气比例阀、伺服阀的工作原理

1、.典型的电-气比例阀、伺服阀工作原理电-空气比例阀和伺服阀可以根据其功能分为压力和流量两种。压力比例/伺服阀将传递的电信号线性转换为气体压力。流量比例/伺服阀将传递的电信号转换为气体流量。由于气体可压缩性，诸如汽缸或气体马达等执行元素的运动速度不仅取决于气体流量，还取决于执行元件的负载大小。因此，准确控制气体流动往往是多馀的。简单的压力或流量比/伺服阀应用不多，往往压力和流量相结合，应用更广。电气-空气比例阀和伺服阀主要由机电转换器和气动放大器组成。但是近年来，随着廉价电子集成电路和各种检测装置的出现，1电-气比/伺服阀采用了越来越多的电反馈方法，比例/伺服阀的性能也有了很大提高。电-气比例/

2、伺服阀可以使用位移或压力检测装置添加到阀内或集成控制放大器的反馈控制方法。一、滑阀电-气方向比例阀流动交叉或五向比例控制阀可以控制气动工作元件(也称为方向比例阀)的运动速度。图示是这些阀的线路图。Dc比例电磁铁1、线轴2、阀组3、阀体4、位移传感器5和控制放大器6等赞成。位移传感器利用电感原理，将比例电磁铁的电枢位移线性转换为电压信号输出。控制放大器的主要作用如下：1)放大位移传感器的输出信号。2)比较命令信号Ue和位移反馈信号Uf，获得两者之间的差值u。3)放大u，转换为电流信号I输出。控制放大器还包括用于提高比例阀性能的反馈信号Uf和电压差u的处理链接。状态反馈控制和PID调整等。具有位置

3、反馈的滑阀方向比例阀在初始状态下控制放大器的命令信号UF=0，阀芯为0，此时气源端口p和a，b的两端输出端口同时断开，两个a，b，排气口也断开，也不发生流量输出。同步位移传感器的反馈电压Uf=0。如果阀杆偏离特定干扰指定的0，位移传感器输出特定电压Uf，控制放大器放大U=-Uf输出到电流比电磁铁，由于电磁铁产生的推力，阀杆被强制返回0。运行Ue0命令会增加电压差u，从而增加控制放大器的输出电流，增加比例电磁铁的输出推力，从而使阀芯向右移动。线轴的右移动导致反馈电压Uf的增加，直到Uf与命令电压Ue基本相同，线轴平衡了力。这时。Ue=Uf=KfX(Kf是位移传感器增益)常识显示线轴位移x与输入信

4、号Ue成正比。对于指示电压信号Ue0，通过自下而上的类似反馈调整过程将阀芯向左移动一定距离。线轴向右移动，气体源端口p连接到a端口、b端口和出口。线轴向左移动时，p与b连接，a与排气口连接。节流口开口的量随线轴位移的增加而增加。上述工作原理表明，具有位移反馈的方向比例阀节流开口量和气流方向由输入电压Ue线性控制。这种阀门的优点是线性好，歇斯底里少，动态性能高。二、滑阀第二方向备用阀下图显示了动态圆二级方向伺服阀。主要由运动源执行电动机、喷嘴挡板气动放大器、滑阀气动放大器、反馈弹簧等组成。喷嘴挡板气动放大器用前置放大器，滑阀气动放大器用功率级。此二次方向伺服阀在初始状态下运行，左右两次旋转执行电

5、动机没有电流，不能输出。喷嘴气流下，两个挡板完全打开可变节流孔，承载3，7内部压力与大气压力几乎相等。滑阀线轴将安装在两侧的反馈弹簧5、6推到中心，两个输出端口a、b和气体源端口p和出口o分开。如果动力马达有电流输入(如右侧执行马达)，则与输出I成比例的推力Fm将柱塞推至喷嘴，以减少可变节流流动区域，提升腔6内气压P6，上升的P6通过喷嘴在挡板上产生反冲Ff。Ff和Fm平衡时，P6等于稳定值乘以喷嘴区域Ay，然后等于电磁力。另一方面，P6上升导致阀芯两侧的压力差。此压差使阀芯克服反馈弹簧力向左，增加左反馈弹簧的压缩，产生附加弹簧力Fs。方向向右，大小与线轴位移x成正比。当阀杆移动到特定位置时，

6、弹簧附加作用力和7，3容量腔的差压与阀杆的作用力平衡，阀杆不移动。线轴和挡板的力平衡方程都存在。Fs=KsX=(P6-P5)AxFf=P6Ay=KiIKS -反馈弹簧刚度Ax -线轴破损区域Kf -动态环执行电动机的电流增益。在上述调整过程中，左侧的喷嘴挡板总是完全打开的，并且可以将其视为P5=0，替换并清理这两者X=(AxKi/AyKs)*I线轴位移与输入电流成正比。如果另一侧动态环马达有输入，则系统将通过与上述类似的调整过程在相反方向移动一定距离。线轴向左移动时，气体源端口p与输出端口a连接，b端口通过大气。线轴向右移动，p和b通过，a嘴通过大气。线轴位移越大，阀盖开口也越大。因此，可以控

7、制气流的流向和流向。这种阀门采用动态环形电机，其缺点是动态性能好，结构比较复杂。三、动态环压力伺服阀图是压力伺服阀，具有将电信号按比例转换为气体压力输出的功能。主要组件包括动态环执行电动机1、喷嘴2、挡板3、固定节流端口4、线轴5、阀体6、复位弹簧7、租用尼孔8等。在初始状态下，执行电动机没有电流进入，喷嘴和挡板都处于打开位置，控制腔的压力和大气压力几乎相同。滑阀线轴在弹簧推力重置期间位于右侧位置。输出端口a与排气口相通，并与煤气源端口p分离。如果执行马达有电流I输入，执行马达会产生推力Fm(=KiI)，用喷嘴推动挡板，以控制模穴内气压P9的上升。P9的上升导致挡板发生反冲，直到与电磁力Fm平

8、衡为止，P9变得稳定Fm=Iki=P9Ay Yksy中间Ay -喷嘴喷嘴喷嘴面积；Y -挡板位移；Ksy -重置执行电动机弹簧刚度。另一方面，由于P9上升，阀核心向左，a和p端口打开，a端口的输出压力P10增加，P10通过阻尼孔8引导到阀核心的左腔，则该腔的压力P11也增加。P11用于防止阀芯的左侧移动，直到阀芯的力达到平衡(p9-p11) ax=(x0) ksxA型x线轴破损区域；x线轴位移；X0 -滑阀复位弹簧预载时收缩；Ksx -滑阀重置弹簧刚度。可以通过以上两种方法获得p11=p9ax-(x0)ksx/ax=(iki-yksy)/ay-(x0)ksx/ax运行时，阀芯的有效行程x比弹簧

9、预载时的收缩X0小得多，可以忽略，而挡板位移y在调整过程中可以近似为非常小的恒定常数，但常识简化如下P11=KI C其中K=Ki/Ay是电流-压力增益，称为电-气伺服阀，C=-(X0Ksx/Ax Yksy/Ay)是常量。自下而上，P11与输入电流具有线性关系。如果阀芯处于平衡状态，则P10=P11，因此伺服阀的输出压力与输入电流呈线性关系。四、脉宽调制伺服阀与模拟伺服阀不同，脉宽调制气动伺服控制是开关气动电磁阀数字伺服控制。脉宽调制气动伺服系统如图所示。输入的模拟信号经脉宽调制器调制为具有一定频率和一定振幅的脉冲信号，数字放大后控制气动电磁阀。电磁阀输出具有一定压力和流量的气动脉冲信号，但有足

10、够的功率通过气动执行元件处理负载。脉冲信号需要通过低通滤波器恢复为模拟信号来控制负载。低通滤波器可以是气动执行元件，也可以是负载本身。采用电子滤波方法的脉宽调制线性化系统对依赖负载的更大惯性进行滤波，对高频的脉冲信号没有反应，只对脉宽调制信号的平均效应作出反应。负载响应的平均效果与脉宽调制信号的调制成正比，对于单周期脉冲波，正负脉冲的时间分别为T1和T2，持续时间为t，脉冲振幅为Ym，一个周期的平均输出Ya为Ya=Ym(T1-T2)/T=YmKm样式Km=(T1-T2)/T公称调制，也称为调制系数。一个周期的脉冲扩散调制和平均输出之间的关系如下图所示。调制Km与控制系统所需的输入模拟信号u成正

11、比，因此平均输出和输入模拟信号之间存在线性关系。在脉宽调制气动伺服系统中，脉宽调制伺服阀完成信号的转换和放大，典型结构包括十字滑阀和三通球阀类型。下图显示了滑阀脉宽调制伺服阀的结构图。滑阀两端各有电磁铁，脉冲信号电流耦合到两个电磁铁，控制阀核心沿着脉冲信号的频率往复。脉宽调制伺服阀的性能主要是动态响应和对称要求。假定在电磁铁上添加的是方波脉冲信号，从从电磁铁接收信号到驱动信号的时间被称为信号的延迟时间。延迟时间由三部分组成。一是电子线路的电流从0增加到电枢的移动逐渐增加的电流增加时间。第二，电枢与线轴一起运动的时间；第三是从节流器打开、运行元件工作腔排出的时间开始执行元件启动操作的固定容器充电

12、时间。前两个小时由脉宽调制伺服阀确定。脉宽调制气动伺服工作频率一般为10 20 30赫兹。为了满足快速动态响应的特性，要求延迟时间越短越好，通常控制在1-2毫秒以内。对称要求对于十字滑阀，阀芯的往复运动响应必须一致。也就是说，添加到两个电磁铁的脉冲信号在传输过程中的延迟时间基本上必须相同，两个输出端口的压力必须与流几乎相同。对于三向球阀，相应脉冲信号上升的延迟时间基本相同，球阀的膨胀过程和排气过程基本相同。三通球阀与差动缸一致，所以对称不如十字滑阀。为了提高十字滑阀的快速响应，经常使用力反馈来提高阀芯的反向运动速度。图形使用弹簧反馈形式。信号反转后，弹簧力有助于系统反向运动，当系统通过中心时弹

13、簧力发生变化，起到阻止系统运动的作用，减少系统对位置的冲击，减少噪音。也有利用气压反馈的形式，其作用原理是相同的。脉宽调制控制比模拟控制有很多优点。控制阀在高频开关状态下工作，可以消除死区、干摩擦等非线性因素。控制阀的加工精度不高，降低了控制系统成本。控制阀经常完全开放，污染防治能力强，操作可靠。缺点是输出、机械振动和噪音小。电-气比例伺服系统的应用实例一、柔性位置伺服缸图标是柔性定位圆柱(也称为位置伺服控制系统)。该系统可以根据传递的电信号将气缸活塞定位在任何位置。位置伺服控制系统由电-气方向比例阀组成，包括气缸1、2、位移传感器3、控制放大器4等。该系统的基本原理是通过输入电压信号Ue和气缸位移反馈信号Uf(Uf和气缸位移是线性关系)的差值u减少并使0的控制放大器、电-空气比例阀、气缸调整功能来跟踪输入信号。调整过程如下：给定输入信号Uf大于反馈信号Uf时，u 0，控制放大器输出电流I增加，使-电-气比例阀的阀芯向左移动，气体源和a端口之间的节流区域增加，气缸a腔的压力Pa上升，活塞的右侧移动推