关于比例阀和伺服阀技术的一些探索

英文作者：Don DeRose

中文校译：腾益登

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译者说

本文2003年发表于Fluid Power Journal，距我们已经将近15年了。尽管比例、伺服技术不断在发展进步，但是作者对当时技术的一些观点和描述，还是值得我们今天的液压从业者去了解和学习的。

正文

在过去25年，流体系统为实现压力和流量的自动化连续控制取得了很大的进步。电液伺服阀在19世纪30年代末期作为一种先进科技的运动控制解决方案被发明出来，但是成本很高。上世纪80年代中期，作为电液伺服阀的一种替代解决方案，引入了技术可行和价格合理的比例阀。本文将探索用在比例阀和伺服阀的技术，并且试图阐述在某一个具体的应用中，该用什么样的阀。

如果连续的压力或者流量控制对于机械设备的操作来说并没有严格的要求，预设压力或者流量的功能就可以通过一组阀来实现。这组阀通过油路连接，由电磁阀来控制。举个例子，如果需要三个具体的压力值，就可以采用两个先导溢流阀并联至一个先导式溢流阀的排放口（vent  port）。后两个先导式溢流阀与前先导式溢流阀之间采用常闭的两通电磁换向阀来隔离。通过分别控制两个电磁换向阀，就可以实现三个压力的控制。但是，如果要实现无级的压力控制怎么办？或者如果需要压力的增加或者降低是必须跟随某一具体流量，或者如果调节变化率不是固定的，那么设计者又如何做才行？

直到伺服阀发明之前，如果需要改变执行器的压力以改变力或者力矩，那么就需要机器操作者旋转调节把手，或者调整连杆，或者其它机械的输入方法来改变阀的设定值。如果是需要改变流量，也可能会采用类似的办法。阀的人工控制是相当不稳定的。阀采用机械控制也许会更稳定，重复性更高一些，但是当有不同调节速度要求的时候，灵活性又不够了。

在20世纪80年代，在微处理器出现之前，大多数的电气设备控制系统并没有得到很好的发展。由于大多数拥有电气自动化的机器设备采用继电器逻辑控制，因此设备的顺序操作策略是不能轻易改变的。继电器是数字的或者开关式的设备。微处理器以及之后PLC的发明，使得机械设备的设计者在控制多样性方面如同打开了一扇大门。设备的操作顺序不再是继电器硬线连接。而布尔运算尽管在继电器控制逻辑上是可行的，但是它并不方便，甚至相当困难，昂贵和耗时。PLC和比例阀的引入极大的拓展了机械设备设计者的对于控制方面的多样性要求。

市面上最初出现的比例阀就是我们常常所说的“开环”控制阀。与机械反馈（MFB）伺服阀相比，在线圈组件和阀芯之间，并没有任何反馈连接。由于指令输入和阀输出之间并不存在反馈环，因此反馈环是“开式”而不是“闭式”的。相对于伺服阀而言，为了提高比例阀的性能，制造商在阀芯上安装线性位移传感器（LVDT）以便感知阀芯位置的变化。LVDT的输出信号反馈到放大器。放大器计算阀芯理论位置与实际位置的偏差，接着改变线圈的输出使得阀芯位置达到输入对应的期望值。这些改善了性能的比例阀并定义为“闭环”控制比例阀。由于反馈的方式是电气而非机械的，因此其被定义为“电气反馈”（EFB）。

比例阀如何工作的

某个电气信号输送至放大器，接着控制比例阀线圈。由于大多数电源信号比线圈上工作所需的电流信号低，因此输入电信号必须被放大。这个功能就需要一个放大器。放大器可装在阀体上，即OBE（onboard electronics）,或者远程安装，与阀分离。电气输入信号可来自不同的源，如由机器操作者控制的电位计，操作杆，或者来自PLC。

放大器用电流信号驱动线圈。当电流流经线圈的时候，产生电磁力，导致线圈中的衔铁运动。衔铁上的力驱动阀芯，因而得到流量控制，压力调整，或者方向控制，或者座阀的溢流压力调整等。滑阀阀芯或者锥阀由弹簧偏置。因此，线圈上的力与弹簧力相平衡。

许多比例方向控制阀，如图1所示，拥有两个电磁铁线圈，分别在阀的两端。比例方向控制阀提供方向和流量控制。这种特殊的阀包含LVDT。基本上，双线圈的比例阀是基于标准的开关电磁换向阀发展而来的。在这种直动的开关阀和直动的比例阀之间的主要区别在于：

1)     比例方向阀的对中弹簧比普通开关方向阀的要硬一些。

2)     比例方向阀的电磁铁比普通开关方向阀可以产生更大的力。

3)     比例方向阀总是使用DC直流电磁铁。

4)     开关阀和比例阀阀体总是一样的（大多数制造商都会这么做），但是阀芯却有些不一样的地方。

    a)      比例阀阀芯设计用于流量控制

    b)     对于同一规格比例阀，阀芯设计不同以便实现不同的流量范围

    c)      比例阀阀芯拥有节流口，当不同电气输入的时候可以提供不同的流量范围

5)     方向控制的比例阀两个工作油口可以提供1:1或者2:1的流量比例，用以控制液压马达和双出杆油缸，或者有效面积比为2:1的油缸。

图1

一些比例阀只有一个线圈。这些阀典型的是四位而不是三位阀。图2是四位四通单电磁铁比例阀符号示意图。需要注意的是，当失电时，阀移至最左端，所有油口断开。为了让阀芯移至“中位”，阀芯必须经历一个位置，其中压力油口将会和一个工作油口连通，而另外一个工作油口则连通回油。尽管阀芯经过这个流量工作区非常快，但是其对系统的影响还是必须要考虑进去。由于电磁铁失电的时候，其也许是我们控制程序的要求，也可能是供电故障的原因，都有可能造成油缸出现我们不期望的运动。因此，为了避免执行器出现不期望的运动，有时候会在比例阀和执行器之间设计一个电磁通断阀。与双电磁铁比例阀相比，这种单电磁铁的四位阀通常是高性能比例阀。有些制造商也因此把之称为“伺服比例阀”，以表明其具有的高的动态性能。这种高性能的能力源自其阀芯相对于“中位”的位移不受对中弹簧滞环的影响，而这典型的出现在双电磁铁比例阀中。

图 2

那么，比例电磁铁线圈实际上又是如何工作的呢？所有用在比例阀的线圈都是直流（DC）线圈。交流（AC）线圈的涌浪电流(Inrush Current)通常是工作电流的五倍左右。如果交流电磁铁里的衔铁不允许完全切换到位，其电流消耗就会很高。线圈将会过热并烧毁；而且交流设计也不允许一个连续电流处于五倍工作电流的工况。直流电磁铁不会出现涌浪电流，因此衔铁在电流没有升高的情况下，其可以基本保持不动。由于衔铁能够做到微小的移动，阀芯或者座阀也会移动非常小，从而阀的输出变化也会非常小。

改变比例阀线圈电流最简单的办法就是在DC供电和线圈之间安装可调电阻器。这种方案的问题就是没有直接作用到线圈的电流将会转化成热量。这就有点像用一个定量泵给一个低于泵额定流量的执行器供油。正如多余的泵流量经过溢流阀全压降的排放到油箱而产生热量，当供电以满电流强度给可变电阻供电的时候，多余的电流经过可变电阻而产生热量。因此，就需要一个更有效的方法来控制比例电磁线圈。

一个更有效的微调衔铁位移的办法就是采用脉宽调制（PWM）电流控制线圈。PWM技术就是在放大器设置开关晶体管，通过快速以开和关的方式改变至线圈的电流。由于切换晶体管关闭了不需要的电流，因此就不会产生多余热量。低频PWM范围在100~400Hz之间，而高频PWM在4000~5000Hz之间。脉冲频率保持不变，而脉冲的占空比是变化的。比如，30%的占空比，理论上，阀将产生30%的流量或者压力输出。通过改变线圈“开”的时间，阀芯的位移就可以被成比例的控制。

有几个因素会影响线圈电流输入和阀输出之间的差异。弹簧的滞环，阀芯或座阀的摩擦损失以及线圈本身的损失都是其中的影响因素。为了克服摩擦损失和惯性，通常在PWM信号上叠加低幅高频正弦信号，这个额外的信号被称为“颤振”。颤振的作用就是使阀芯或者座阀保持一种持续的运动，以便克服由于惯性和摩擦导致的响应滞后。理论上，颤振的振动不改变阀的输出。

电磁铁控制和先导操作的比例方向阀，有时叫做两级比例方向阀，通过先导级和主级来控制主阀芯的位置。如果阀是一开环控制阀，先导阀通常采用两个比例减压阀；两个比例减压阀在一个阀体里。通过减压阀减压之后的压力作用于主阀芯一侧，与另外一侧的对中弹簧平衡，主阀芯由此被定位。相反，闭环控制阀，利用开环控制比例方向阀作为先导阀。主阀芯上的LVDT把阀芯位置的信号反馈至放大器。反馈信号经过放大器计算，分析任何主阀芯的位置误差；如果主阀芯已经被定位至正确的位置并产生期望的输出，先导阀将被控制调节至零位（中位）。图3示出两级开环比例方向阀，而图4示出两级闭环比例方向阀。

图 3

图 4

Moog基本上就是机械反馈MFB伺服阀设计者的代名词。Moog也紧随市场的变化生产制造了大量的电气反馈EFB伺服阀。Moog的EFB伺服阀可以分为射流管设计和线性力马达设计。

线性力马达（LFM）包含两个线圈，对中弹簧（图6中右侧）和相对于弹簧的衔铁位置的调整机构。一个线性力马达可以提供大约45磅的力。

图6可以解释Moog的DDV（Direct drive valve）阀。线性力马达置于右侧，LVDT和集成电子置于阀的左侧。和前面讨论的双线圈比例阀一样，可以实现方向和流量的比例闭环控制。

图 6

不同于大多数的伺服阀符合ISO 10372油口安装面，Moog的DDV阀遵循ISO 4401安装面（D03和D05）。不像之前我们讨论的比例阀，DDV的阀芯并没有直接接触阀体。相反，为了保留传统的MFB伺服阀的设计，DDV阀的阀芯是包含在精密加工的阀套里面。与加工典型的比例阀阀体内部节流控制边相比较而言，阀套的使用使得阀套节流控制边的加工更加容易。采用这种结构，也使得阀芯与阀套形状的相互关系更容易优化。因此，阀芯和阀套可以被加工切削得到负遮盖，零遮盖或者正遮盖（阀芯与阀套的遮盖量影响内泄漏以及执行器的控制）。

阀芯相对于阀套的零位是工厂设置的，其是通过定位衔铁相对于对中弹簧的位置实现的。

Moog其它的电气反馈EFB阀是基于射流管设计的，如图7所示。在射流管伺服阀，系统流量被直接导入射流管，射流管末端带节流口。经过射流管节流口的油液流至接收器。接收器有一个孔，导流来自射流管喷嘴的油液。在接收器里，该孔被分成两条油路。每条油路连接至主阀芯两端。力马达接收来自控制系统的电信号。力马达需要比比例阀低得多的控制电流，因此，其可被PLC直接驱动。一旦力马达在某一个方向被激活，射流管的偏转角度就会改变。因此，射流管喷嘴流出的油液就会在接收器两个油路有不同的油液，因而在两个油路上的压力也会不一样。高压侧的油路就会驱动主阀芯运动。就这样，阀芯的运动使得系统压力与其中一个工作油口连接，而另外一个工作油口接至油箱。射流管的偏转角度正比于输入至力马达的电流。其中一个接收器油路的压力上升正比于射流管偏转角度，由此导致的阀芯位移也正比于该油路压力的上升。LVDT用于控制闭环，使得射流管就是一个EFB伺服阀。

图 7

Moog最大流量的伺服阀使用两级射流管设计。图8示出了剖面结构。

图 8

图9示出了两级机械反馈MFB伺服阀剖面结构。与射流管设计一样，力矩马达用于接收电气输入。力矩马达衔铁运动与电通量一致，其由经过力马达的线圈电流产生。挡板通过一个薄壁弹簧管与衔铁连接。挡板处于两个对称的喷嘴中间。系统油液流经该喷嘴。在每个喷嘴的入口，分出一支路连接至主阀芯端部。当力矩马达没有电流输入时，挡板在两个喷嘴的中间，每个喷嘴与挡板的压力相等，挡板保持平衡，同样的主阀芯两端的压力相等而阀芯也是平衡状态。此外，与挡板相连的是细长的不锈钢连杆，即反馈弹簧。反馈弹簧的自由端位于阀芯开槽处。就这样，阀芯位置就被机械的反馈到挡板组件。

图 9

图10，力矩马达得到输入电流，衔铁逆时针偏转。挡板向右偏转靠近右喷嘴，因此右边油路将产生更高的压力而左边油路产生更低的压力。右侧的高压作用于阀芯右端面，左侧的低压作用于阀芯的左端，产生的不平衡力，促进阀芯左移。当阀芯左移时，反馈弹簧自由端末端的钢珠拉着反馈弹簧向左运动，因此挡板就会得到反馈力，此力与力矩马达产生的力相反，接着就会重新调整挡板在喷嘴之间的位置。一旦挡板回至喷嘴中间位置的时候，喷嘴的压力变得相等，也即主阀芯两端的压力相等。此时，主阀芯将停止运动，然而，此时主阀芯保持一定的偏移，控制着进出工作油口的流量。

图 10

图11解释了该动作过程。

图 11

目前为止，上述讨论的似乎都不难理解。然而究竟，对于一个具体的应用，该用哪种阀呢？这主要取决于阀的性能和流量。性能一般用频率响应来测量。简言之，频率响应可以测量阀可以多快的控制流量，比如，阀打开到给定值如80%或者100%然后减小到一个低值如20%或者0，其反应有多快。尽管所有的比例阀和伺服阀制造商都提供伯德图来显示阀的性能，但似乎每个制造商都测试了一些不同的参数，使得直接比较起来非常困难，甚至不可能。其它性能参数的测量包括阶跃响应，滞环，泄漏，死区和线性度等。当然，这些主题的讨论需要开辟单独的文章了。

大家经常问到的一个问题就是：是不是一个闭环控制的比例阀在系统中的性能表现比一个开环控制的比例阀“更好”？尽管确实如此，一些闭环控制的比例阀在频率响应表现更好，但是一些样本也显示部分开环控制的比例阀比闭环控制的比例阀反应更快。当然，这是在相等流量或同规格尺寸之间的阀进行比较的。闭环控制阀可以确定的是当给定假如35%的输入信号时，阀芯也将停止在35%的位置上。但这并不意味着其将输出35%的额定流量。最终决定的，是执行器如何工作的。如果需要确定的力，速度或者位置控制，机器设备设计者就需要考虑外部的反馈闭环控制。当然，如果阀本身是闭环控制的，而设备本身也采用了外部闭环控制，两个控制环之间可能就会存在互相融合或干扰的情况。因此有些时候，为了避免更多的控制成本，就可以考虑采用开环控制阀和执行器外部闭环控制相结合的方式。

你也许会问：对于给定的流量，为什么伺服阀有更高的频率响应？需要注意的，在一个双线圈的比例阀，无论是开环还是闭环控制，线圈的电磁力始终是与对中弹簧的弹簧力相平衡的，从而来定位阀芯位置。即使线圈被优化了可以响应很快，如果降低至线圈的电流，为了使流量降低，减小阀芯位移量的元件依然是弹簧。相反的情况是，如果线圈响应很快，使阀芯位移超出，而弹簧又不能提供足够的平衡力，此时阀芯就会超调。因此，在某种情况下可以认为，阀的动态特性是由对中弹簧限定。

相比较而言，MFB和射流管伺服阀采用高的液压油控制阀芯。在伺服阀本体，三分之一的系统压力被用于控制阀芯。如一个21Mpa的系统，7Mpa就被用于控制阀芯而剩余的14Mpa用于执行器工作。这种情况下就会有很大的压力损失，无法做功，但是好处就是提高了系统响应。阀芯两端的高压流体就像一组高压弹簧。

如之前所述，Moog DDV阀所用的力马达输出力可达45磅。与使用两个线圈的比例阀相比，DDV阀可以使用更硬的对中弹簧，也即是，如果使用较软的对中弹簧，则阀芯的位移控制将会更精确。

小规格的阀通常有较高的频率响应，因为其阀芯质量更小。小质量更容易控制，加减速均比大质量的更容易。

最后，又回到了如何选择一个合适的阀来满足机器运动控制要求的问题上来。

关于此点，我们研究了方向阀，那么关于压力和流量控制呢？比例技术也在这些方面得到了应用。关于压力控制，大多数阀采用开环和闭环比例技术。对于低的或者先导流量控制，直动式压力控制阀是最常见的。而对于大流量，常常使用两级阀。

图12解释了带闭环控制和最大压力手动限定的先导式溢流阀。

图 12

图13解释了闭环控制流量控制阀。

图 13