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)換器和氣動放大器組成,。但隨著近年來廉價(jià)的電子集成電路和各種檢測器件的大量出現(xiàn)，在1電---氣比例/伺服閥中越來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執(zhí)行元件在兩個(gè)方向上的運(yùn)動速度,，這類閥也稱方向比例閥。圖示即為這類閥的結(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進(jìn)行放大,；
2. 比較指令信號Ue和位移反饋信號Uf,，得到兩者的差植  U；
3. 將 U放大,，轉(zhuǎn)換為電流信號I輸出,。此外，為了改善比例閥的性能,，控制放大器還含有對反饋信號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Ue成正比,。若指令電壓信號Ue<0，通過上式類似的反饋調(diào)節(jié)過程,，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)流口開口量隨閥芯位移的增大而增大,。上述的工作原理說明帶位移反饋的方向比例閥節(jié)流口開口量與氣流方向均受輸入電壓Ue的線性控制,。

這類閥的優(yōu)點(diǎn)是線性度好，滯回小,，動態(tài)性能高,。

• 滑閥式二級方向伺閥

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

這種二級方向伺服閥的工作原理是：在初始狀態(tài),，左右兩動圈式力馬達(dá)均無電流輸入,，也無力輸出。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。

當(dāng)某個(gè)動圈式馬達(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又通過噴嘴對檔板產(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)閥芯移動到一定位置時(shí)，彈簧附加作用力與7,、3容腔的壓差對閥芯的作用力達(dá)到平衡,，閥芯不在移動。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----動圈式力馬達(dá)的電流增益,。

在上述的調(diào)節(jié)過程中,，左側(cè)的噴嘴擋板始終處于全開狀態(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)動圈式馬達(dá)有輸入時(shí)，通過上述類似的調(diào)節(jié)過程,，閥芯將向相反方向移動一定距離,。

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，閥口開口量也越大,。這樣就實(shí)現(xiàn)了對氣流的流動方向和流量的控制,。

這類閥采用動圈式馬達(dá)，動態(tài)性能好,，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,。

• 動圈式壓力伺服閥

圖示是一種壓力伺服閥,，其功能是將電信號成比例地轉(zhuǎn)換為氣體壓力輸出。主要組成部分有：動圈式力馬達(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)無電流輸入,，噴嘴與擋板處在全開位置,，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,。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A口與P口,，A口的輸出壓力P10升高，而P10經(jīng)過阻尼孔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，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)過程中變化很小,，可近似為一常數(shù)，則上式簡化為

    P11=KI+C

其中K=Ki/Ay,稱為電-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，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)制氣動伺服控制是一種數(shù)字式伺服控制，采用的控制閥是開關(guān)式氣動電磁閥,。脈寬調(diào)制氣動伺服系統(tǒng)如圖所示,。輸入的模擬信號經(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，經(jīng)數(shù)字放大后控制氣動電磁閥,。電磁閥輸出的是具有一定壓力和流量的氣動脈沖信號,，但已具有足夠的功率，能借助氣動執(zhí)行元件對負(fù)載做功,。脈沖信號必須通過低通濾波器還原成模擬信號去控制負(fù)載,。低通濾波器可以是氣動執(zhí)行元件，也可以是負(fù)載本身,。采用前者濾波方式的稱脈寬調(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,，只能響應(yīng)脈寬調(diào)制信號的平均效果,。

負(fù)載響應(yīng)的平均效果是與脈寬調(diào)制信號的調(diào)制量成正比的，其控制機(jī)理是：對于一個(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稱調(diào)制量（也稱調(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之間存在線性關(guān)系,。

在脈寬調(diào)制氣動伺服系統(tǒng)中,，脈寬調(diào)制伺服閥完成信號的轉(zhuǎn)換與放大作用，其常見的結(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，脈沖信號電流加在兩個(gè)電磁鐵上,，控制閥芯按脈沖信號的頻率往復(fù)運(yùn)動,。

脈寬調(diào)制伺服閥的性能主要是動態(tài)響應(yīng)和對稱性要求。假設(shè)加在電磁鐵上的是方波脈沖信號,，從電磁鐵接到信號到執(zhí)行元件開始動作這段時(shí)間稱信號的延遲時(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始運(yùn)動的電流增長時(shí)間,；二是銜鐵與閥芯一起運(yùn)動的時(shí)間,；三是從節(jié)流口打開、執(zhí)行元件工作腔進(jìn)行放氣到執(zhí)行元件開始動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)。

所謂對稱性要求,，對四通滑閥,，閥芯往復(fù)運(yùn)動的響應(yīng)要一致，即加在兩個(gè)電磁鐵上的脈沖信號在傳遞過程中延遲時(shí)間應(yīng)基本相同,，兩輸出口的壓力與流量應(yīng)基本相同,；對三通球閥，對應(yīng)脈沖信號上升沿下降沿的延遲時(shí)間應(yīng)基本相同,，球閥的充氣過程和排氣過程應(yīng)基本相同。由于三通球閥與差動氣缸匹配,，其對稱性不如四通滑閥好,。

為了提高四通滑閥的快速響應(yīng)，常采用力反饋來提高閥芯反向運(yùn)動的速度,。圖所采用的是彈簧反饋的形式,。當(dāng)信號反向時(shí)，彈簧力幫助閥芯反向運(yùn)動,，當(dāng)閥芯運(yùn)動過了中位,，彈簧力改變，起阻止閥芯運(yùn)動的作用,，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（又稱位置伺服控制系統(tǒng)）。該系統(tǒng)可以根據(jù)輸給的電信號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Ue與氣缸位移反饋信號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)氣缸位移對輸入信號的跟蹤,。

調(diào)節(jié)過程如下：若給定的輸入信號Uf大于反饋信號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升高并推動活塞右移,。氣缸活塞的右移又使反饋電壓信號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)給定的輸入信號小于反饋信號Uf時(shí),， U＜0，同樣通過類似于上述的調(diào)節(jié)過程使偏差趨于零,。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Uf對氣缸活塞位移X的比例控制。上述的調(diào)節(jié)過程是在一段很短的時(shí)間內(nèi)完成的,，故只要輸入信號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。