典型電氣比例閥、伺服閥的工作原理

    電氣比例閥和伺服閥按其功能可分為壓力式和流量式兩種。壓力式比例/伺服閥將輸給的電信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換為氣體壓力；流量式比例/伺服閥將輸給的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣體流量。由于氣體的可壓縮性，使氣缸或氣馬達(dá)等執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度不僅取決于氣體流量。還取決于執(zhí)行元件的負(fù)載大小。因此地控制氣體流量往往是不必要的。單純的壓力式或流量式比例/伺服閥應(yīng)用不多，往往是壓力和流量結(jié)合在一起應(yīng)用更為廣泛。

    電氣比例閥和伺服閥主要由電---機(jī)械轉(zhuǎn)換器和氣動(dòng)放大器組成。但隨著近年來(lái)廉價(jià)的電子集成電路和各種檢測(cè)器件的大量出現(xiàn)，在1電---氣比例/伺服閥中越來(lái)越多地采用了電反饋方法，這也大大提高了比例/伺服閥的性能。電---氣比例/伺服閥可采用的反饋控制方式，閥內(nèi)就增加了位移或壓力檢測(cè)器件，有的還集成有控制放大器。

• 滑閥式電氣方向比例閥

流量式四通或五通比例控制閥可以控制氣動(dòng)執(zhí)行元件在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)速度，這類(lèi)閥也稱(chēng)方向比例閥。圖示即為這類(lèi)閥的結(jié)構(gòu)原理圖。它由直流比例電磁鐵1、閥芯2、閥套3、閥體4、位移傳感器5和控制放大器6等贊成。位移傳感器采用電感式原理，它的作用是將比例電磁鐵的銜鐵位移線性地轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。控制放大器的主要作用是：

1. 將位移傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大；
2. 比較指令信號(hào)Ue和位移反饋信號(hào)Uf，得到兩者的差植  U；
3. 將 U放大，轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)I輸出。此外，為了改善比例閥的性能，控制放大器還含有對(duì)反饋信號(hào)Uf和電壓差 U的處理環(huán)節(jié)。比如狀態(tài)反饋控制和PID調(diào)節(jié)等。

帶位置反饋的滑閥式方向比例閥，其工作原理是：在初始狀態(tài)，控制放大器的指令信號(hào)UF=0，閥芯處于零位，此時(shí)氣源口P與A、B兩端輸出口同時(shí)被切斷，A、B兩口與排氣口也切斷，無(wú)流量輸出；同時(shí)位移傳感器的反饋電壓Uf=0。若閥芯受到某種干擾而偏離調(diào)定的零位時(shí)，位移傳感器將輸出一定的電壓Uf，控制放大器將得到的  U=-Uf放大后輸出給電流比例電磁鐵，電磁鐵產(chǎn)生的推力迫使閥芯回到零位。若指令Ue>0，則電壓差   U增大，使控制放大器的輸出電流增大，比例電磁鐵的輸出推力也增大，推動(dòng)閥芯右移。而閥芯的右移又引起反饋電壓Uf的增大，直至Uf與指令電壓Ue基本相等，閥芯達(dá)到力平衡。此時(shí)。

                Ue=Uf=KfX(Kf為位移傳感器增益)

上式表明閥芯位移X與輸入信號(hào)Ue成正比。若指令電壓信號(hào)Ue<0，通過(guò)上式類(lèi)似的反饋調(diào)節(jié)過(guò)程，使閥芯左移一定距離。

閥芯右移時(shí)，氣源口P與A口連通，B口與排氣口連通；閥芯左移時(shí)，P與B連通，A與排氣口連通。節(jié)流口開(kāi)口量隨閥芯位移的增大而增大。上述的工作原理說(shuō)明帶位移反饋的方向比例閥節(jié)流口開(kāi)口量與氣流方向均受輸入電壓Ue的線性控制。

這類(lèi)閥的優(yōu)點(diǎn)是線性度好，滯回小，動(dòng)態(tài)性能高。

• 滑閥式二級(jí)方向伺閥

下圖所示為一種動(dòng)圈式二級(jí)方向伺服閥。它主要由動(dòng)圈式力馬達(dá)、噴嘴擋板式氣動(dòng)放大器、滑閥式氣動(dòng)放大器、反饋彈簧等組成。噴嘴檔板氣動(dòng)放大器做前置級(jí)，滑閥式氣動(dòng)放大器做功率級(jí)。

這種二級(jí)方向伺服閥的工作原理是：在初始狀態(tài)，左右兩動(dòng)圈式力馬達(dá)均無(wú)電流輸入，也無(wú)力輸出。在噴嘴氣流作用下，兩擋板使可變節(jié)流器處于全開(kāi)狀態(tài)，容腔3、7內(nèi)壓力幾乎與大氣壓相同?；y閥芯被裝在兩側(cè)的反饋彈簧5、6推在中位，兩輸出口A、B與氣源口P和排氣口O均被隔開(kāi)。

當(dāng)某個(gè)動(dòng)圈式馬達(dá)有電流輸入是（例如右側(cè)力馬達(dá)），輸出與電流I成正比的推力Fm將擋板推向噴嘴，使可變節(jié)流器的流通面積減小，容腔6內(nèi)的氣壓P6升高，升高后的P6又通過(guò)噴嘴對(duì)檔板產(chǎn)生反推力Ff。當(dāng)Ff與Fm平衡時(shí)，P6趨于穩(wěn)定，其穩(wěn)定值乘以噴嘴面積Ay等于電磁力。另一方面，P6升高使閥芯兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，該壓力差作用于閥芯斷面使閥芯克服反饋彈簧力左移，并使左邊反饋彈簧的壓縮量增加，產(chǎn)生附加的彈簧力Fs，方向向右，大小與閥芯位移X成正比。當(dāng)閥芯移動(dòng)到一定位置時(shí)，彈簧附加作用力與7、3容腔的壓差對(duì)閥芯的作用力達(dá)到平衡，閥芯不在移動(dòng)。此時(shí)同時(shí)存在閥芯和擋板的受力平衡方程式：

       Fs=KsX=(P6-P5)Ax

       Ff=P6Ay=KiI

式中   KS----反饋彈簧剛度

       Ax----閥芯斷面積

       Kf----動(dòng)圈式力馬達(dá)的電流增益。

在上述的調(diào)節(jié)過(guò)程中，左側(cè)的噴嘴擋板始終處于全開(kāi)狀態(tài)，可以認(rèn)為P5=0，代入后整理上述兩式可得

                     X=(AxKi/AyKs)*I

閥芯位移與輸入電流成正比。當(dāng)另一側(cè)動(dòng)圈式馬達(dá)有輸入時(shí)，通過(guò)上述類(lèi)似的調(diào)節(jié)過(guò)程，閥芯將向相反方向移動(dòng)一定距離。

當(dāng)閥芯左移時(shí)，氣源口P與輸出口A連通，B口通大氣；閥芯右移時(shí)，P與B通，A口通大氣。閥芯位移量越大，閥口開(kāi)口量也越大。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣流的流動(dòng)方向和流量的控制。

這類(lèi)閥采用動(dòng)圈式馬達(dá)，動(dòng)態(tài)性能好，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

• 動(dòng)圈式壓力伺服閥

圖示是一種壓力伺服閥，其功能是將電信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)換為氣體壓力輸出。主要組成部分有：動(dòng)圈式力馬達(dá)1、噴嘴2、擋板3、固定節(jié)流口4、閥芯5、閥體6、復(fù)位彈簧7、租尼孔8等。

初始狀態(tài)時(shí)，力馬達(dá)無(wú)電流輸入，噴嘴與擋板處在全開(kāi)位置，控制腔內(nèi)的壓力與大氣壓幾乎相等?；y閥芯在復(fù)位彈簧推力的作用下處在右位，這時(shí)輸出口A與排氣口通，與氣源口P斷開(kāi)。當(dāng)力馬達(dá)有電流I輸入時(shí)，力馬達(dá)產(chǎn)生推力Fm(=KiI)，將擋板推向噴嘴，控制腔內(nèi)的氣壓P9升高。P9的升高使擋板產(chǎn)生反推力，直至與電磁力Fm相平衡時(shí)P9才穩(wěn)定，這時(shí)

         Fm=Iki=P9Ay+Yksy

式中   Ay----噴嘴噴口面積；

       Y----擋板位移；

       Ksy----力馬達(dá)復(fù)位彈簧剛度。

另一方面，P9升高使閥芯左依，打開(kāi)A口與P口，A口的輸出壓力P10升高，而P10經(jīng)過(guò)阻尼孔8被引到閥芯左腔，該腔內(nèi)的壓力P11也隨之升高。P11作用于閥芯左端面阻止閥芯移動(dòng)，直至閥芯受力平衡，這時(shí)

       (P9-P11)Ax=(X+X0)Ksx

式中   A x----閥芯斷面積；

       X----閥芯位移；

        X0----滑閥復(fù)位彈簧的預(yù)壓縮量；

        Ksx----滑閥復(fù)位彈簧剛度。

由以上兩式可得到

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

由設(shè)計(jì)保證，使工作時(shí)閥芯有效行程X與彈簧預(yù)壓縮量X0相比小得多，可忽略不計(jì)，同時(shí)擋板位移量Y在調(diào)節(jié)過(guò)程中變化很小，可近似為一常數(shù)，則上式簡(jiǎn)化為

    P11=KI+C

其中K=Ki/Ay,稱(chēng)為電-氣伺服閥的電流—壓力增益，而C=-（X0Ksx/Ax+Yksy/Ay）是一常數(shù)。

由上式可見(jiàn)，P11與輸入電流成線性關(guān)系。閥芯處于平衡時(shí)，P10=P11，因此伺服閥的輸出壓力與輸入電流成線性關(guān)系。

• 脈寬調(diào)制伺服閥

與模擬式伺服閥不同，脈寬調(diào)制氣動(dòng)伺服控制是一種數(shù)字式伺服控制，采用的控制閥是開(kāi)關(guān)式氣動(dòng)電磁閥。脈寬調(diào)制氣動(dòng)伺服系統(tǒng)如圖所示。輸入的模擬信號(hào)經(jīng)脈寬調(diào)制器調(diào)制成具有一定頻率和一定幅值的脈沖信號(hào)，經(jīng)數(shù)字放大后控制氣動(dòng)電磁閥。電磁閥輸出的是具有一定壓力和流量的氣動(dòng)脈沖信號(hào)，但已具有足夠的功率，能借助氣動(dòng)執(zhí)行元件對(duì)負(fù)載做功。脈沖信號(hào)必須通過(guò)低通濾波器還原成模擬信號(hào)去控制負(fù)載。低通濾波器可以是氣動(dòng)執(zhí)行元件，也可以是負(fù)載本身。采用前者濾波方式的稱(chēng)脈寬調(diào)制線性化系統(tǒng)，采用后者濾波的是依靠負(fù)載的較大慣性，它不能響應(yīng)高頻的脈沖信號(hào)，只能響應(yīng)脈寬調(diào)制信號(hào)的平均效果。

負(fù)載響應(yīng)的平均效果是與脈寬調(diào)制信號(hào)的調(diào)制量成正比的，其控制機(jī)理是：對(duì)于一個(gè)周期的脈沖波，設(shè)正脈沖和負(fù)脈沖的時(shí)間分別為T1和T2，周期為T，脈沖幅值為Ym ,則一個(gè)周期內(nèi)的平均輸出Ya為

     Ya=Ym(T1-T2)/T=YmKm

式中Km=(T1-T2)/T稱(chēng)調(diào)制量（也稱(chēng)調(diào)制系數(shù)）。一個(gè)周期的脈沖波及調(diào)制量與平均輸出的關(guān)系如下圖。由于調(diào)制量Km與輸入的模擬信號(hào)U成正比（這正是控制系統(tǒng)所要求的），因此平均輸出與輸入的模擬信號(hào)之間存在線性關(guān)系。

在脈寬調(diào)制氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中，脈寬調(diào)制伺服閥完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大作用，其常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有四通滑閥型和三通球閥型。下圖所示為滑閥式脈寬調(diào)制伺服閥的結(jié)構(gòu)原理圖?；y兩端各有一個(gè)電磁鐵，脈沖信號(hào)電流加在兩個(gè)電磁鐵上，控制閥芯按脈沖信號(hào)的頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

脈寬調(diào)制伺服閥的性能主要是動(dòng)態(tài)響應(yīng)和對(duì)稱(chēng)性要求。假設(shè)加在電磁鐵上的是方波脈沖信號(hào)，從電磁鐵接到信號(hào)到執(zhí)行元件開(kāi)始動(dòng)作這段時(shí)間稱(chēng)信號(hào)的延遲時(shí)間。延遲時(shí)間包括三部分，一是電磁線圈中電流由零逐漸增大到銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的電流增長(zhǎng)時(shí)間；二是銜鐵與閥芯一起運(yùn)動(dòng)的時(shí)間；三是從節(jié)流口打開(kāi)、執(zhí)行元件工作腔進(jìn)行放氣到執(zhí)行元件開(kāi)始動(dòng)作的固定容器充放時(shí)間。前兩部分時(shí)間是由脈寬調(diào)制伺服閥決定。脈寬調(diào)制氣動(dòng)伺服的工作頻率一般是十幾赫茲到二三十赫茲。為了滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)，要求延遲時(shí)間越短越好，一般控制在1~2ms以內(nèi)。

所謂對(duì)稱(chēng)性要求，對(duì)四通滑閥，閥芯往復(fù)運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)要一致，即加在兩個(gè)電磁鐵上的脈沖信號(hào)在傳遞過(guò)程中延遲時(shí)間應(yīng)基本相同，兩輸出口的壓力與流量應(yīng)基本相同；對(duì)三通球閥，對(duì)應(yīng)脈沖信號(hào)上升沿下降沿的延遲時(shí)間應(yīng)基本相同，球閥的充氣過(guò)程和排氣過(guò)程應(yīng)基本相同。由于三通球閥與差動(dòng)氣缸匹配，其對(duì)稱(chēng)性不如四通滑閥好。

為了提高四通滑閥的快速響應(yīng)，常采用力反饋來(lái)提高閥芯反向運(yùn)動(dòng)的速度。圖所采用的是彈簧反饋的形式。當(dāng)信號(hào)反向時(shí)，彈簧力幫助閥芯反向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)了中位，彈簧力改變，起阻止閥芯運(yùn)動(dòng)的作用，并能減輕閥芯到位的沖擊力，降低噪聲。也有采用氣壓反饋的形式，其作用原理是一樣的。

脈寬調(diào)制控制與模擬控制相比有很多優(yōu)點(diǎn)：控制閥在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作，能消除死區(qū)、干摩擦等非線性因素；控制閥加工精度要求不高，降低了控制系統(tǒng)成本；控制閥節(jié)流口經(jīng)常處于全開(kāi)狀態(tài)，抗污染能力強(qiáng)，工作可靠。缺點(diǎn)是功率輸出小，機(jī)械振動(dòng)和噪聲較。

電—氣比例伺服系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

• 柔性定位伺服氣缸

圖示為一柔性定位氣缸（又稱(chēng)位置伺服控制系統(tǒng)）。該系統(tǒng)可以根據(jù)輸給的電信號(hào)使氣缸活塞在任意位置定位。

位置伺服控制系統(tǒng)由電—氣方向比例閥由氣缸1、2、位移傳感器3、控制放大器4等組成。該系統(tǒng)的基本原理是通過(guò)控制放大器、電—氣比例閥、氣缸的調(diào)節(jié)作用，使輸入電壓信號(hào)Ue與氣缸位移反饋信號(hào)Uf(Uf與氣缸位移之間是線性關(guān)系)之差   U減小并趨于零，以實(shí)現(xiàn)氣缸位移對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤。

調(diào)節(jié)過(guò)程如下：若給定的輸入信號(hào)Uf大于反饋信號(hào)Uf，  U＞0，控制放大器輸出電流I增大，使-電—氣比例閥的閥芯左移，氣源口與A口之間的節(jié)流面積增大，氣缸A腔的壓力Pa升高并推動(dòng)活塞右移。氣缸活塞的右移又使反饋電壓信號(hào)Uf增大，因此電壓偏差 U減小，直至  U幾乎為零（采用PID調(diào)節(jié)的控制放大器可將穩(wěn)態(tài)偏差調(diào)節(jié)至零）。當(dāng)給定的輸入信號(hào)小于反饋信號(hào)Uf時(shí)， U＜0，同樣通過(guò)類(lèi)似于上述的調(diào)節(jié)過(guò)程使偏差趨于零。因此在穩(wěn)定時(shí)， U=0即

     Ue=Uf=KX(K為常數(shù))

這就實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)Uf對(duì)氣缸活塞位移X的比例控制。上述的調(diào)節(jié)過(guò)程是在一段很短的時(shí)間內(nèi)完成的，故只要輸入信號(hào)Ue的主要頻率分量在系統(tǒng)的頻寬之內(nèi)，氣缸活塞位移就可以跟蹤Ue的變化。