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美國(guó)威格士VICKERS比例閥、伺服閥的工作原理
閱讀：420 發(fā)布時(shí)間：2015-11-26美國(guó)威格士VICKERS比例閥、伺服閥的工作原理
美國(guó)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(hào)線(xiàn)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(hào)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(dòng)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(guó)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(dòng)放大器組成。但隨著近年來(lái)廉價(jià)的電子集成電路和各種檢測(cè)器件的大量出現(xiàn)，在1電---氣比例/伺服閥中越來(lái)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(cè)器件，有的還集成有控制放大器。
一、 滑閥式美國(guó)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(dòng)執(zhí)行元件在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)速度，這類(lèi)閥也稱(chēng)方向比例閥。圖示即為這類(lèi)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(xiàn)性地轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)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(hào)進(jìn)行放大；
2） 比較指令信號(hào)Ue和位移反饋信號(hào)Uf，得到兩者的差植 U；
3） 將 U放大，轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)I輸出。此外，為了改善比例閥的性能，控制放大器還含有對(duì)反饋信號(hào)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(hào)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(wú)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(dòng)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)。
美國(guó)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(hào)Ue成正比。若指令電壓信號(hào)Ue<0，通過(guò)上式類(lèi)似的反饋調(diào)節(jié)過(guò)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(kāi)口量隨閥芯位移的增大而增大。上述的工作原理說(shuō)明帶位移反饋的方向比例閥節(jié)流口開(kāi)口量與氣流方向均受輸入電壓Ue的線(xiàn)性控制。
這類(lèi)閥的優(yōu)點(diǎn)是線(xiàn)性度好，滯回小，動(dòng)態(tài)性能高。
二、 滑閥式二級(jí)方向伺閥
下圖所示為一種動(dòng)圈式二級(jí)方向伺服閥。它主要由動(dòng)圈式力馬達(dá)、噴嘴擋板式氣動(dòng)放大器、滑閥式氣動(dòng)放大器、反饋彈簧等組成。噴嘴檔板氣動(dòng)放大器做前置級(jí)，滑閥式氣動(dòng)放大器做功率級(jí)。
這種二級(jí)方向伺服閥的工作原理是：在初始狀態(tài)，左右兩動(dòng)圈式力馬達(dá)均無(wú)電流輸入，也無(wú)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(kāi)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(kāi)。
當(dāng)某個(gè)動(dòng)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(guò)噴嘴對(duì)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(dòng)到一定位置時(shí)，彈簧附加作用力與7、3容腔的壓差對(duì)閥芯的作用力達(dá)到平衡，閥芯不在移動(dòng)。此時(shí)同時(shí)存在閥芯和擋板的受力平衡方程式：
美國(guó)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(hào)的調(diào)制量成正比的，其控制機(jī)理是：對(duì)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T(mén)1和T2，周期為T(mén)，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(chēng)調(diào)制量（也稱(chēng)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(hào)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(hào)之間存在線(xiàn)性關(guān)系。
在脈寬調(diào)制氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中，脈寬調(diào)制伺服閥完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大作用，其常見(jiàn)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(hào)電流加在兩個(gè)電磁鐵上，控制閥芯按脈沖信號(hào)的頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
脈寬調(diào)制伺服閥的性能主要是動(dòng)態(tài)響應(yīng)和對(duì)稱(chēng)性要求。假設(shè)加在電磁鐵上的是方波脈沖信號(hào)，從電磁鐵接到信號(hào)到執(zhí)行元件開(kāi)始動(dòng)作這段時(shí)間稱(chēng)信號(hào)的延遲時(shí)間。延遲時(shí)間包括三部分，一是電磁線(xiàn)圈中電流由零逐漸增大到銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的電流增長(zhǎng)時(shí)間；二是銜鐵與閥芯一起運(yùn)動(dòng)的時(shí)間；三是從節(jié)流口打開(kāi)、執(zhí)行元件工作腔進(jìn)行放氣到執(zhí)行元件開(kāi)始動(dòng)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(dòng)伺服的工作頻率一般是十幾赫茲到二三十赫茲。為了滿(mǎn)足動(dòng)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?xún)?nèi)。
所謂對(duì)稱(chēng)性要求，對(duì)四通滑閥，閥芯往復(fù)運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)要一致，即加在兩個(gè)電磁鐵上的脈沖信號(hào)在傳遞過(guò)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(duì)三通球閥，對(duì)應(yīng)脈沖信號(hào)上升沿下降沿的延遲時(shí)間應(yīng)基本相同，球閥的充氣過(guò)程和排氣過(guò)程應(yīng)基本相同。由于三通球閥與差動(dòng)氣缸匹配，其對(duì)稱(chēng)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(lái)提高閥芯反向運(yùn)動(dòng)的速度。圖所采用的是彈簧反饋的形式。當(dāng)信號(hào)反向時(shí)，彈簧力幫助閥芯反向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)了中位，彈簧力改變，起阻止閥芯運(yùn)動(dòng)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(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作，能消除死區(qū)、干摩擦等非線(xiàn)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(kāi)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(dòng)和噪聲較。
美國(guó)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(chēng)位置伺服控制系統(tǒng)）。該系統(tǒng)可以根據(jù)輸給的電信號(hào)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(guò)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(hào)Ue與氣缸位移反饋信號(hào)Uf（Uf與氣缸位移之間是線(xiàn)性關(guān)系）之差 U減小并趨于零，以實(shí)現(xiàn)氣缸位移對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤。
調(diào)節(jié)過(guò)程如下：若給定的輸入信號(hào)Uf大于反饋信號(hào)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(dòng)活塞右移。氣缸活塞的右移又使反饋電壓信號(hào)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(hào)小于反饋信號(hào)Uf時(shí)， U＜0，同樣通過(guò)類(lèi)似于上述的調(diào)節(jié)過(guò)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(hào)Uf對(duì)氣缸活塞位移X的比例控制。上述的調(diào)節(jié)過(guò)程是在一段很短的時(shí)間內(nèi)完成的，故只要輸入信號(hào)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。