电气比例阀、伺服阀的工作原理

典型电气比例阀、伺服阀的工作原理

    电气比例阀和伺服阀按其功能可分为压力式和流量式两种。压力式比例/伺服阀将输给的电信号线性地转换为气体压力；流量式比例/伺服阀将输给的电信号转换为气体流量。由于气体的可压缩性，使气缸或气马达等执行元件的运动速度不仅取决于气体流量。还取决于执行元件的负载大小。因此精确地控制气体流量往往是不必要的。单纯的压力式或流量式比例/伺服阀应用不多，往往是压力和流量结合在一起应用更为广泛。

    电气比例阀和伺服阀主要由电---机械转换器和气动放大器组成。但随着近年来廉价的电子集成电路和各种检测器件的大量出现，在1电---气比例/伺服阀中越来越多地采用了电反馈方法，这也大大提高了比例/伺服阀的性能。电---气比例/伺服阀可采用的反馈控制方式，阀内就增加了位移或压力检测器件，有的还集成有控制放大器。

一、滑阀式电气方向比例阀

流量式四通或五通比例控制阀可以控制气动执行元件在两个方向上的运动速度，这类阀也称方向比例阀。图示即为这类阀的结构原理图。它由直流比例电磁铁1、阀芯2、阀套3、阀体4、位移传感器5和控制放大器6等赞成。位移传感器采用电感式原理，它的作用是将比例电磁铁的衔铁位移线性地转换为电压信号输出。控制放大器的主要作用是：

1）  将位移传感器的输出信号进行放大；

2）  比较指令信号Ue和位移反馈信号Uf，得到两者的差植  U；

3）  将 U放大，转换为电流信号I输出。此外，为了改善比例阀的性能，控制放大器还含有对反馈信号Uf和电压差 U的处理环节。比如状态反馈控制和PID调节等。

带位置反馈的滑阀式方向比例阀，其工作原理是：在初始状态，控制放大器的指令信号UF=0，阀芯处于零位，此时气源口P与A、B两端输出口同时被切断，A、B两口与排气口也切断，无流量输出；同时位移传感器的反馈电压Uf=0。若阀芯受到某种干扰而偏离调定的零位时，位移传感器将输出一定的电压Uf，控制放大器将得到的  U=-Uf放大后输出给电流比例电磁铁，电磁铁产生的推力迫使阀芯回到零位。若指令Ue>0，则电压差   U增大，使控制放大器的输出电流增大，比例电磁铁的输出推力也增大，推动阀芯右移。而阀芯的右移又引起反馈电压Uf的增大，直至Uf与指令电压Ue基本相等，阀芯达到力平衡。此时。

                Ue=Uf=KfX(Kf为位移传感器增益)

上式表明阀芯位移X与输入信号Ue成正比。若指令电压信号Ue<0，通过上式类似的反馈调节过程，使阀芯左移一定距离。

阀芯右移时，气源口P与A口连通，B口与排气口连通；阀芯左移时，P与B连通，A与排气口连通。节流口开口量随阀芯位移的增大而增大。上述的工作原理说明带位移反馈的方向比例阀节流口开口量与气流方向均受输入电压Ue的线性控制。

这类阀的优点是线性度好，滞回小，动态性能高。

二、滑阀式二级方向伺阀

下图所示为一种动圈式二级方向伺服阀。它主要由动圈式力马达、喷嘴挡板式气动放大器、滑阀式气动放大器、反馈弹簧等组成。喷嘴档板气动放大器做前置级，滑阀式气动放大器做功率级。

这种二级方向伺服阀的工作原理是：在初始状态，左右两动圈式力马达均无电流输入，也无力输出。在喷嘴气流作用下，两挡板使可变节流器处于全开状态，容腔3、7内压力几乎与大气压相同。滑阀阀芯被装在两侧的反馈弹簧5、6推在中位，两输出口A、B与气源口P和排气口O均被隔开。

当某个动圈式马达有电流输入是（例如右侧力马达），输出与电流I成正比的推力Fm将挡板推向喷嘴，使可变节流器的流通面积减小，容腔6内的气压P6升高，升高后的P6又通过喷嘴对档板产生反推力Ff。当Ff与Fm平衡时，P6趋于稳定，其稳定值乘以喷嘴面积Ay等于电磁力。另一方面，P6升高使阀芯两侧产生压力差，该压力差作用于阀芯断面使阀芯克服反馈弹簧力左移，并使左边反馈弹簧的压缩量增加，产生附加的弹簧力Fs，方向向右，大小与阀芯位移X成正比。当阀芯移动到一定位置时，弹簧附加作用力与7、3容腔的压差对阀芯的作用力达到平衡，阀芯不在移动。此时同时存在阀芯和挡板的受力平衡方程式：

       Fs=KsX=(P6-P5)Ax

       Ff=P6Ay=KiI

式中   KS----反馈弹簧刚度

       Ax----阀芯断面积

       Kf----动圈式力马达的电流增益。

在上述的调节过程中，左侧的喷嘴挡板始终处于全开状态，可以认为P5=0，代入后整理上述两式可得

                     X=(AxKi/AyKs)*I

阀芯位移与输入电流成正比。当另一侧动圈式马达有输入时，通过上述类似的调节过程，阀芯将向相反方向移动一定距离。

当阀芯左移时，气源口P与输出口A连通，B口通大气；阀芯右移时，P与B通，A口通大气。阀芯位移量越大，阀口开口量也越大。这样就实现了对气流的流动方向和流量的控制。

这类阀采用动圈式马达，动态性能好，缺点是结构比较复杂。

三、动圈式压力伺服阀

图示是一种压力伺服阀，其功能是将电信号成比例地转换为气体压力输出。主要组成部分有：动圈式力马达1、喷嘴2、挡板3、固定节流口4、阀芯5、阀体6、复位弹簧7、租尼孔8等。

初始状态时，力马达无电流输入，喷嘴与挡板处在全开位置，控制腔内的压力与大气压几乎相等。滑阀阀芯在复位弹簧推力的作用下处在右位，这时输出口A与排气口通，与气源口P断开。当力马达有电流I输入时，力马达产生推力Fm(=KiI)，将挡板推向喷嘴，控制腔内的气压P9升高。P9的升高使挡板产生反推力，直至与电磁力Fm相平衡时P9才稳定，这时

         Fm=Iki=P9Ay+Yksy

式中   Ay----喷嘴喷口面积；

       Y----挡板位移；

       Ksy----力马达复位弹簧刚度。

另一方面，P9升高使阀芯左依，打开A口与P口，A口的输出压力P10升高，而P10经过阻尼孔8被引到阀芯左腔，该腔内的压力P11也随之升高。P11作用于阀芯左端面阻止阀芯移动，直至阀芯受力平衡，这时

       (P9-P11)Ax=(X+X0)Ksx

式中   A x----阀芯断面积；

       X----阀芯位移；

        X0----滑阀复位弹簧的预压缩量；

        Ksx----滑阀复位弹簧刚度。

由以上两式可得到

  P11=[P9Ax-(X+X0)Ksx]/Ax=(Iki-Yksy)/Ay-(X+X0)Ksx/Ax

由设计保证，使工作时阀芯有效行程X与弹簧预压缩量X0相比小得多，可忽略不计，同时挡板位移量Y在调节过程中变化很小，可近似为一常数，则上式简化为

    P11=KI+C

其中K=Ki/Ay,称为电-气伺服阀的电流—压力增益，而C=-（X0Ksx/Ax+Yksy/Ay）是一常数。

由上式可见，P11与输入电流成线性关系。阀芯处于平衡时，P10=P11，因此伺服阀的输出压力与输入电流成线性关系。

四、脉宽调制伺服阀

与模拟式伺服阀不同，脉宽调制气动伺服控制是一种数字式伺服控制，采用的控制阀是开关式气动电磁阀。脉宽调制气动伺服系统如图所示。输入的模拟信号经脉宽调制器调制成具有一定频率和一定幅值的脉冲信号，经数字放大后控制气动电磁阀。电磁阀输出的是具有一定压力和流量的气动脉冲信号，但已具有足够的功率，能借助气动执行元件对负载做功。脉冲信号必须通过低通滤波器还原成模拟信号去控制负载。低通滤波器可以是气动执行元件，也可以是负载本身。采用前者滤波方式的称脉宽调制线性化系统，采用后者滤波的是依靠负载的较大惯性，它不能响应高频的脉冲信号，只能响应脉宽调制信号的平均效果。

负载响应的平均效果是与脉宽调制信号的调制量成正比的，其控制机理是：对于一个周期的脉冲波，设正脉冲和负脉冲的时间分别为T1和T2，周期为T，脉冲幅值为Ym ,则一个周期内的平均输出Ya为

     Ya=Ym(T1-T2)/T=YmKm

式中Km=(T1-T2)/T称调制量（也称调制系数）。一个周期的脉冲波及调制量与平均输出的关系如下图。由于调制量Km与输入的模拟信号U成正比（这正是控制系统所要求的），因此平均输出与输入的模拟信号之间存在线性关系。

在脉宽调制气动伺服系统中，脉宽调制伺服阀完成信号的转换与放大作用，其常见的结构有四通滑阀型和三通球阀型。下图所示为滑阀式脉宽调制伺服阀的结构原理图。滑阀两端各有一个电磁铁，脉冲信号电流加在两个电磁铁上，控制阀芯按脉冲信号的频率往复运动。

脉宽调制伺服阀的性能主要是动态响应和对称性要求。假设加在电磁铁上的是方波脉冲信号，从电磁铁接到信号到执行元件开始动作这段时间称信号的延迟时间。延迟时间包括三部分，一是电磁线圈中电流由零逐渐增大到衔铁开始运动的电流增长时间；二是衔铁与阀芯一起运动的时间；三是从节流口打开、执行元件工作腔进行放气到执行元件开始动作的固定容器充放时间。前两部分时间是由脉宽调制伺服阀决定。脉宽调制气动伺服的工作频率一般是十几赫兹到二三十赫兹。为了满足动态响应快的特点，要求延迟时间越短越好，一般控制在1~2ms以内。

所谓对称性要求，对四通滑阀，阀芯往复运动的响应要一致，即加在两个电磁铁上的脉冲信号在传递过程中延迟时间应基本相同，两输出口的压力与流量应基本相同；对三通球阀，对应脉冲信号上升沿下降沿的延迟时间应基本相同，球阀的充气过程和排气过程应基本相同。由于三通球阀与差动气缸匹配，其对称性不如四通滑阀好。

为了提高四通滑阀的快速响应，常采用力反馈来提高阀芯反向运动的速度。图所采用的是弹簧反馈的形式。当信号反向时，弹簧力帮助阀芯反向运动，当阀芯运动过了中位，弹簧力改变，起阻止阀芯运动的作用，并能减轻阀芯到位的冲击力，降低噪声。也有采用气压反馈的形式，其作用原理是一样的。

脉宽调制控制与模拟控制相比有很多优点：控制阀在高频开关状态下工作，能消除死区、干摩擦等非线性因素；控制阀加工精度要求不高，降低了控制系统成本；控制阀节流口经常处于全开状态，抗污染能力强，工作可靠。缺点是功率输出小，机械振动和噪声较。

电—气比例伺服系统的应用实例

一、         柔性定位伺服气缸

图示为一柔性定位气缸（又称位置伺服控制系统）。该系统可以根据输给的电信号使气缸活塞在任意位置定位。

位置伺服控制系统由电—气方向比例阀由气缸1、2、位移传感器3、控制放大器4等组成。该系统的基本原理是通过控制放大器、电—气比例阀、气缸的调节作用，使输入电压信号Ue与气缸位移反馈信号Uf(Uf与气缸位移之间是线性关系)之差   U减小并趋于零，以实现气缸位移对输入信号的跟踪。

调节过程如下：若给定的输入信号Uf大于反馈信号Uf，  U＞0，控制放大器输出电流I增大，使-电—气比例阀的阀芯左移，气源口与A口之间的节流面积增大，气缸A腔的压力Pa升高并推动活塞右移。气缸活塞的右移又使反馈电压信号Uf增大，因此电压偏差 U减小，直至  U几乎为零（采用PID调节的控制放大器可将稳态偏差调节至零）。当给定的输入信号小于反馈信号Uf时， U＜0，同样通过类似于上述的调节过程使偏差趋于零。因此在稳定时， U=0即

     Ue=Uf=KX(K为常数)

这就实现了输入信号Uf对气缸活塞位移X的比例控制。上述的调节过程是在一段很短的时间内完成的，故只要输入信号Ue的主要频率分量在系统的频宽之内，气缸活塞位移就可以跟踪Ue的变化。