工作原理与性能特性
出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册上册》第1372页（4537字）
(1)电液步进马达
A．组成与工作原理
图22．2－1是电液步进马达的结构原理图。它由步进电机和液压转矩放大器二部分组成。
图22．2－1 电液步进马达结构原理图
1－步进电机；2－减速齿轮；3－四边滑阀阀芯；4－螺杆；5－反馈螺母；6－液压马达步进电机又称脉冲电机，是一种D／A转换装置，
它可将数控电路输入的电脉冲信号转换成角位移量输出。输出角度和角速度分别与输入脉冲数和脉冲频率成比例。(步进电机的工作原理参阅本手册22．1．3或其他文献)。
液压转矩放大器是一个直接位置反馈式液压伺服机构。它由四边滑阀、液压马达和反馈机构三部分组成。最常用的反馈机构是螺杆—螺母副型式，螺杆开在阀芯端部，与阀芯为一体；螺母与液压马达主轴相连，并随之转动。
当步进电机1在输入脉冲作用下转过一定角度时，经减速齿轮2带动阀芯3旋转。由于液压马达尚未旋转，即反馈螺母5不动，这样阀芯便产生一定轴向位移，使阀口开启。压力油经四边滑阀进入液压马达，驱动马达，马达回油经四边滑阀的另一开口回油箱。马达的旋转运动通过螺杆—螺母副反作用于阀芯，使阀芯产生使阀口关闭的轴向位移。这样，步进电机旋转一个角度，液压马达也随之转过一个角度；连续输入一个脉冲序列，则马达以一定转速连续旋转。若输入脉冲反向，则阀芯的运动、液压马达的旋转均反向。
图22．2－2是电液步进马达的结构方块图。其信号传递关系是，阀芯转角θv=θp／i。θp、i分别为步进电机转角和齿轮传动比。阀芯位移xv与马达输出转角θm和θv的关系为：
图22．2－2 电液步进马达结构方块图
式中 T——螺杆的导程。
连续工作时，液压马达转角滞后于阀芯转角，即存在随动误差(θv－θm)，正是这个偏差信号使阀口存在一定的工作开口量。可见，电液步进马达不存在位置误差，但存在速度误差。
图22．2－3是液压转矩放大器的传递函数方块图。
图22．2—3 液压转矩放大器传递函数方块图
Kg——滑阀流量增益
Dm——液压马达排量
Vt——高低压腔总容积
βe——油液有效体积弹性模量
Cem——总流量压力系数
Ke——滑阀流量—压力系数
Cim、Cem——马达内、外泄漏系数—阀控马达液压固有频率
Jt——液压马达轴上的总惯量
Bm——马达及负载的粘性阻尼系数
B．特性
(A)静态特性
电液步进马达的静态特性主要有速度特性和转矩特性。
速度特性是指开环状态下，马达转速与滑阀转角θv或阀芯位移量xv之间的关系。图22．2－4是速度特性曲线。图中给出了空载和加载的三条曲线。通常，负载转矩按马达最大输出转矩的1／3或2／3加载。
图22．2－4 电液步进马达的速度特性曲线
速度曲线在零位附近的斜率，称为开环速度放大系数，或开环增益。因此速度特性也称增益特性。从速度特性可直接得到马达速度所需的阀开口量或滑阀转角。同时，这个转角或开口量值便是跟踪误差即速度误差，因此，根据开环放大系数便可分析开环控制系统的稳态精度、电液步进马达的稳定裕量和动态响应。
转矩特性指额定压力下，输入脉冲频率或电液步进马达转速与输出转矩的关系。图22．2－5为转矩特性曲线。
图22．2－5 转矩特性曲线
特性曲线表明，输出转矩受频率的影响略有变化，低频范围内，液压马达的输出转矩随频率增加而上升，这是因为此时机械损失和泄漏相对较大。而在高频范围内，输出转矩又随频率而降低。这是因为高速时，流量、流速大。压力损失大，从而使有效负载压力下降。
根据负载转矩和速度要求，由转矩特性便可选择电液步进马达的规格。
(B)动态特性
反映电液步进马达的动态特性，常用单脉冲过渡过程和最高启动、停止频率。
单脉冲过渡过程是输入一个脉冲时马达输出转角的过渡过程，如图22．2－6所示。或称为步距反应。此特性描述了工作稳定性和加、减速时间常数。性能优良的步进马达过渡过程单值上升，没有超调，加、减速时间常数可达40～50ms。
图22．2－6 单脉冲过渡过程曲线
最高启动、停止频率是在额定压力下，瞬间接通、切断输入信号，电液步进马达能正常启动、停止的最高脉冲频率。此数值受负载惯量影响。其典型曲线如图22．2－7。
图22．2－7 最高启动、停止频率特性
一般来说液压转矩放大器动态响应较高，因此电液步进马达的动特性很大程度上取决于步进电机的动特性。
(C)性能参数
电液步进马达的静动态性能参数较多，可归纳为有：
额定参数
·额定压力
·排量
·最高工作频率或最高转速
·输出转矩
·输出功率
静态性能参数
·步距角
·静态步距精度
·开环速度放大系数
动态性能参数
·加速、减速时间常数
·最高启动、制动频率
·最高连续工作频率
工作条件参数
·许用负载惯量
·许用回油背压
·油温范围
·工作油液类型
·温升限制
(2)电液步进缸
A．组成与工作原理
电液步进缸是为了适应中、小行程直线运动数字位置或速度控制而出现的。其组成和工作原理与电液步进马达类似，只是将执行机构换成了液压缸，而由步进电机和液压力放大器两部分组成。
图22．2－8为三通阀控缸式电液步进缸结构原理图。步进电机的转动通过减速齿轮6减速后，作用于三通阀芯5，使之转动。阀芯与螺杆4为一体，螺母3固联在活塞2上，此时活塞不动，因此螺杆—螺母副的作用使阀芯产生轴向位移，打开阀口。步进液压缸的执行机构一般采用差动液压缸，其有杆腔作用着供油压力ps，无杆腔油压pc受伺服阀控制。当阀芯右移时，滑阀控制边a工作，pC与供油腔的阀口开大，由于Ac面积大于Ar，活塞向左运动，同时带动阀芯左移，减小阀开口，实现反馈。若步进电机反转，则阀芯左移，b控制边工作。pc腔与回油腔的阀口开启，活塞向右运动。螺杆为空心结构，以便将沿螺纹泄漏到活塞杆内腔的油引回油箱。
图22．2－8 电液步进缸结构原理图
1－活塞杆；2－活塞；3－反馈螺母；4－螺母；5－三通阀阀芯；6－减速齿轮；7－步进电机
图22．2－9所示电液步进缸的伺服阀芯采用特殊结构，将阀芯台肩做成螺纹状，轴向固定不动。当阀芯随着步进电机旋转时，ps腔顺着螺纹槽与供油腔，或回油腔相通，压力油驱动活塞向右或向左运动。活塞运动的同时，带动阀口与阀芯作相对运动，关闭阀口，实现反馈。
图22．2－9 螺纹伺服机构的电液步进缸
1－步进电机；2－螺杆(阀芯)；3、7－阀口；4－活塞；5－活塞杆；6－缸体；
B．特性
液压力放大器特性与液压转矩放大器工作原理类似，数字模型型式上完全相同。因此他们的特性内容也完全相当，只需将转矩放大器中相应的回转运动参量，换成力放大器中相应的直线运动参量，即可得到电液步进缸的特性指标。当然，电液力矩马达的液压动力机构是四边阀控制一个双向运动对称的液压执行元件，电液步进缸的液压动力元件则是四通阀或三通阀控制不对称的差动油缸。因此他们的阀系数和动态参量略有不同。