英文作者：Don DeRose

中文校譯：騰益登

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譯者說

本文2003年發(fā)表于Fluid Power Journal，距我們已經(jīng)將近15年了。盡管比例,、伺服技術(shù)不斷在發(fā)展進(jìn)步,，但是作者對當(dāng)時技術(shù)的一些觀點和描述，還是值得我們今天的液壓從業(yè)者去了解和學(xué)習(xí)的,。

正文

在過去25年,，流體系統(tǒng)為實現(xiàn)壓力和流量的自動化連續(xù)控制取得了很大的進(jìn)步。電液伺服閥在19世紀(jì)30年代末期作為一種先進(jìn)科技的運動控制解決方案被發(fā)明出來,，但是成本很高,。上世紀(jì)80年代中期，作為電液伺服閥的一種替代解決方案,，引入了技術(shù)可行和價格合理的比例閥,。本文將探索用在比例閥和伺服閥的技術(shù)，并且試圖闡述在某一個具體的應(yīng)用中,，該用什么樣的閥,。

如果連續(xù)的壓力或者流量控制對于機(jī)械設(shè)備的操作來說并沒有嚴(yán)格的要求，預(yù)設(shè)壓力或者流量的功能就可以通過一組閥來實現(xiàn),。這組閥通過油路連接,，由電磁閥來控制。舉個例子,，如果需要三個具體的壓力值,，就可以采用兩個先導(dǎo)溢流閥并聯(lián)至一個先導(dǎo)式溢流閥的排放口（vent  port）。后兩個先導(dǎo)式溢流閥與前先導(dǎo)式溢流閥之間采用常閉的兩通電磁換向閥來隔離,。通過分別控制兩個電磁換向閥,，就可以實現(xiàn)三個壓力的控制。但是,，如果要實現(xiàn)無級的壓力控制怎么辦,？或者如果需要壓力的增加或者降低是必須跟隨某一具體流量，或者如果調(diào)節(jié)變化率不是固定的,，那么設(shè)計者又如何做才行,？

直到伺服閥發(fā)明之前，如果需要改變執(zhí)行器的壓力以改變力或者力矩,，那么就需要機(jī)器操作者旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)把手,，或者調(diào)整連桿，或者其它機(jī)械的輸入方法來改變閥的設(shè)定值,。如果是需要改變流量,，也可能會采用類似的辦法。閥的人工控制是相當(dāng)不穩(wěn)定的,。閥采用機(jī)械控制也許會更穩(wěn)定,，重復(fù)性更高一些,，但是當(dāng)有不同調(diào)節(jié)速度要求的時候，靈活性又不夠了,。

在20世紀(jì)80年代,，在微處理器出現(xiàn)之前，大多數(shù)的電氣設(shè)備控制系統(tǒng)并沒有得到很好的發(fā)展,。由于大多數(shù)擁有電氣自動化的機(jī)器設(shè)備采用繼電器邏輯控制,，因此設(shè)備的順序操作策略是不能輕易改變的。繼電器是數(shù)字的或者開關(guān)式的設(shè)備,。微處理器以及之后PLC的發(fā)明,，使得機(jī)械設(shè)備的設(shè)計者在控制多樣性方面如同打開了一扇大門。設(shè)備的操作順序不再是繼電器硬線連接,。而布爾運算盡管在繼電器控制邏輯上是可行的,，但是它并不方便，甚至相當(dāng)困難,，昂貴和耗時,。PLC和比例閥的引入極大的拓展了機(jī)械設(shè)備設(shè)計者的對于控制方面的多樣性要求。

市面上最初出現(xiàn)的比例閥就是我們常常所說的“開環(huán)”控制閥,。與機(jī)械反饋（MFB）伺服閥相比,，在線圈組件和閥芯之間，并沒有任何反饋連接,。由于指令輸入和閥輸出之間并不存在反饋環(huán),，因此反饋環(huán)是“開式”而不是“閉式”的。相對于伺服閥而言,，為了提高比例閥的性能，制造商在閥芯上安裝線性位移傳感器（LVDT）以便感知閥芯位置的變化,。LVDT的輸出信號反饋到放大器,。放大器計算閥芯理論位置與實際位置的偏差，接著改變線圈的輸出使得閥芯位置達(dá)到輸入對應(yīng)的期望值,。這些改善了性能的比例閥并定義為“閉環(huán)”控制比例閥,。由于反饋的方式是電氣而非機(jī)械的，因此其被定義為“電氣反饋”（EFB）,。

比例閥如何工作的

某個電氣信號輸送至放大器,，接著控制比例閥線圈。由于大多數(shù)電源信號比線圈上工作所需的電流信號低,，因此輸入電信號必須被放大,。這個功能就需要一個放大器。放大器可裝在閥體上,，即OBE（onboard electronics）,或者遠(yuǎn)程安裝,，與閥分離,。電氣輸入信號可來自不同的源，如由機(jī)器操作者控制的電位計,，操作桿,，或者來自PLC。

放大器用電流信號驅(qū)動線圈,。當(dāng)電流流經(jīng)線圈的時候,，產(chǎn)生電磁力，導(dǎo)致線圈中的銜鐵運動,。銜鐵上的力驅(qū)動閥芯,，因而得到流量控制，壓力調(diào)整,，或者方向控制,，或者座閥的溢流壓力調(diào)整等?；y閥芯或者錐閥由彈簧偏置,。因此，線圈上的力與彈簧力相平衡,。

許多比例方向控制閥,，如圖1所示，擁有兩個電磁鐵線圈,，分別在閥的兩端,。比例方向控制閥提供方向和流量控制。這種特殊的閥包含LVDT,?；旧希p線圈的比例閥是基于標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)電磁換向閥發(fā)展而來的,。在這種直動的開關(guān)閥和直動的比例閥之間的主要區(qū)別在于：

1)     比例方向閥的對中彈簧比普通開關(guān)方向閥的要硬一些,。

2)     比例方向閥的電磁鐵比普通開關(guān)方向閥可以產(chǎn)生更大的力。

3)     比例方向閥總是使用DC直流電磁鐵,。

4)     開關(guān)閥和比例閥閥體總是一樣的（大多數(shù)制造商都會這么做）,，但是閥芯卻有些不一樣的地方。

    a)      比例閥閥芯設(shè)計用于流量控制

    b)     對于同一規(guī)格比例閥,，閥芯設(shè)計不同以便實現(xiàn)不同的流量范圍

    c)      比例閥閥芯擁有節(jié)流口,，當(dāng)不同電氣輸入的時候可以提供不同的流量范圍

5)     方向控制的比例閥兩個工作油口可以提供1:1或者2:1的流量比例，用以控制液壓馬達(dá)和雙出桿油缸,，或者有效面積比為2:1的油缸,。

圖1

一些比例閥只有一個線圈。這些閥典型的是四位而不是三位閥,。圖2是四位四通單電磁鐵比例閥符號示意圖,。需要注意的是,，當(dāng)失電時，閥移至最左端,，所有油口斷開,。為了讓閥芯移至“中位”，閥芯必須經(jīng)歷一個位置,，其中壓力油口將會和一個工作油口連通,，而另外一個工作油口則連通回油。盡管閥芯經(jīng)過這個流量工作區(qū)非?？?，但是其對系統(tǒng)的影響還是必須要考慮進(jìn)去。由于電磁鐵失電的時候,，其也許是我們控制程序的要求,，也可能是供電故障的原因，都有可能造成油缸出現(xiàn)我們不期望的運動,。因此,，為了避免執(zhí)行器出現(xiàn)不期望的運動，有時候會在比例閥和執(zhí)行器之間設(shè)計一個電磁通斷閥,。與雙電磁鐵比例閥相比,，這種單電磁鐵的四位閥通常是高性能比例閥。有些制造商也因此把之稱為“伺服比例閥”,，以表明其具有的高的動態(tài)性能,。這種高性能的能力源自其閥芯相對于“中位”的位移不受對中彈簧滯環(huán)的影響，而這典型的出現(xiàn)在雙電磁鐵比例閥中,。

圖 2

那么,，比例電磁鐵線圈實際上又是如何工作的呢？所有用在比例閥的線圈都是直流（DC）線圈,。交流（AC）線圈的涌浪電流(Inrush Current)通常是工作電流的五倍左右,。如果交流電磁鐵里的銜鐵不允許完全切換到位，其電流消耗就會很高,。線圈將會過熱并燒毀；而且交流設(shè)計也不允許一個連續(xù)電流處于五倍工作電流的工況,。直流電磁鐵不會出現(xiàn)涌浪電流,，因此銜鐵在電流沒有升高的情況下，其可以基本保持不動,。由于銜鐵能夠做到微小的移動,，閥芯或者座閥也會移動非常小，從而閥的輸出變化也會非常小,。

改變比例閥線圈電流最簡單的辦法就是在DC供電和線圈之間安裝可調(diào)電阻器,。這種方案的問題就是沒有直接作用到線圈的電流將會轉(zhuǎn)化成熱量,。這就有點像用一個定量泵給一個低于泵額定流量的執(zhí)行器供油。正如多余的泵流量經(jīng)過溢流閥全壓降的排放到油箱而產(chǎn)生熱量,，當(dāng)供電以滿電流強(qiáng)度給可變電阻供電的時候,，多余的電流經(jīng)過可變電阻而產(chǎn)生熱量。因此,，就需要一個更有效的方法來控制比例電磁線圈,。

一個更有效的微調(diào)銜鐵位移的辦法就是采用脈寬調(diào)制（PWM）電流控制線圈。PWM技術(shù)就是在放大器設(shè)置開關(guān)晶體管,，通過快速以開和關(guān)的方式改變至線圈的電流,。由于切換晶體管關(guān)閉了不需要的電流，因此就不會產(chǎn)生多余熱量,。低頻PWM范圍在100~400Hz之間,，而高頻PWM在4000~5000Hz之間。脈沖頻率保持不變,，而脈沖的占空比是變化的,。比如，30%的占空比,，理論上,，閥將產(chǎn)生30%的流量或者壓力輸出。通過改變線圈“開”的時間,，閥芯的位移就可以被成比例的控制,。

有幾個因素會影響線圈電流輸入和閥輸出之間的差異。彈簧的滯環(huán),，閥芯或座閥的摩擦損失以及線圈本身的損失都是其中的影響因素,。為了克服摩擦損失和慣性，通常在PWM信號上疊加低幅高頻正弦信號,，這個額外的信號被稱為“顫振”,。顫振的作用就是使閥芯或者座閥保持一種持續(xù)的運動，以便克服由于慣性和摩擦導(dǎo)致的響應(yīng)滯后,。理論上,，顫振的振動不改變閥的輸出。

電磁鐵控制和先導(dǎo)操作的比例方向閥,，有時叫做兩級比例方向閥,，通過先導(dǎo)級和主級來控制主閥芯的位置。如果閥是一開環(huán)控制閥,，先導(dǎo)閥通常采用兩個比例減壓閥,；兩個比例減壓閥在一個閥體里。通過減壓閥減壓之后的壓力作用于主閥芯一側(cè),，與另外一側(cè)的對中彈簧平衡,，主閥芯由此被定位,。相反，閉環(huán)控制閥,，利用開環(huán)控制比例方向閥作為先導(dǎo)閥,。主閥芯上的LVDT把閥芯位置的信號反饋至放大器。反饋信號經(jīng)過放大器計算,，分析任何主閥芯的位置誤差,；如果主閥芯已經(jīng)被定位至正確的位置并產(chǎn)生期望的輸出，先導(dǎo)閥將被控制調(diào)節(jié)至零位（中位）,。圖3示出兩級開環(huán)比例方向閥,，而圖4示出兩級閉環(huán)比例方向閥。

圖 3

圖 4

Moog基本上就是機(jī)械反饋MFB伺服閥設(shè)計者的代名詞,。Moog也緊隨市場的變化生產(chǎn)制造了大量的電氣反饋EFB伺服閥,。Moog的EFB伺服閥可以分為射流管設(shè)計和線性力馬達(dá)設(shè)計。

線性力馬達(dá)（LFM）包含兩個線圈,，對中彈簧（圖6中右側(cè)）和相對于彈簧的銜鐵位置的調(diào)整機(jī)構(gòu),。一個線性力馬達(dá)可以提供大約45磅的力。

圖6可以解釋Moog的DDV（Direct drive valve）閥,。線性力馬達(dá)置于右側(cè),，LVDT和集成電子置于閥的左側(cè)。和前面討論的雙線圈比例閥一樣,，可以實現(xiàn)方向和流量的比例閉環(huán)控制,。

圖 6

不同于大多數(shù)的伺服閥符合ISO 10372油口安裝面，Moog的DDV閥遵循ISO 4401安裝面（D03和D05）,。不像之前我們討論的比例閥,，DDV的閥芯并沒有直接接觸閥體。相反,，為了保留傳統(tǒng)的MFB伺服閥的設(shè)計,，DDV閥的閥芯是包含在精密加工的閥套里面。與加工典型的比例閥閥體內(nèi)部節(jié)流控制邊相比較而言,，閥套的使用使得閥套節(jié)流控制邊的加工更加容易,。采用這種結(jié)構(gòu)，也使得閥芯與閥套形狀的相互關(guān)系更容易優(yōu)化,。因此,，閥芯和閥套可以被加工切削得到負(fù)遮蓋，零遮蓋或者正遮蓋（閥芯與閥套的遮蓋量影響內(nèi)泄漏以及執(zhí)行器的控制）,。

閥芯相對于閥套的零位是工廠設(shè)置的，其是通過定位銜鐵相對于對中彈簧的位置實現(xiàn)的,。

Moog其它的電氣反饋EFB閥是基于射流管設(shè)計的,，如圖7所示,。在射流管伺服閥，系統(tǒng)流量被直接導(dǎo)入射流管,，射流管末端帶節(jié)流口,。經(jīng)過射流管節(jié)流口的油液流至接收器。接收器有一個孔,，導(dǎo)流來自射流管噴嘴的油液,。在接收器里，該孔被分成兩條油路,。每條油路連接至主閥芯兩端,。力馬達(dá)接收來自控制系統(tǒng)的電信號。力馬達(dá)需要比比例閥低得多的控制電流,，因此,，其可被PLC直接驅(qū)動。一旦力馬達(dá)在某一個方向被激活,，射流管的偏轉(zhuǎn)角度就會改變,。因此，射流管噴嘴流出的油液就會在接收器兩個油路有不同的油液,，因而在兩個油路上的壓力也會不一樣,。高壓側(cè)的油路就會驅(qū)動主閥芯運動。就這樣,，閥芯的運動使得系統(tǒng)壓力與其中一個工作油口連接,，而另外一個工作油口接至油箱。射流管的偏轉(zhuǎn)角度正比于輸入至力馬達(dá)的電流,。其中一個接收器油路的壓力上升正比于射流管偏轉(zhuǎn)角度,，由此導(dǎo)致的閥芯位移也正比于該油路壓力的上升。LVDT用于控制閉環(huán),，使得射流管就是一個EFB伺服閥,。

圖 7

Moog最大流量的伺服閥使用兩級射流管設(shè)計。圖8示出了剖面結(jié)構(gòu),。

圖 8

圖9示出了兩級機(jī)械反饋MFB伺服閥剖面結(jié)構(gòu),。與射流管設(shè)計一樣，力矩馬達(dá)用于接收電氣輸入,。力矩馬達(dá)銜鐵運動與電通量一致,，其由經(jīng)過力馬達(dá)的線圈電流產(chǎn)生。擋板通過一個薄壁彈簧管與銜鐵連接,。擋板處于兩個對稱的噴嘴中間,。系統(tǒng)油液流經(jīng)該噴嘴。在每個噴嘴的入口，分出一支路連接至主閥芯端部,。當(dāng)力矩馬達(dá)沒有電流輸入時,，擋板在兩個噴嘴的中間，每個噴嘴與擋板的壓力相等,，擋板保持平衡,，同樣的主閥芯兩端的壓力相等而閥芯也是平衡狀態(tài)。此外,，與擋板相連的是細(xì)長的不銹鋼連桿,，即反饋彈簧。反饋彈簧的自由端位于閥芯開槽處,。就這樣,，閥芯位置就被機(jī)械的反饋到擋板組件。

圖 9

圖10,，力矩馬達(dá)得到輸入電流,，銜鐵逆時針偏轉(zhuǎn)。擋板向右偏轉(zhuǎn)靠近右噴嘴,，因此右邊油路將產(chǎn)生更高的壓力而左邊油路產(chǎn)生更低的壓力,。右側(cè)的高壓作用于閥芯右端面，左側(cè)的低壓作用于閥芯的左端,，產(chǎn)生的不平衡力,，促進(jìn)閥芯左移。當(dāng)閥芯左移時,，反饋彈簧自由端末端的鋼珠拉著反饋彈簧向左運動,，因此擋板就會得到反饋力，此力與力矩馬達(dá)產(chǎn)生的力相反,，接著就會重新調(diào)整擋板在噴嘴之間的位置,。一旦擋板回至噴嘴中間位置的時候，噴嘴的壓力變得相等,，也即主閥芯兩端的壓力相等,。此時，主閥芯將停止運動,，然而,，此時主閥芯保持一定的偏移，控制著進(jìn)出工作油口的流量,。

圖 10

圖11解釋了該動作過程,。

圖 11

目前為止，上述討論的似乎都不難理解,。然而究竟,，對于一個具體的應(yīng)用,，該用哪種閥呢？這主要取決于閥的性能和流量,。性能一般用頻率響應(yīng)來測量,。簡言之，頻率響應(yīng)可以測量閥可以多快的控制流量,，比如，閥打開到給定值如80%或者100%然后減小到一個低值如20%或者0,，其反應(yīng)有多快,。盡管所有的比例閥和伺服閥制造商都提供伯德圖來顯示閥的性能，但似乎每個制造商都測試了一些不同的參數(shù),，使得直接比較起來非常困難,，甚至不可能。其它性能參數(shù)的測量包括階躍響應(yīng),，滯環(huán),，泄漏，死區(qū)和線性度等,。當(dāng)然,，這些主題的討論需要開辟單獨的文章了。

大家經(jīng)常問到的一個問題就是：是不是一個閉環(huán)控制的比例閥在系統(tǒng)中的性能表現(xiàn)比一個開環(huán)控制的比例閥“更好”,？盡管確實如此,，一些閉環(huán)控制的比例閥在頻率響應(yīng)表現(xiàn)更好，但是一些樣本也顯示部分開環(huán)控制的比例閥比閉環(huán)控制的比例閥反應(yīng)更快,。當(dāng)然,，這是在相等流量或同規(guī)格尺寸之間的閥進(jìn)行比較的。閉環(huán)控制閥可以確定的是當(dāng)給定假如35%的輸入信號時,，閥芯也將停止在35%的位置上,。但這并不意味著其將輸出35%的額定流量。最終決定的,，是執(zhí)行器如何工作的,。如果需要確定的力，速度或者位置控制,，機(jī)器設(shè)備設(shè)計者就需要考慮外部的反饋閉環(huán)控制,。當(dāng)然，如果閥本身是閉環(huán)控制的,，而設(shè)備本身也采用了外部閉環(huán)控制,，兩個控制環(huán)之間可能就會存在互相融合或干擾的情況。因此有些時候,，為了避免更多的控制成本,，就可以考慮采用開環(huán)控制閥和執(zhí)行器外部閉環(huán)控制相結(jié)合的方式。

你也許會問：對于給定的流量，為什么伺服閥有更高的頻率響應(yīng),？需要注意的,，在一個雙線圈的比例閥，無論是開環(huán)還是閉環(huán)控制,，線圈的電磁力始終是與對中彈簧的彈簧力相平衡的,，從而來定位閥芯位置。即使線圈被優(yōu)化了可以響應(yīng)很快,，如果降低至線圈的電流,，為了使流量降低，減小閥芯位移量的元件依然是彈簧,。相反的情況是,，如果線圈響應(yīng)很快，使閥芯位移超出,，而彈簧又不能提供足夠的平衡力,，此時閥芯就會超調(diào)。因此,，在某種情況下可以認(rèn)為,，閥的動態(tài)特性是由對中彈簧限定。

相比較而言,，MFB和射流管伺服閥采用高的液壓油控制閥芯,。在伺服閥本體，三分之一的系統(tǒng)壓力被用于控制閥芯,。如一個21Mpa的系統(tǒng),，7Mpa就被用于控制閥芯而剩余的14Mpa用于執(zhí)行器工作。這種情況下就會有很大的壓力損失,，無法做功,，但是好處就是提高了系統(tǒng)響應(yīng)。閥芯兩端的高壓流體就像一組高壓彈簧,。

如之前所述,，Moog DDV閥所用的力馬達(dá)輸出力可達(dá)45磅。與使用兩個線圈的比例閥相比,，DDV閥可以使用更硬的對中彈簧,，也即是，如果使用較軟的對中彈簧,，則閥芯的位移控制將會更精確,。

小規(guī)格的閥通常有較高的頻率響應(yīng)，因為其閥芯質(zhì)量更小,。小質(zhì)量更容易控制,，加減速均比大質(zhì)量的更容易,。

最后，又回到了如何選擇一個合適的閥來滿足機(jī)器運動控制要求的問題上來,。

關(guān)于此點,，我們研究了方向閥，那么關(guān)于壓力和流量控制呢,？比例技術(shù)也在這些方面得到了應(yīng)用,。關(guān)于壓力控制，大多數(shù)閥采用開環(huán)和閉環(huán)比例技術(shù),。對于低的或者先導(dǎo)流量控制,，直動式壓力控制閥是最常見的。而對于大流量,，常常使用兩級閥。

圖12解釋了帶閉環(huán)控制和最大壓力手動限定的先導(dǎo)式溢流閥,。

圖 12

圖13解釋了閉環(huán)控制流量控制閥,。

圖 13