器人中的應用5.6.2關節機器人控制系統

三自由度機器人采取集中控制方式，在PC內嵌入高性能數字控制模塊（運動控制卡），以插件形式插入到PC系統中。

運動控制卡：

利用其模擬電壓量輸出來調節電動機轉速。

利用該卡提供的功能讀出光電編碼器的脈沖值。

驅動電路采用隔離型的半橋、全橋或推挽式的兩相諧振驅動電路。2025/2/115.6壓電電動機在關節機器人中的應用

調頻調速調相調速脈寬調制調速5.6.3關節機器人速度控制

行波型超聲電機驅動控制是改變對壓電陶瓷的激勵參數，來控制定子的振動特性。

根據驅動原理，電機調速有調壓調速、調頻調速、調相調速和脈寬調制調速四種方法。

調壓調速改變施加在壓電陶瓷上的電壓幅值，從而調節行波的幅值以改變轉速。驅動頻率工作在諧振頻率時，振幅最大，轉速最高。反之轉速降低。改變頻率可直接影響轉速。改變電機兩相工作電壓之間的相位差，從而改變定子表面質點的橢圓運動軌跡以改變轉速。通過改變通斷電時間比例或正反轉時間比例（調節低頻占空比）來實現調速。2025/2/11本章小結行波超聲電機桿式壓電電機電機控制方式壓電電動機壓電電動機利用壓電材料的逆壓電效應和振動來獲得其運動和力矩，將材料的微小變形通過機械共振放大和摩擦耦合轉換成轉子的旋轉/直線運動。行波型超聲波電機定子由環形彈性體和環形壓電陶瓷組成，壓電陶瓷極化兩個相區，通以相位差90°的高頻電壓，激勵彈性體形成行波，驅動轉子旋轉。超聲波電機可采用電壓幅值控制、變頻控制、相位差控制和正反脈寬調幅控制四種速度控制方式。變頻控制響應快、易于實現低速起動，應用最多。桿式壓電電機將壓電驅動、諧波傳動和活齒傳動集成于一體，利用壓電陶瓷逆壓電效應激勵定子上端圓周面產生諧波，驅動活齒傳動系統輸出動力。2025/2/11第6章液壓控制元件基礎●學習目標掌握液壓伺服控制系統原理及特點了解液壓控制閥結構及分類掌握滑閥靜態特性分析方法掌握零開口四邊滑閥靜態特性掌握正開口四邊滑閥靜態特性了解滑閥輸出功率及效率掌握四邊閥控缸傳遞函數建立和特性01020304050607

機器人驅動控制最常見的驅動方式為電力驅動，但電力驅動的輸出功率較小、驅動器與機器人關節連接處的減速齒輪等傳動元件易磨損或破壞，在一些大功率作業場合，一般采用液壓驅動控制。

液壓驅動具有高功率、高帶寬、快響應及精確性，能夠滿足機器人尤其是特種機器人戶外或野外作業所需要的高負荷及快速運動需求。

液壓驅動系統采用內燃機提供能源動力，通過添加燃料進行快速補給，具有續航能力長，比電力驅動更具優勢。大狗機器人排澇機器人林業機器人6.1液壓伺服控制系統概述

液壓伺服控制系統具有響應速度快、抗負載剛度大、功率-重量比大、體積小和重量輕等優點，在機器人驅動控制領域占據重要位置。相比電力伺服控制系統，其動態調整能力更強。2025/2/116.1液壓伺服控制系統概述

液壓伺服控制系統是以液壓動力元件作驅動裝置所組成的反饋控制系統。輸出量（位移、速度和力）能夠自動、快速而準確地復現輸入量的變化規律。同時，還對輸入信號進行功率放大，因此也是一個功率放大裝置。6.1.1液壓伺服控制系統工作原理及組成

液壓泵是系統壓力源，以恒定的壓力向系統供油，供油壓力由溢流閥調定。

液壓動力元件由四邊滑閥和液壓缸組成。滑閥是轉換放大元件，將輸入的機械信號（閥芯位移）轉換成液壓信號（流量、壓力）輸出，并加以功率放大。

液壓缸是執行元件，輸入壓力油流量，輸出運動速度或位移。滑閥閥體與液壓缸缸體集成于一體，構成反饋回路。此系統為閉環控制系統。2025/2/116.1液壓伺服控制系統概述6.1.1液壓伺服控制系統工作原理及組成

當滑閥閥芯處于閥套中位（零位）時，閥的四個窗口均關閉（閥芯凸肩寬度=閥套窗口寬度），閥沒有流量輸出，液壓缸不動。

給閥芯輸入位移xi，則窗口a、b便有一個相應開口量xv=xi，壓力油經窗口a進入液壓缸右腔，推動缸體右移，液壓缸左腔油液經窗口b回油。缸體右移的同時，帶動閥體也右移xp，使閥的開口量減小，即xv=xi-xp。

缸體位移=閥芯位移(xi=xp)，閥的開口量xv=0，閥的輸出流量為零，液壓缸停止運動，達到一個新的平衡，從而完成了液壓缸輸出位移對閥芯輸入位移的跟隨運動。2025/2/116.1液壓伺服控制系統概述6.1.1液壓伺服控制系統工作原理及組成

這個系統輸出位移之所以能自動、快速而準確地復現輸入位移的變化，是因為閥體與液壓缸缸體集成于一體，構成了負反饋閉環控制系統。

控制過程中液壓缸的輸出位移能夠持續不斷地反饋到閥體上，與滑閥閥芯輸入位移相比較，得出兩者之間的位置偏差，這個位置偏差就是滑閥的開口量。

滑閥有開口量就有壓力油輸出到液壓缸，驅動液壓缸運動，使閥的開口量（偏差）減小，直至輸出位移與輸入位移相同。即此系統是靠偏差工作，用偏差來消除偏差，這就是反饋控制的原理。2025/2/11

6.1液壓伺服控制系統概述

該系統中，移動滑閥閥芯所需要的信號功率很小，而系統的輸出功率可以達到很大，這是一個功率放大裝置。功率放大所需的能量由液壓能源提供，由伺服系統偏差的大小自動進行供給能量的控制。因此，液壓伺服系統也是一個控制液壓能源輸出的裝置。6.1.1液壓伺服控制系統工作原理及組成

該系統控制工作臺（負載）的位置，使之按照指令電位器給定的規律變化。系統由指令電位器、反饋電位器、電子放大器、電液伺服閥、液壓缸和工作臺組成。

由于采用電液伺服閥作為液壓控制元件，所以也稱為閥控式電液位置伺服系統。2025/2/11

6.1液壓伺服控制系統概述6.1.1液壓伺服控制系統工作原理及組成

指令電位器將動觸點位置指令xi轉換成指令電壓ur，被控制的工作臺位置xp由反饋電位器檢測并轉換為反饋電壓uf。兩線性電位器接成橋式電路，得到偏差電壓ue=ur-uf=K(xi-xp)，K=U/x0為電位器增益。

當工作臺位置xp與指令位置xi一致時，電橋輸出偏差電壓ue=0，此時伺服放大器輸出電流為零，電液伺服閥處于中位（零位），沒有流量輸出，工作臺靜止。2025/2/11

6.1液壓伺服控制系統概述6.1.1液壓伺服控制系統工作原理及組成

指令電位器動觸點位置發生變化時，如向右移動一個位移△xi，在工作臺位置發生變化之前，電橋輸出偏差電壓ue=K△xi，偏差電壓經伺服放大器放大后變為電流信號去控制電液伺服閥，電液伺服閥輸出壓力油到液壓缸推動工作臺右移。

隨工作臺的移動，電橋輸出偏差電壓逐漸減小，當工作臺位移=指令電位器位移(△xp=△xi)時，電橋輸出偏差電壓為零，工作臺停止運動。若指令電位器動觸點反向運動，工作臺也反向跟隨運動。2025/2/11

6.1液壓伺服控制系統概述

以液壓為能源，具有功率放大作用，是一個功率放大裝置。功率放大所需能源由壓力油源提供，供給能量大小是由轉換元件根據系統偏差大小調節。

液壓控制系統是一個自動跟蹤系統（即隨動系統）。伺服控制系統中，液壓缸的位移按輸入指令的變化規律變化。即系統的輸出量能夠自動跟隨輸入量的變化而變化。

液壓控制系統是一個負反饋控制系統，依靠偏差信號工作。此類系統都是靠偏差信號進行調節，按照控制理論中負反饋控制原理來工作的，即以偏差來消除偏差。液壓伺服控制系統特點2025/2/11

6.1液壓伺服控制系統概述

輸入元件也稱指令元件，它給出輸入信號（指令信號）加于系統的輸入端。可以是機械、電氣等。

比較元件也稱比較器，它將反饋信號與輸入信號進行比較，給出偏差信號。

放大轉換元件將比較元件給出的偏差信號進行放大、并進行能量轉換，以液壓信號（流量或壓力）的形式輸入執行機構，控制執行元件運動，如伺服放大器、機液伺服閥和電液伺服閥等。系統組成2025/2/11

6.1液壓伺服控制系統概述

執行元件按指令規律動作，驅動被控對象做功，實現調節任務，如液壓缸和液壓馬達等。

反饋測量元件測量系統的輸出并轉換為反饋信號，這類元件也有多種形式，位移、速度、壓力或拉力等各種類型傳感器就是常用的反饋測量元件。

被控對象它是與執行元件可動部分相連接并一起運動的機構或裝置，即系統所要控制的對象，即負載。系統組成2025/2/116.1液壓伺服控制系統概述6.1.2液壓伺服控制優缺點

優點

功率-重量比和力矩-慣量比（或力-質量比）大電氣元件最小尺寸取決于最大有效磁通密度和功率損耗產生的發熱量，而最大有效磁通密度受磁性材料磁飽和限制，散熱困難，故結構尺寸大，功率-重量比和力矩-慣量比小。液壓元件功率損耗產生的熱量可由油液帶到散熱器進行散熱，尺寸主要取決于最大工作壓力。由于最大工作壓力可以很高（可達32MPa），所以液壓元件的體積小、重量輕，而輸出力或力矩卻很大，使功率-重量比和力矩-慣量比（或力-質量比）大。

快速性好，系統響應快液壓系統中油液的體積彈性模量大，由油液壓縮形成的液壓彈簧剛度大，而液壓動力元件的慣量比較小，所以由液壓彈簧剛度和負載慣量耦合成的液壓固有頻率高，故系統的響應速度快。2025/2/116.1液壓伺服控制系統概述6.1.2液壓伺服控制優缺點

優點

液壓伺服系統抗負載的剛度大輸出位移受負載變化的影響小，定位準確，控制精度高。由于液壓固有頻率高，允許液壓伺服系統特別是電液伺服系統有較大的開環放大系數，因此可獲得較高的精度和響應速度。而液壓系統中油液的壓縮性和泄漏都很小，故液壓動力元件速度剛度大，組成閉環系統時位置剛度也大。

液壓伺服系統體積小、重量輕、控制精度高和響應速度快。而且還具有潤滑性好、壽命長；調速范圍寬、低速穩定性好；動力通過油管傳輸較方便；能量借助蓄能器存儲較便捷；液壓執行元件有直線位移式和旋轉式兩種形式，工作適應性強；過載易保護；系統溫升方便解決等優點。2025/2/116.1液壓伺服控制系統概述6.1.2液壓伺服控制優缺點

缺點

液壓元件特別是精密的液壓控制元件（電液伺服閥）抗污染能力差，對工作油液清潔度要求高，污染的油液會使閥磨損而降低其性能，甚至被堵塞而不能正常工作。這是液壓伺服系統發生故障的主要因素。因此液壓伺服系統必須采用精細過濾器。

油液的體積彈性模量隨油溫和混入油中的空氣含量而變化。油液的黏度也隨油溫變化而變化。因此油溫變化對系統的性能影響很大。

液壓元件的密封設計、制造和維護不當時，容易引起外泄，造成環境污染。

液壓元件制造精度要求高，成本高。

液壓能源的獲得和遠距離傳輸都不如電氣系統方便。2025/2/116.2液壓控制閥結構及分類

液壓控制閥是一種以機械運動來控制液體動力的元件。它將輸入的較小功率的機械信號（位移或轉角）轉換為較大功率的可連續控制的液壓信號（流量或壓力）輸出，也稱為液壓放大器。它既是能量轉換元件，也是功率放大元件。

液壓控制閥具有結構簡單、單位體積輸出功率大、工作可靠和動態性能好等優點。

液壓控制閥按其結構和工作原理不同可分為圓柱滑閥、噴嘴擋板閥和射流管閥三類，其中滑閥的控制性能好，在液壓伺服系統中應用最廣泛。2025/2/11

6.2液壓控制閥結構及分類6.2.1圓柱滑閥

圓柱滑閥是節流式元件，借助于閥芯與閥套間的相對運動改變節流口面積的大小，對液體流量或壓力進行控制。

圓柱滑閥分為四通閥、三通閥和二通閥。

四通閥有兩個控制口，可用來控制雙作用液壓缸或液壓馬達的往復運動。

三通閥有一個控制口，控制差動液壓缸的一個方向移動。

二通閥有一個可變節流口，和一個固定節流孔配合使用，才能控制一腔的壓力，用來控制差動液壓缸。

按進、出閥通道數劃分2025/2/11

6.2液壓控制閥結構及分類6.2.1圓柱滑閥

圓柱滑閥分為四邊、雙邊和單邊滑閥。四邊滑閥(a-c)有四個可控的節流口，控制性能最好；雙邊滑閥(d-e)有兩個可控的節流口，控制性能次之；單邊滑閥(f)只有一個可控的節流口，控制性能最差。

按滑閥工作邊數劃分

按閥套窗口形狀劃分

有矩形、圓形和三角形等多種閥套窗口形狀。矩形窗口與閥芯位移成比例，可以獲得線性的流量增益（零開口閥），用得最多。圓形窗口工藝性好，但流量增益是非線性的，用于要求不高的場合。2025/2/11

6.2液壓控制閥結構及分類6.2.1圓柱滑閥

按滑閥預開口形式劃分

圓柱滑閥分為正開口（負重疊）、零開口（零重疊）和負開口（正重疊）三種形式。

閥的預開口形式對其性能特別是中位（零位）附近特性影響較大。2025/2/11

6.2液壓控制閥結構及分類6.2.1圓柱滑閥

零開口滑閥的流量與閥芯位移呈線性。線性的流量增益對反饋控制非常有利，應用最廣泛，但加工制造困難。

負開口滑閥閥口密封性好，零位泄漏小，但流量增益曲線存在死區非線性，對反饋控制非常不利，故很少采用。

正開口滑閥零位時閥口是部分開啟的，零位泄漏較大。

按滑閥預開口形式劃分

按閥芯凸肩數劃分

有兩凸肩、三凸肩和四凸肩滑閥。二通閥一般采用兩個凸肩，三、四通閥由兩個或以上閥芯凸肩組成。二凸肩四邊閥閥芯軸向移動時導向性差，三、四凸肩四邊閥導向性和密封性好，是常用形式。2025/2/11

6.2液壓控制閥結構及分類6.2.2噴嘴擋板閥

噴嘴擋板閥是節流式元件，由噴嘴、擋板和固定節流口組成。擋板可繞支撐軸擺動，利用擋板位移來調節噴嘴與擋板之間的環狀節流面積，從而改變噴嘴腔兩邊的壓力。噴嘴兩邊的壓力差與擋板位移成正比。

有單噴嘴擋板閥和雙噴嘴擋板閥兩種。雙噴嘴擋板閥有較高功率放大倍數，應用較多。2025/2/11

6.2液壓控制閥結構及分類6.2.2噴嘴擋板閥

噴嘴擋板閥與圓柱滑閥相比，結構簡單，不需要有嚴格的制造公差，擋板一般懸掛在溢流腔內，體積和慣量小，移動過程幾乎沒有摩擦，所需控制力小、響應快、動作靈敏度高、抗污染能力強，但零位泄漏大、功率小，通常用在小功率液壓控制系統中或多級控制閥的前置級。2025/2/11

6.2液壓控制閥結構及分類6.2.3射流管閥

射流管閥是基于動量轉換原理的分流式元件，由射流管和接收器組成。射流管可繞支撐軸偏轉。

無信號輸入，射流口處于閥中位，射流被兩接收口均勻接收，兩接收器內壓力相等。

有輸入信號，射流口偏離中位，接收射流多的接收口內產生較高壓力，接收射流少的接收口內產生較小壓力。上述壓差可以用于驅動負載液壓缸運動。

從射流管噴嘴處高速噴出的液體，形成的液流動能在擴散形接收器內恢復成壓力能。兩接收嘴內壓力差與射流管位移成正比。2025/2/11

6.2液壓控制閥結構及分類6.2.3射流管閥

射流管閥結構簡單、加工精度低、抗污染能力強和對油液清潔度要求不高，但慣量大、響應速度低、零位泄漏流量大、油液黏度變化對特性影響較大和低溫特性較差。

適用于低壓、小功率的場合，用在小功率液壓控制系統或多級控制閥的前置級。2025/2/116.3滑閥靜態特性分析

滑閥靜態特性（壓力-流量特性）指穩態情況下，閥的負載流量、、負載壓力和滑閥位移即三者之間的關系，即表示滑閥工作能力和性能，對液壓伺服系統靜態、動態特性的計算具有重要意義。

閥的靜態特性可用方程、曲線或特性參數（閥的系數）表示。最常用的是壓力-流量曲線圖，它能夠全面描述控制閥靜態特性。

壓力-流量方程表達式

建立理想四邊滑閥的一般模型，四邊滑閥及等效橋路（見下頁圖）。模型中預開口量U

(0≤U≤xvmax)，其中xvmax是相對于零位的最大閥芯位移。

以中位為基準，閥芯向兩側移動最大位移xvmax>0。若U=0，為零開口閥；0<U<xvmax為小正開口閥；U=xvmax閥芯在其全部行程內運動時，閥都是正開口的，表示為全程正開口閥。2025/2/116.3滑閥靜態特性分析

壓力-流量方程表達式

滑閥四個可變節流口以四個可變液阻表示，組成一個四臂可變的全橋。通過每一橋臂的流量qi

(i=1~4)，壓降pi

(i=1~4)，qL負載流量，pL負載壓降，ps供油壓力，qs供油流量，p0回油壓力。

液壓能源是理想的恒壓源，供油壓力ps為常數，回油壓力p0=0。

忽略管道和閥腔內的壓力損失。為簡化分析做如下假設：

液體是不可壓縮的。

各節流口流量系數相等。即

各閥口是矩形窗口，滑閥結構上各閥口是匹配與對稱的。2025/2/116.3滑閥靜態特性分析由橋路的壓力平衡得匹配且對稱閥空載（PL=0）時，與負載相連的兩個管道中壓力均為ps/2。加負載后，一個管道壓力升高恰等于另一個管道壓力降低值。即通過橋路斜對角線上的兩個橋臂壓降也是相等的。即上式聯立求解：根據橋路流量平衡得各橋臂的流量方程為閥套油路面積梯度為W，滑閥結構上閥口是匹配與對稱的，閥芯位移為xv時，即閥對稱閥匹配

預開口范圍內，四邊滑閥流量公式2025/2/116.3滑閥靜態特性分析匹配且對稱閥通過液壓橋路斜對角線上的兩個橋臂流量相等。聯立求解：令恒壓源下，閥芯位移為xv時的負載流量將上式除以，歸一化處理得式中分別表示歸一化的負載流量、負載壓力、閥芯位移、預開口量，均是無因次量。2025/2/116.3滑閥靜態特性分析

歸一化后的方程簡化為：

系統供油流量為：適用范圍為閥芯位移為，即正開口段。它表示四個閥口全部有工作油液流過時四邊滑閥的負載流量方程。滑閥閥芯工作范圍是即。閥口1、3關閉，全部負載流量流經閥口2、4。

閥芯在范圍內四邊滑閥流量公式閥口2、4關閉，全部負載流量流經閥口1、3。

閥芯在范圍內四邊滑閥流量公式

閥芯在其全部運行行程內四邊滑閥流量公式2025/2/116.3滑閥靜態特性分析

理想零開口四邊滑閥靜態特性

理想零開口四邊滑閥沒有預開口量相應理想滑閥壓力-流量方程為描述四邊滑閥靜態特性的曲線有流量特性曲線、壓力特性曲線和壓力-流量曲線三種。流量特性指負載壓降為常數時，負載流量與閥芯位移之間的關系。

流量特性曲線負載壓降時的流量特性稱為空載流量特性，相應曲線為空載流量特性曲線。由上式可得空載流量特性式

壓力特性曲線壓力特性指負載流量為常數時負載壓降與閥芯位移之間的關系2025/2/116.3滑閥靜態特性分析

壓力-流量特性曲線壓力-流量曲線指閥芯位移一定時，負載流量與負載壓降與之間關系的圖形描述。以閥芯位移為閥開口狀態變量，從閥芯全部行程范圍內壓力-流量曲線可知，閥口開度越小，壓力-流量曲線越趨近水平線。2025/2/116.3滑閥靜態特性分析

實際零開口四邊滑閥靜態特性

實際與理想滑閥結構上主要區別：

理想滑閥閥芯與閥套之間無間隙，閥口銳邊無圓角，無泄漏。

實際滑閥閥芯與閥套之間有間隙，閥口銳邊有圓角，有泄漏。

泄漏流量曲線

閥口銳邊圓角、閥芯與閥套間隙等因素會產生閥口泄漏現象。

滑閥泄漏流量與閥芯位移關系可以用泄漏流量曲線表示。閥芯在中位（零位）時泄漏流量最大，隨閥芯位移

增大，泄漏流量急劇下降至很小數值（幾乎為零）。保持供油壓力恒定，改變閥芯位移

，測出滑閥泄漏流量，可畫出泄漏流量曲線2025/2/116.3滑閥靜態特性分析

理想正開口四邊滑閥靜態特性

壓力特性曲線供油壓力一定，改變閥芯位移

，測出相應負載壓力，畫出實際零開口四邊滑閥壓力特性曲線。原點附近曲線斜率很大，閥芯只要有一個很小位移即，負載壓力很快就能上升到供油壓力。

按預開口量不同，理想正開口四邊滑閥分為小正開口滑閥和全程正開口滑閥兩類。

小正開口滑閥預開口量較小，只有閥芯位于中位附近時，這類正開口滑閥在正開口狀態（四個閥口同時工作）工作。

全程正開口滑閥的預開口量等于閥行程，即在閥芯行程范圍內這類正開口滑閥始終在正開口狀態工作。2025/2/116.3滑閥靜態特性分析

流量特性曲線負載壓力，代入理想零開口四邊滑閥靜態特性公式得，畫出小正開口四邊滑閥空載流量特性曲線。

壓力特性曲線負載流量，代入理想零開口四邊滑閥靜態特性公式，畫出理想小正開口四邊滑閥壓力特性曲線。2025/2/116.3滑閥靜態特性分析

小正開口理想四邊滑閥壓力-流量曲線小正開口條件，以閥口開度為條件變量，利用閥芯在全部運動行程內四邊滑閥流量公式，畫出壓力-流量曲線。滑閥預開口范圍內壓力-流量曲線是一族負斜率曲線。線性度比零開口四邊滑閥好得多。閥芯在零位附近，負載壓力和負載流量有較好線性關系。2025/2/116.3滑閥靜態特性分析

全程正開口理想四邊滑閥壓力-流量曲線全程正開口理想四邊滑閥的預開口量是滑閥的全部行程，則負載流量方程可寫為上式描述了四個閥口全部有油液流過時四邊滑閥的負載流量方程，根據此方程可以畫出理想正開口滑閥的壓力-流量曲線。2025/2/116.3滑閥靜態特性分析

滑閥線性化分析

由四邊滑閥負載流量公式可知，恒壓源供油時，控制滑閥的負載流量為負載壓力和閥芯位移的函數，即

滑閥線性化流量方程與閥系數在某一特定工作點，，對變量即和的各階導數均存在，則可在該工作點附近小范圍內，將上式按泰勒級數展開：忽略高階無窮小，左式可寫成這是壓力-流量方程以增量形式表示的線性化表達式。2025/2/116.3滑閥靜態特性分析

流量增益

它是流量特性曲線上某一工作點處的曲線切線斜率。

流量增益表示負載壓降一定時，滑閥單位輸入位移所引起的負載流量變化的大小。

值越大，閥對負載流量的控制就越靈敏。

流量-壓力系數

流量-壓力系數表示閥開度一定時，負載壓降變化所引起的負載流量變化大小。

值小，負載力變化引起的負載流量變化越大，即閥剛度大。

是系統中的一種阻尼，系統振動加劇時，負載壓力的增大使閥輸出給系統的流量減小，有助于系統振動的衰減。

壓力增益（壓力靈敏度）

它是壓力特性曲線的切線斜率。

壓力增益是指時，單位輸入閥芯位移所引起的負載壓力變化的大小。

值大，閥對負載壓力的控制靈敏度高。2025/2/116.3滑閥靜態特性分析

因為所以流量增益、流量-壓力系數和壓力增益的關系為

流量增益、流量-壓力系數和壓力增益是表示閥靜態特性的重要參數，被稱為閥系數。

負載流量增量公式可以簡化為

上式線性化滑閥負載流量方程，適用于負載流量可線性化各種結構的液壓控制閥。液壓控制系統中常用上式作為控制閥的數學模型。

閥系數

流量增益是反饋控制系統開環增益的組成部分。

流量增益增大，則系統開環增益也成比例增大，流量增益對系統的穩定性、響應特性和穩態誤差有直接影響。

壓力增益反映負載壓力對閥芯位移變化的敏感狀況，表示液壓閥控制大負載壓力的能力。

系統中壓力增益不直接顯現，是通過流量-壓力系數來影響系統。

壓力增益增大，流量-壓力系數減小。

干擾力和力矩通過流量-壓力系數影響系統。

減小干擾力和力矩對控制系統影響，希望閥的流量-壓力系數小，系統容易獲得較高的剛度和精度。2025/2/116.3滑閥靜態特性分析

零位閥系數

零位是空載流量特性曲線、壓力特性曲線和壓力-流量曲線的原點。零位閥系數是相關曲線在原點處的斜率。

閥系數隨閥工作點的變化而變化。

反饋控制的滑閥經常在零位附近工作。

當工作點在零位處的閥系數稱為零位閥系數，分別表示為

矩形閥口伺服閥的零位流量增益最大，流量-壓力系數最小，系統阻尼比最低。壓力-流量特性原點對系統穩定性來說是穩定性最差的點。

如果一個系統在零位工作點能穩定工作，那么在其他工作點也能穩定工作。

在進行系統分析時以原點處的靜態放大系數作為閥的性能參數。

理想零開口四邊滑閥零位閥系數

理想零開口四邊滑閥在零位對負載流量方程求導得零位閥系數：2025/2/116.3滑閥靜態特性分析

實際零開口四邊滑閥零位閥系數

實際零開口閥的零位壓力增益主要取決于閥的徑向間隙值，而與閥的面積梯度無關。

正開口四邊滑閥的零位流量增益是理想零開口四邊滑閥的兩倍。

正開口四邊滑閥提高零位流量增益并改善壓力-流量曲線的線性度。

正開口四邊滑閥零位閥系數

理想零開口四邊滑閥在零位對負載流量方程求導，得正開口四邊滑閥零位閥系數：2025/2/11

6.4閥控系統功率及效率簡化為輸出功率為最大值時pL：

液壓泵供油壓力，供油流量，閥的負載壓力，負載流量，則零開口四邊滑閥的輸出功率（負載功率）為最大輸出功率：2025/2/11

采用變量泵供油時，由于變量泵可自動調節其供油流量qs來滿足負載流量qL要求，因此qs=qL，那么閥在最大輸出功率時，系統最高效率為

在時，整個液壓伺服系統效率最高，閥的輸出功率最大，故通常取作為閥的設計負載壓力。

采用定量泵加溢流閥作為液壓能源時，定量泵供油流量等于或大于閥的最大負載流量qLmax（即閥最大空載流量q0m）。閥在最大輸出功率時，系統最高效率為

該系統效率比較低，但結構簡單、成本低、維護方便，在中、小功率系統仍獲得廣泛應用。6.4閥控系統功率及效率2025/2/11

6.5液壓動力元件

液壓動力元件由液壓控制元件（或稱液壓放大元件）和液壓執行元件組成。

液壓控制元件是液壓控制閥或伺服變量泵，液壓執行元件是液壓缸或液壓馬達。

組成閥控液壓缸、閥控液壓馬達、泵控液壓缸和泵控液壓馬達四種基本型式的液壓動力元件。

閥控液壓缸和閥控液壓馬達構成的閥控系統又稱節流控制系統，是通過液壓控制閥控制從油源流入執行元件的流量，從而改變執行元件的輸出速度。該系統通常采用恒壓油源，使供油壓力恒定。

泵控液壓缸和泵控液壓馬達構成的泵控系統又稱容積控制系統，是通過改變伺服變量泵的排量改變流入執行元件的流量，進而改變執行元件的輸出速度。該系統的壓力取決于負載。2025/2/116.5液壓動力元件

四邊閥控液壓缸基本方程的建立

由零開口四邊滑閥和對稱液壓缸組成。

這種閥控系統動態特性取決于控制閥和液壓缸的動態特性，并與系統負載有關。

假定系統負載由質量、彈簧和黏性阻尼組成，且系統為單自由度系統。

液壓動力元件是液壓伺服系統中重要的組成部分，它的動態特性對大多數液壓伺服系統的性能有著決定性的影響，其傳遞函數是分析整個液壓伺服系統的基礎。2025/2/116.5液壓動力元件

滑閥流量方程

流入進油腔的流量和從回油腔流出的流量分別為

系統處于動態及考慮泄漏的情況，故負載流量為

利用對上式線性化得

液壓缸流量連續方程

從閥流入液壓缸左腔的流量q1除了推動活塞運動外，還要補償缸內、外泄漏和液體壓縮及管道等的膨脹所需的流量。

流入液壓缸進油腔的流量q1

液壓缸回油腔流出的流量q22025/2/116.5液壓動力元件

液壓缸流量連續方程

由以上兩式可得負載流量連續方程：

上式簡化可得

Vt為液壓缸兩腔的總容積為常數

Cs1為總泄漏系數

左式是四邊閥控液壓缸流量連續性方程的常用形式。

負載流量包含推動液壓缸活塞運動所需的流量、總泄漏流量和總壓縮流量。2025/2/116.5液壓動力元件

液壓缸負載力平衡方程

液壓缸的輸出力與負載力相平衡。負載力一般包括活塞與負載的慣性力、黏性阻尼力、彈性負載力以及其他外干擾力。

上述三式是四邊閥控液壓動力元件的基本方程，它們確定了系統的動態特性。

初始狀態液體壓縮性影響最大，液壓剛度最小、動力元件固有頻率最低、阻尼比最小，系統穩定性最差。所以初始狀態點是系統最不利的工作點。

mt為活塞及由負載折算到活塞上的總質量。

Bt為活塞及負載等運動件的黏性阻尼系數。

Kt為負載運動時的彈簧剛度。

FL為作用在活塞上的外干擾力。2025/2/116.5液壓動力元件

四邊閥控液壓缸框圖與傳遞函數

將上三式進行拉普拉斯變換得

消去中間變量QL和PL，可以求得閥芯輸入位移xv和外干擾力FL同時作用下液壓缸活塞的總輸出位移為

為總壓力流量系數，

分子第一項是液壓缸活塞的空載速度，第二項是外干擾力作用下引起的速度降低。

分母第一項是慣性力變化引起的壓縮流量所產生的活塞速度；第二項是慣性力引起的泄漏流量所產生的活塞速度；第三項是黏性力變化引起的壓縮流量所產生的活塞速度；第四項是活塞運動速度；第五項是黏性力引起的泄漏流量所產生的活塞速度；第六項是彈性力變化引起的壓縮流量所產生的活塞速度；第七項是彈性力引起的泄漏流量所產生的活塞速度。2025/2/11

6.5液壓動力元件

閥芯位移xv是指令（輸入）信號，FL是外干擾信號，由上式可求出液壓缸活塞位移對閥芯位移的傳遞函數Xt/xv和對外干擾力的傳遞函數Xt/FL。

以負載流量為基礎的框圖適用于負載慣量較小、動態過程較快的場合。

以負載壓力為基礎的框圖適用于負載慣量和泄漏系數較大，而動態過程比較緩慢的場合。2025/2/116.5液壓動力元件

沒有彈性負載整理得液壓缸活塞總輸出位移為

伺服系統的負載在多數情況下是以慣性負載為主，而彈性負載很小或沒有，此時。為液壓固有頻率為液壓相對阻尼系數

上式給出了以慣性負載為主時的閥控液壓缸的動態特性。2025/2/116.5液壓動力元件

分子中第一項可認為xv輸入下液壓缸的輸出速度，第二項給出了因外干擾造成的速度降低。

對指令輸入xv的傳遞函數為

對外干擾輸入FL的傳遞函數為2025/2/116.5液壓動力元件

有彈性負載整理得

有些兩級液壓放大元件采用對中彈簧反饋定位，前置級放大元件控制功率級放大，因功率級閥芯有對中彈簧，彈性負載較大，不能忽略，。粘性阻尼系數Bt較小，可忽略。

液壓缸活塞總輸出位移為

上頁PPT公式中分母積分環節s改為慣性環節，既是有彈性負載的傳遞函數。2025/2/116.5液壓動力元件

考慮彈性負載時

對指令輸入xv的傳遞函數為

對外干擾輸入FL的傳遞函數為

由圖可知w>wk，有/無彈性負載幅頻特性相同。彈性負載對中頻段無影響，即對系統穩定性、截止頻率沒有影響。沒有彈性負載在圖中低頻段是積分環節。有彈性負載在圖中低頻段（虛線表示）是具有拐點頻率wk的慣性環節。2025/2/116.5液壓動力元件

其他簡化形式

式中

式中

考慮負載質量

,對指令輸入

xv的傳遞函數為

考慮負載剛度Kt及Ey，以及

,對指令輸入

xv的傳遞函數為

考慮空載

,對指令輸入xv的傳遞函數為2025/2/11在原點

閥控液壓缸主要性能參數

速度放大系數

液壓固有頻率

上述傳遞函數中，決定閥控液壓缸的主要性能參數有速度放大系數、液壓固有頻率、液壓相對阻尼系數以及剛度。

傳遞函數式中令，當閥芯位移xv

輸入即有一定流量輸出給液壓缸，活塞以一定的速度運動。Kv具有速度量綱，稱為速度放大系數。At一定時Kv取決于Kq

。

活塞處于中間位置時固有頻率wh最小，活塞處于液壓缸一端時固有頻率wh

最大。6.5液壓動力元件2025/2/11

液壓相對阻尼系數

剛度

單位負載干擾力所引起的輸出位移量稱為位置柔度，位置柔度的倒數稱為位置剛度。

位置剛度分為動態位置剛度和靜態位置剛度。

動態位置剛度是動態過程中的剛度，與負載干擾力FL的變化頻率有關。

靜態位置剛度是w=0情況下的剛度。

6.5液壓動力元件2025/2/11

剛度

根據前述外干擾輸入FL的傳遞函數，得動態位置剛度表達式經化簡

當二階微分及慣性環節不起作用。上式化簡為

相當一個黏性阻尼力，此時閥控缸好像一個阻尼系數為的黏性阻尼器。

當系統在這段的動態位置剛度不變。

當慣性負載力很大，阻礙了活塞運動，很少采用。

此剛度正是液壓彈簧剛度。6.5液壓動力元件2025/2/11本章小結液壓控制閥液壓動力元件滑閥性能參數液壓伺服系統液壓伺服控制系統以液壓動力元件作驅動裝置組成的反饋控制系統。輸出量自動、快速、準確地復現輸入量的變化規律，并對輸入信號進行功率放大。液壓控制閥是一種以機械運動來控制液體動力的元件。將輸入的較小功率的機械信號轉換為較大功率的可連續控制的液壓信號輸出，也稱為液壓放大器。表征滑閥靜態特性的三個性能參數有流量增益、流量-壓力系數和壓力增益。流量/壓力增益大，滑閥控制靈敏度高；流量-壓力系數小，滑閥的剛