對(duì)于液壓伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(xiàn)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。

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首先關(guān)注缸徑，是為了保證充分的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以滿(mǎn)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慮通徑大小，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(xiàn)圈和磁鐵，與典型的音頻揚(yáng)聲器所用的音圈(發(fā)音線(xiàn)圈)類(lèi)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(lái)推動(dòng)閥芯、內(nèi)置的LVDT和電磁線(xiàn)圈，還要來(lái)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(lèi)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(guò)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(lái)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(xiàn)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(lái)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(wèn)題。這時(shí)使用示波器等診斷工具來(lái)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(lái)解決與液動(dòng)力有關(guān)的問(wèn)題，用小型先導(dǎo)閥的液流來(lái)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(guò)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(xiàn)圈提供的力要大。這種情況下，先導(dǎo)閥通過(guò)導(dǎo)入油壓來(lái)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(guò)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(mǎi)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(mǎi)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(xiàn)性滑閥有許多種，也有許多名稱(chēng)。最常見(jiàn)的是封閉中心閥芯，又稱(chēng)正重疊或負(fù)開(kāi)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(guò)閥口，如下圖所示。

控制%

負(fù)開(kāi)口閥的工作特性曲線(xiàn)

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(guò)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(guò)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(guò)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(lèi)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(kāi)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(mén)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?。這些閥在控制信號(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(xiàn)閥

閥的工作特性曲線(xiàn)

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(xiàn)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(xiàn)性閥使整個(gè)液壓系統(tǒng)具有非線(xiàn)性，盡管這在手動(dòng)控制及開(kāi)環(huán)控制中不是問(wèn)題，但應(yīng)用非線(xiàn)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(xiàn)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(guò)運(yùn)動(dòng)控制器使用補(bǔ)償表或特定的補(bǔ)償方程來(lái)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(kāi)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(guò)，對(duì)于大多數(shù)位置和壓力控制的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最好是避免節(jié)流槽閥或非線(xiàn)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(lái)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(xiàn)。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(xiàn)可以看出，在10Hz下沒(méi)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(guò)前饋增益來(lái)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(guò)增大控制信號(hào)來(lái)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(xiàn)和相頻特性曲線(xiàn) ? 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(xiàn)并不是在相同條件下繪制的。不同的制造廠(chǎng)商可能按不同的閥芯行程幅度來(lái)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(xiàn)。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(shuō)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(xiàn)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(lái)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(xiàn)性位移傳感器直接相連等功能。 ? 在開(kāi)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(lái)困難。對(duì)于位置和壓力控制，應(yīng)選用零開(kāi)口閥(零重疊的線(xiàn)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(guò)閥口的流量應(yīng)與控制信號(hào)的強(qiáng)度保持線(xiàn)性關(guān)系。?

編輯：黃飛

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