化工儀器網(wǎng)技術(shù)文章
美國威格士VICKERS比例閥,、伺服閥的工作原理
閱讀：455 發(fā)布時間：2015-11-26美國威格士VICKERS比例閥,、伺服閥的工作原理
美國威格士VICKERS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,。
美國威格士VICKERS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。
一,、 滑閥式美國威格士VICKERS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,，此時氣源口P與A,、B兩端輸出口同時被切斷，A,、B兩口與排氣口也切斷,，無流量輸出,；同時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,，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,。
美國威格士VICKERS比例閥,、伺服閥的工作原理
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,，氣源口P與A口連通,，B口與排氣口連通,；閥芯左移時,，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。
二,、 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,。滑閥閥芯被裝在兩側(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,，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,，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,。此時同時存在閥芯和擋板的受力平衡方程式：
美國威格士VICKERS比例閥、伺服閥的工作原理
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：對于一個周期的脈沖波,，設(shè)正脈沖和負(fù)脈沖的時間分別為T1和T2，周期為T,，脈沖幅值為Ym ,則一個周期內(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,。滑閥兩端各有一個電磁鐵,，脈沖信號電流加在兩個電磁鐵上,，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間稱信號的延遲時間。延遲時間包括三部分,，一是電磁線圈中電流由零逐漸增大到銜鐵開始運(yùn)動的電流增長時間,；二是銜鐵與閥芯一起運(yùn)動的時間；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間,。前兩部分時間是由脈寬調(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,，即加在兩個電磁鐵上的脈沖信號在傳遞過程中延遲時間應(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,，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。
美國威格士VICKERS比例伺服系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例
一,、 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,， 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， 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,。