液壓伺服系統(tǒng)如何選用控制閥？

對(duì)于液壓伺服系統(tǒng)來說，保持機(jī)構(gòu)的高速度和高精度是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本條件。為了實(shí)現(xiàn)這一要求，該如何選用控制閥？ ?

01閥的尺寸

使用線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，從應(yīng)用所需的行程長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)時(shí)間角度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)先從確定缸徑大小入手。

首先關(guān)注缸徑，是為了保證充分的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以滿足加速和減速的需要。確定缸徑，通常還需要計(jì)算所需的系統(tǒng)壓力。第二步一般是選擇閥的大小尺寸（額定流量），一旦計(jì)算出正確的缸徑，這步便相對(duì)簡(jiǎn)單。 ? 需要注意的是，伺服閥和伺服比例閥的壓降通常是70bar (1015 psi)，而其它比例閥通常壓降是10 bar (145psi)。兩者之間差別很明顯——70 bar壓降時(shí)的流量是10 bar時(shí)的2.65倍。但是液壓閥在每個(gè)尺寸范圍內(nèi)通常有許多功能選項(xiàng)，所以選擇正確的閥不僅要考率通徑大小，還得參考其它相關(guān)參數(shù)。 ?

02閥的選型

選用伺服閥還是比例閥？?jī)烧叩闹饕獏^(qū)別是驅(qū)動(dòng)閥芯移動(dòng)的方式。比例閥使用電動(dòng)線圈和磁鐵，與典型的音頻揚(yáng)聲器所用的音圈(發(fā)音線圈)類似，屬于直接驅(qū)動(dòng)閥芯。 ?

典型液壓伺服閥內(nèi)部結(jié)構(gòu) ?

而伺服閥則是使用小型力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)液壓油路，依靠液壓力帶動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)(先導(dǎo)控制)。 ? 伺服閥和比例閥響應(yīng)速度上的差異主要是由于作用在閥芯的驅(qū)動(dòng)力不同所引起的。由于伺服閥的液壓力與閥芯質(zhì)量的比例關(guān)系，伺服閥的響應(yīng)速度一般要快于比例閥(盡管有些比例閥已接近伺服閥的響應(yīng)時(shí)間了)。比例閥必須輸出足夠的力來推動(dòng)閥芯、內(nèi)置的LVDT和電磁線圈，還要來克服彈簧的置中力。 ?

典型比例閥內(nèi)部結(jié)構(gòu) ? 先導(dǎo)伺服閥加工精度高，結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)有小孔徑的先導(dǎo)控制油口，使得這類伺服閥的價(jià)格更高，同時(shí)更容易被污染。在許多實(shí)際應(yīng)用中，這些缺點(diǎn)使人們更傾向于使用比例閥。不過伺服閥仍有自身的市場(chǎng)。例如在大流量工況下，由于系統(tǒng)壓力可以用來驅(qū)動(dòng)閥芯并克服液動(dòng)力，伺服閥性能更好。在這些工況下，因?yàn)樗欧y響應(yīng)更快，響應(yīng)的線性特性更好(因此便于操縱)，伺服閥是更安全的設(shè)計(jì)選擇，而且其運(yùn)作也更高效。?在某些工況下，比例閥無(wú)法提供足夠的力來克服大流量下產(chǎn)生的液動(dòng)力(伯努利力)。

此時(shí)，閥會(huì)瞬時(shí)失控，直至液動(dòng)力下降為止。在出現(xiàn)故障時(shí)，在排除故障時(shí)，人們常常傾向于懷疑控制裝置而不是閥本身有問題。這時(shí)使用示波器等診斷工具來記錄控制信號(hào)波形、閥芯位移、以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移等參數(shù)，就會(huì)很有價(jià)值。?我們可以使用多級(jí)閥來解決與液動(dòng)力有關(guān)的問題，用小型先導(dǎo)閥的液流來控制主閥閥芯的位移。但由于存在相位延時(shí)，多級(jí)控制閥價(jià)格較高，控制環(huán)節(jié)更多，響應(yīng)時(shí)間也往往更長(zhǎng)。不過為了使主閥芯快速運(yùn)動(dòng)，大型閥需要的力要比單靠電磁線圈提供的力要大。這種情況下，先導(dǎo)閥通過導(dǎo)入油壓來直接而快速地推動(dòng)主閥芯，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的性能。 ?

03比例閥放大器

比例閥需要放大器將控制器的控制輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成大電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)閥芯。在伺服比例閥中，放大器使用閥中的LVDT位置反饋裝置校正控制信號(hào)與實(shí)際位置之間的誤差。為此，控制信號(hào)與反饋信號(hào)之間的偏差信號(hào)需要經(jīng)過一個(gè)電子伺服放大器。有些伺服放大器使用簡(jiǎn)單的比例控制，而另一些則使用PI或PID控制方式。如果放大器調(diào)試不精確，液壓閥的性能會(huì)因此受損。在采購(gòu)時(shí)最好能購(gòu)買自帶電子配套的比例閥，以確保放大器調(diào)試的最佳狀態(tài)。當(dāng)然也可以單獨(dú)購(gòu)買放大器卡，但是這需要額外的努力和如何調(diào)試放大器增益的知識(shí)，使閥芯可以對(duì)控制信號(hào)作出快速響應(yīng)。

04封閉中心閥芯

非線性滑閥有許多種，也有許多名稱。最常見的是封閉中心閥芯，又稱正重疊或負(fù)開口閥芯，它有明顯的“死區(qū)” 或零收益區(qū)。原因是在控制電流較小的情況下，不會(huì)有液壓油通過閥口，如下圖所示。 ?

控制% ? 負(fù)開口閥的工作特性曲線 ? 封閉中心閥芯泄漏小，手動(dòng)控制時(shí)便于關(guān)閉。但用于壓力及位置控制時(shí)則成為糟糕的選擇，因?yàn)殚y芯必須非常迅速地通過中心位置才能提供良好的壓力或位置控制。死區(qū)面積越大，閥芯通過死區(qū)的移動(dòng)時(shí)間就越長(zhǎng)。在這幾毫秒之內(nèi)，閥基本無(wú)流量，導(dǎo)致輸入到控制器中的位置和壓力信號(hào)無(wú)變化。這種反饋信號(hào)的不連續(xù)性降低控制器對(duì)位置或壓力控制的精確性。因此封閉中心閥芯僅應(yīng)用在不要求閥芯快速通過死區(qū)的工況下，或者不需要閥芯作頻繁快速的換向運(yùn)動(dòng)的情況之下。封閉中心閥芯常應(yīng)用于速度控制系統(tǒng)中，如傳送帶、輸送機(jī)氣等。 ?

05閥芯的選擇

比例閥因其閥芯位移與控制電流強(qiáng)度呈正比而得名，但是流量卻不一定成比例。比例閥有許多不同的閥芯類型，選擇合適的閥芯，是保證系統(tǒng)性能最優(yōu)化的關(guān)鍵。從位置控制和壓力/力控制角度出發(fā)，應(yīng)選用比例伺服閥芯或軸向開口閥芯。這些閥芯可以輸出與控制信號(hào)成比例的流量，前提是閥門兩端之間的壓差要保持恒定。 ?

06雙重增益或變?cè)鲆骈y芯

此滑閥具有隨控制信號(hào)強(qiáng)度變化而改變?cè)鲆娴墓δ堋＿@些閥在控制信號(hào)接近零時(shí)流量增益很低，而在控制信號(hào)接近正、負(fù)最大值時(shí)流量增益較高，如下圖所示。??

40%節(jié)流槽閥? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ???

曲線閥 ? 閥的工作特性曲線 ? 節(jié)流槽閥或雙增益閥有明顯的低增益區(qū)和高增益區(qū)，而曲線閥的流量增益是連續(xù)變化的。在手動(dòng)系統(tǒng)中，這種結(jié)構(gòu)的閥芯在緩慢運(yùn)動(dòng)下控制精細(xì)，而高速運(yùn)動(dòng)時(shí)又能提供很大的流量。非線性閥使整個(gè)液壓系統(tǒng)具有非線性，盡管這在手動(dòng)控制及開環(huán)控制中不是問題，但應(yīng)用非線性閥實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制十分困難。當(dāng)閥芯在高增益區(qū)與低增益區(qū)之間切換時(shí)，閉環(huán)控制器必須實(shí)時(shí)調(diào)整它的增益。在理論上該閥的線性化(作為所述控制信號(hào)的函數(shù)的不同的增益補(bǔ)償)，可通過運(yùn)動(dòng)控制器使用補(bǔ)償表或特定的補(bǔ)償方程來實(shí)現(xiàn)。但這種補(bǔ)償方法要與特定的閥的特性相匹配，限制了這種方法的實(shí)用性。節(jié)流槽液壓閥在低速閉環(huán)控制的液壓系統(tǒng)中表現(xiàn)良好。在高速工況下這種閥在高增益區(qū)運(yùn)作，可應(yīng)用于開環(huán)控制或手動(dòng)控制。這樣當(dāng)閥芯在高、低增益區(qū)之間滑動(dòng)時(shí)，閉環(huán)控制器不必實(shí)時(shí)改變它的增益。不過，對(duì)于大多數(shù)位置和壓力控制的應(yīng)用來說，最好是避免節(jié)流槽閥或非線性閥。 ?

07伯德圖

學(xué)會(huì)看伯德圖有助于選擇合適的液壓閥。伯德圖用對(duì)數(shù)標(biāo)度，來顯示作為控制信號(hào)頻率的函數(shù)的閥芯的幅頻響應(yīng)和相位滯后特性曲線。通常情況下，幅頻響應(yīng)在最初幾個(gè)赫茲(Hz)時(shí)相對(duì)平坦，一旦控制信號(hào)頻率上升到一定值時(shí)，幅頻響應(yīng)會(huì)驟然減小。同樣，相頻響應(yīng)滯后在低頻率時(shí)變化不大，但在高頻率下會(huì)迅速增加。我們將相位滯后90°時(shí)的頻率定義為閥的額定頻率。在該頻率下，幅頻響應(yīng)往往下降到大約-6db或者初始幅度一半的位置。從正弦測(cè)試的伯德圖曲線可以看出，在10Hz下沒有明顯增益下降及相位滯后上升的設(shè)備，在40Hz時(shí)閥的幅頻響應(yīng)可能只有之前的一半，從而無(wú)法可靠工作。運(yùn)動(dòng)控制器可以通過前饋增益來補(bǔ)償閥的增益損失和相角滯后。在較高頻率下，控制器必須通過增大控制信號(hào)來補(bǔ)償閥增益的衰減，但是運(yùn)動(dòng)控制器無(wú)法生成比100%更強(qiáng)的信號(hào)。因此，設(shè)計(jì)者必須為系統(tǒng)中這部分多出的控制信號(hào)留有足夠的上升空間，或者選用較高頻率的閥，使得閥在系統(tǒng)的頻段范圍內(nèi)僅有很小的增益衰減和相位滯后。 ?

典型伯德圖，圖為閥芯關(guān)于控制電流頻率的幅頻特性曲線和相頻特性曲線 ?

08閥的響應(yīng)及閥性能評(píng)定

液壓閥制造商提供的閥性能伯德圖的曲線并不是在相同條件下繪制的。不同的制造廠商可能按不同的閥芯行程幅度來標(biāo)定他們的閥?？刂菩盘?hào)在最大值的100%時(shí)的閥芯響應(yīng)，要遠(yuǎn)比控制信號(hào)在5%時(shí)的響應(yīng)差得多。這意味著響應(yīng)同時(shí)標(biāo)定為30Hz的兩個(gè)閥，如果一個(gè)在5%控制信號(hào)下評(píng)定，另一個(gè)在50%控制信號(hào)下評(píng)定，其性能上可能相差很多。許多伯德圖都是在控制信號(hào)為最大信號(hào)的5%至25%的正弦信號(hào)下繪制的性能曲線。在5%最大信號(hào)下性能優(yōu)異的閥適用于控制信號(hào)在0%處波動(dòng)的場(chǎng)合，比如說位置或壓力控制。但這種閥不適用于高速控制的場(chǎng)合，因?yàn)殚y芯的必要行程幾乎達(dá)到了100%。 ?

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一個(gè)保險(xiǎn)的規(guī)則是，將控制流量從0到100%時(shí)取得的上升時(shí)間乘以4并求倒數(shù)，就可以得到閥的全行程響應(yīng)頻率。高性能的位置/壓力控制系統(tǒng)需要響應(yīng)迅速的線性閥。當(dāng)然，閥的性能不可能十全十美，所以仍然需要高性能的控制器來提供對(duì)閥的響應(yīng)時(shí)間、閥芯自身質(zhì)量、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載、以及彈簧效應(yīng)的補(bǔ)償。為了充分實(shí)現(xiàn)一個(gè)精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的最佳性能，應(yīng)選用針對(duì)液壓而設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器，配備有能分別調(diào)節(jié)液壓缸伸出和縮回時(shí)的增益、位置/壓力控制、以及與線性位移傳感器直接相連等功能。 ? 在開始對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器選型和編程之前，首先應(yīng)該仔細(xì)考慮和分析液壓元件的選型以及其尺寸參數(shù)。選擇正確的閥并不總是如想像或希望的那么容易。閥的性能評(píng)定缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，給我們比較閥的性能帶來困難。對(duì)于位置和壓力控制，應(yīng)選用零開口閥(零重疊的線性閥芯)。對(duì)于那些不要求閥芯在零位精確動(dòng)作的場(chǎng)合，滑閥上的部分死區(qū)是允許的;但是,在它的其余運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)，通過閥口的流量應(yīng)與控制信號(hào)的強(qiáng)度保持線性關(guān)系。?

審核編輯：黃飛