电液伺服阀之扭矩马达定位特性研究-崑山科技大学.PDF

崑山科技大學學報第六期第 101~112 頁（民國98 年3 月） Journal of Kun Shan University, No.6, pp.101~112 (Mar, 2009) 電液伺服閥之扭矩馬達定位特性研究 魏榮輝　張宏志 崑山科技大學機械工程系 摘要 本文第一部份係描述電液式伺服閥之數學模型 ，並利用Matlab/Simulink 軟體繪出全 系統數學方塊圖。第二部份則是討論伺服閥之扭矩馬達的主要操作原理，並藉由伺服閥 之全系統數學方塊圖推導出扭矩馬達定位伺服系統的數學模型 ，並在Matlab/Simulink 軟體環境下，模擬分析扭矩馬達定位伺服系統的時域與頻率響應特性 ，並針對模擬結 果進行討論。 關鍵詞：伺服閥、頻寬、頻率響應、扭矩馬達 1. 前言 當液壓伺服控制系統首先出現在工業界時，即被應用於多種精密產業之系統上， 例如塑膠機械、工具機、汽車與材料試驗機等[1]。在塑膠射出成型機產業上，Thayer 與 Davis [2]首先應用伺服閥於射出成型機之螺桿速度的閉迴路控制。Costin 等人[3]則應用 自調式控制器(self tuning regulator)於射出缸的壓力控制上，其主要係在射出過程中，讓 射出缸壓力梯度保持常數。Chiu 等人[4]則是應用適應性模式追蹤控制器於伺服閥控制 之射出成型機上，用以控制模穴壓力梯度。Wei 等人[5]則在伺服閥控制之射出成型機上 設計PID 自動調整控制器以控制射出速度。 電液伺服閥主要係藉著輸入微量的電流信號 如mA) 直接控制閥體之閥軸，以操縱閥 軸產生極小的扭轉角度位移，進而控制流體流量及方向，使輸出量與輸入量成一定函 101 電液伺服閥之扭矩馬達定位特性研究 魏榮輝　張宏志 數關係並能快速響應，是液壓伺服控制系統的重要元件。由於高功率與高響應之要求， 液壓控制系統廣泛的應用在上述控制系統中。因此，吾人需選用適當的伺服閥以達到流 體功率的良好控制，此時伺服閥頻率響應的動態特性必需加以考慮[6]。在伺服閥或比例 閥製造商的型錄中，頻率響應的動態特性資料是最常見的，因為此種資料的存在，讓 設計者更能掌握液壓系統的性能[7]。 電液伺服閥早在1940 年代已出現，早期是一小型電動伺服馬達來驅動閥軸其時間常 數較大在控制迴路裡反而是反應最慢之組件，因而限制系統性能，直到 1949 年美國麻 省理工學院為中心開始開發具有精密快速反應之永久磁鐵扭矩馬達(permanent magnetic torque motor)[8]。問世後 ，隨著電子技術和計算機技術的發展 ，使得這種元件的結構趨 於成熟 ，電液伺服系統的性能得到顯著的改善 ，大大優於其他 的液壓伺服系統，因而 得到廣泛應用。轉矩馬達組由2 組線圈、2 件永久磁鐵及電樞組所構成，其主要功能為接 受電的信號轉換成機械信號，以驅動液壓放大器，其實體如圖一所示[9]。 圖一 電液伺服閥之轉矩馬達實體圖[9] 本文首先將 由已知之電液式伺服閥數學模型 ，利用Matlab/Simulink 軟體繪出全系 統數學方塊圖，並模擬其時域特性，以找出扭矩馬達之時域特性。第二部份則是討論伺 服閥扭矩馬達的主要操作原理，並藉由伺服閥之全系統數學方塊圖推導出扭矩馬達定 位伺服系統的數學模型 ，並在Matlab/Simulink 軟體環境下，模擬分析扭矩馬達定位伺 服系統的時域及頻率響應 ，並針對模擬結果進行討論。 2. 電液伺服閥扭矩馬達之動態模式 有關電液伺服閥的轉移函數或動態模式的推導可常見於文獻 中[7,10] ，其中伺服閥 的非線性特性常見於其操作中，使得伺服閥成為一複雜裝置。這些非線性特性含有扭矩 馬達的磁滯(hysteresis) ，孔口的流阻與噴流係數(orifice discha