1.3 电液伺服阀的性能描述

电液伺服阀是一个非常精密且结构复杂的伺服控制元件，它的性能指标对整个电液伺服系统的性能有着至关重要的影响，因此其性能要求也十分严格。国家标准和有关标准对电液伺服阀的主要特性指标参数均有相应的技术规范。下面以电流为输入的电液流量伺服阀为例，对其主要性能指标进行介绍，其中大部分内容也同样适用于电液压力伺服阀。

1.3.1 静态特性

电液伺服阀的静态特性是指在稳态条件下，其负载流量、负载压力等稳态参数和输入电流之间的相互关系。电液流量伺服阀的静态特性主要包括负载流量特性、空载流量特性、压力特性、内泄漏特性等^[5，6]。

1.负载流量特性（压力-流量特性）

负载流量特性曲线如图1-8所示，它完全描述了电液伺服阀的静态特性。曲线某点上的斜率为此点上电液伺服阀的流量-压力系数。负载流量特性曲线可供系统设计者考虑负载匹配和用于确定估计电液伺服阀的规格。目前，电液伺服阀的样本负载流量曲线较多采用对数坐标绘制，如图1-9所示，对数坐标的优点是负载流量和阀压降成线性^[21]。

电液伺服阀的规格也可以用额定电流、额定压力、额定流量来表示。

（1）额定电流 产生额定流量或额定控制压力所需的任一极的输入电流（不包括零偏电流），其单位为mA。通常，额定电流是对单线圈连接、并联接法或差动连接而言的，如果线圈采用串联接法，其额定电流为标定额定电流的一半。对电反馈伺服阀尤其是内置放大器的电反馈伺服阀，额定流量对应的为额定输入电压，其单位为V。

（2）额定压力 产生额定流量的供油压力，其单位为Pa。

（3）额定流量 在规定的阀压降下对应于额定电流的负载流量，其单位为m³/s。通常，在空载条件下规定电液伺服阀的额定流量（空载额定流量），此时阀压降等于额定供油压力，也可以在负载压降等于2/3供油压力的条件下规定额定流量，这样规定的额定流量对应阀的最大功率输出点。电液伺服阀的额定流量与额定电流之比称为额定流量增益。

2.空载流量特性

空载流量曲线（简称流量曲线）是在额定压力下，负载压力为零，输入电流在正、负额定电流间连续变化，一个完整循环后，所得的输出流量与输入电流的关系曲线，其曲线呈回环状，如图1-10所示。流量曲线上某点或某段的斜率就是该点或该段的流量增益。

流量曲线可分为零区、控制区和饱和区。其中零区特性反映功率滑阀的开口情况。由于电液伺服阀经常在零位附近工作，因此零区特性特别重要。

流量曲线中的虚线称为名义流量曲线（或公称流量曲线），如图1-10所示。从名义流量曲线的零流量点向两极各作一条与名义流量曲线偏差为最小的直线，这就是名义流量增益线。两个极性的名义流量增益线斜率的平均值就是名义流量增益。由于阀的滞环通常很小，可以把流量曲线的任一侧当做名义流量曲线使用。

流量曲线非常有用，它不仅给出阀的极性、额定空载流量、名义流量增益，而且从中还可以得到阀的滞环、线性度、对称度和分辨率，并揭示阀的零位特性^[6]。

（1）滞环 在正负额定电流之间，产生相同输出流量的往、返输入电流的最大差值I_Z与额定电流I_N的百分比，如图1-10所示，滞环为I_Z/I_N。电液伺服阀的滞环一般不大于5%，其中电反馈电液伺服阀的滞环不大于0.5%。

电液伺服阀滞环产生的原因，一方面是力（矩）马达磁路的磁滞；另一方面是伺服阀中的游隙。磁滞回环的宽度随输入信号的大小而变化，当输入信号减小时，磁滞回环的宽度将减小，因此磁滞一般不会引起系统的稳定性问题。游隙是由于力（矩）马达中机械固定部分的间隙以及阀芯与阀套间的摩擦力产生的。油液变脏时造成滑阀摩擦力增大，会使游隙大大增加，会引起系统不稳定。

（2）线性度 名义流量曲线的直线性，用名义流量曲线与名义流量增益线的最大偏差电流值与额定电流的百分比表示，如图1-11所示。

（3）对称度 其表示两极性名义流量增益的一致程度。用两者之差对较大者的百分比表示，如图1-11所示。

（4）分辨率 分正向分辨率和反向分辨率，正向分辨率为沿着输入电流变化方向，输出流量发生变化所需最小电流与额定电流的百分比；反向分辨率为逆着输入电流变化方向，输出流量发生变化所需最小电流与额定电流的百分比。通常分辨率用反向分辨率来衡量，或者用从输出流量的增加状态回复到输出流量减小状态所需的电流最小变化值与额定电流之比来衡量。电液伺服阀的分辨率一般小于1%。电反馈伺服阀的分辨率小于0.4%，甚至低于0.1%。影响分辨率的主要因素是阀的静摩擦力和游隙。油脏时滑阀中摩擦力增大，分辨率将降低。

为了提高电液伺服阀的分辨能力，可以在输入信号上叠加一个高频幅值的电信号，颤振使电液伺服阀处在一个高频幅值的运动状态之中，这可以减小或消除由于干摩擦所产生的游隙，同时还可以防止阀的堵塞。但颤振不能减小力矩马达磁路所产生的磁滞影响。

颤振频率和幅度与其负载的谐振频率相重合，因为这类谐振的激励可能引起疲劳破坏或者使所含元件饱和。颤振幅度应足够大以使峰间值刚好填满游隙宽度，这相当于主阀芯运动为2.5μm左右。颤振幅度又不能过大，以免通过伺服阀传到负载。颤振信号的波形采用正弦波、三角波或方波，其效果是相同的。

（5）遮盖 电液伺服阀的零位是指空载流量为零的几何零位。零位区域是滑阀的遮盖对流量增益起主要影响的区域。电液伺服阀的遮盖用两极名义流量曲线近似直线部分的延长线与零流量线相交的总间隔与额定电流的百分比表示。电液伺服阀的遮盖分三种情况，即零遮盖、正遮盖和负遮盖。在零位区域内，导致名义流量曲线斜率减小的遮盖为正遮盖，导致名义流量曲线斜率增大的遮盖为负遮盖。电液伺服阀的遮盖量通常为-2.5%～2.5%。

（6）零偏 在规定试验条件下尽管调好电液伺服阀的零点，但经过一段时间后，由于阀的结构尺寸、组件应力、电性能、流量特性等可能会发生微小变化，使输入电流为零时输出流量不为零，零点要发生变化。为使输出流量为零，必须预置某一输入电流，即零偏电流，如图1-10所示。

把阀回归零位的输入电流值和零位反向分辨率电流值的差值与额定电流的百分比称为零偏。一般要求零偏值不大于2%（参考文献2给出的值为不大于3%），在整个寿命期内不大于5%。

3.压力特性

压力特性曲线是在额定供油压力下，输出流量为零（两个负载油口关闭）时，输入电流在正、负额定电流间连续变化一个完整循环，所得的负载压力和输入电流呈回环状的函数曲线，如图1-12所示。负载压力对输入电流的变化率就是压力增益，其单位为Pa/A。电液伺服阀的压力增益通常规定为最大负载压降的±40%之间，负载压降对输入电流曲线的平均斜率。压力增益指标为输入1%的额定电流时，负载压降应超过30%的额定工作压力。压力增益大小与阀的开口类型有关，因此由压力增益曲线可反映阀的零位开口的配合情况。

4.内泄漏特性

额定压力下，负载流量为零时，从进油口到回油口的内部泄漏流量随输入电流的变化曲线称为内泄漏特性。当处于零位时，电液伺服阀内泄漏流量（零位内泄漏流量）最大，如图1-13所示。

对两级电液伺服阀而言，内泄漏流量由先导级泄漏流量和功率级泄漏流量组成，如图1-13所示。功率级滑阀的零位泄漏流量与供油压力之比可作为滑阀的流量-压力系数。功率级滑阀的零位泄漏流量大小反映了功率级滑阀的配合情况及磨损程度。对新阀可作为滑阀制造质量的指标，对旧阀可反映滑阀的磨损情况。

5.零漂

电液伺服阀是按试验标准在规定试验条件下调试的，但当工作条件（供油压力、回油压力、工作油温、零值电流等）发生变化时，阀的零位会发生偏移。工作条件或环境变化引起的零偏电流变化量与额定电流的百分比称为零漂。零漂又分为压力零漂和温度零漂；压力零漂又分为供油压力零漂和回油压力零漂。通常，供油压力降低时零偏电流增大，回油压力增大时零偏电流增大。

（1）供油压力零漂 供油压力在0.8～1.1倍额定供油压力的范围内变化时，供油压力零漂不大于2%。

（2）回油压力零漂 回油压力在0～0.7MPa的范围内变化时，回油压力零漂应不大于2%。

（3）温度零漂 工作油温变化56℃，温度零漂不大于2%。

（4）零值电流零漂 零值电流在0～100%额定电流范围内变化时，零值电流零漂不大于2%。

需要说明的是，在系统调整或检查时，可加偏置电流以补偿零偏，而随工作条件变化的零漂是无法补偿的。

电液伺服阀的静态性能指标见表1-4，其是区分伺服阀与比例阀的重要依据，电液伺服阀需要满足其所要求的所有静态性能指标。有些文献上认为电液伺服阀与电液比例阀的区别是重叠量，重叠量小于阀芯行程的3%为电液伺服阀，重叠量大于阀芯行程的3%为电液比例阀。

1.3.2 动态特性

电液伺服阀的动态特性用频率响应（频域特性）或瞬态响应（时域特性）表示。频率响应是输入电流在某一频率范围内做等幅变频正弦变化时，空载流量与输入电流的复数比，包括幅频特性和相频特性，如图1-14所示。瞬态响应是指电液伺服阀施加一个典型输入信号（通常为阶跃信号）时，阀的输出流量对阶跃输入电流的跟踪过程中表现出的振荡衰减特性。反映电液伺服阀瞬态响应快速性的时域性能主要指标有超调量、峰值时间、响应时间和过渡过程时间，如图1-15所示。

电液伺服阀的频率响应随供油压力、输入电流幅值、油温和其他工作条件变化而变化。通常在标准试验条件下进行试验，推荐输入电流的峰值为额定电流的1/2（±25%额定电流），基准（初始）频率通常为5Hz或10Hz。

电液伺服阀的频宽通常以幅值比为-3dB（即输出流量为基准频率时输出流量的70.7%）时所对应的频率作为幅频宽，以相位滞后90°时所对应的频率作为相频宽。由阀的频率特性可以直接查到其幅频宽和相频宽，取两者较小值作为阀的频宽值。频宽是电液伺服阀响应速度的度量，频宽应根据系统的实际需要加以确定，频宽过低会限制系统的响应速度，过高会使高频干扰传到负载上去。伺服阀的幅值比一般不允许大于+2dB。