比例閥和伺服閥的技術
所屬類別：2018-08-25 閱讀：4186次
在過去25年，流體系統為實現壓力和流量的自動化連續控制取得了很大的進步。電液伺服閥在19世紀30年代末期作為一種科技的運動控制解決方案被發明出來，但是成本很高。上世紀80年代中期，作為電液伺服閥的一種替代解決方案，引入了技術可行和價格合理的比例閥。本文將探索用在比例閥和伺服閥的技術，并且試圖闡述在某一個具體的應用中，該用什么樣的閥。
如果連續的壓力或者流量控制對于機械設備的操作來說并沒有嚴格的要求，預設壓力或者流量的功能就可以通過一組閥來實現。這組閥通過油路連接，由電磁閥來控制。舉個例子，如果需要三個具體的壓力值，就可以采用兩個先導溢流閥并聯至一個先導式溢流閥的排放口（vent port）。后兩個先導式溢流閥與前先導式溢流閥之間采用常閉的兩通電磁換向閥來隔離。通過分別控制兩個電磁換向閥，就可以實現三個壓力的控制。但是，如果要實現無級的壓力控制怎么辦？或者如果需要壓力的增加或者降低是必須跟隨某一具體流量，或者如果調節變化率不是固定的，那么設計者又如何做才行？
直到伺服閥發明之前，如果需要改變執行器的壓力以改變力或者力矩，那么就需要機器操作者旋轉調節把手，或者調整連桿，或者其它機械的輸入方法來改變閥的設定值。如果是需要改變流量，也可能會采用類似的辦法。閥的人工控制是相當不穩定的。閥采用機械控制也許會更穩定，重復性更高一些，但是當有不同調節速度要求的時候，靈活性又不夠了。
在20世紀80年代，在微處理器出現之前，大多數的電氣設備控制系統并沒有得到很好的發展。由于大多數擁有電氣自動化的機器設備采用繼電器邏輯控制，因此設備的順序操作策略是不能輕易改變的。繼電器是數字的或者開關式的設備。微處理器以及之后PLC的發明，使得機械設備的設計者在控制多樣性方面如同打開了一扇大門。設備的操作順序不再是繼電器硬線連接。而布爾運算盡管在繼電器控制邏輯上是可行的，但是它并不方便，甚至相當困難，昂貴和耗時。PLC和比例閥的引入極大的拓展了機械設備設計者的對于控制方面的多樣性要求。
市面上最初出現的比例閥就是我們常常所說的“開環”控制閥。與機械反饋（MFB）伺服閥相比，在線圈組件和閥芯之間，并沒有任何反饋連接。由于指令輸入和閥輸出之間并不存在反饋環，因此反饋環是“開式”而不是“閉式”的。相對于伺服閥而言，為了提高比例閥的性能，制造商在閥芯上安裝線性位移傳感器（LVDT）以便感知閥芯位置的變化。LVDT的輸出信號反饋到放大器。放大器計算閥芯理論位置與實際位置的偏差，接著改變線圈的輸出使得閥芯位置達到輸入對應的期望值。這些改善了性能的比例閥并定義為“閉環”控制比例閥。由于反饋的方式是電氣而非機械的，因此其被定義為“電氣反饋”（EFB）。
比例閥如何工作的
某個電氣信號輸送至放大器，接著控制比例閥線圈。由于大多數電源信號比線圈上工作所需的電流信號低，因此輸入電信號必須被放大。這個功能就需要一個放大器。放大器可裝在閥體上，即OBE（onboard electronics）,或者遠程安裝，與閥分離。電氣輸入信號可來自不同的源，如由機器操作者控制的電位計，操作桿，或者來自PLC。
放大器用電流信號驅動線圈。當電流流經線圈的時候，產生電磁力，導致線圈中的銜鐵運動。銜鐵上的力驅動閥芯，因而得到流量控制，壓力調整，或者方向控制，或者座閥的溢流壓力調整等。滑閥閥芯或者錐閥由彈簧偏置。因此，線圈上的力與彈簧力相平衡。
許多比例方向控制閥，如圖1所示，擁有兩個電磁鐵線圈，分別在閥的兩端。比例方向控制閥提供方向和流量控制。這種特殊的閥包含LVDT。基本上，雙線圈的比例閥是基于標準的開關電磁換向閥發展而來的。在這種直動的開關閥和直動的比例閥之間的主要區別在于：
1) 比例方向閥的對中彈簧比普通開關方向閥的要硬一些。
2) 比例方向閥的電磁鐵比普通開關方向閥可以產生更大的力。
3) 比例方向閥總是使用DC直流電磁鐵。
4) 開關閥和比例閥閥體總是一樣的（大多數制造商都會這么做），但是閥芯卻有些不一樣的地方。
a) 比例閥閥芯設計用于流量控制
b) 對于同一規格比例閥，閥芯設計不同以便實現不同的流量范圍
c) 比例閥閥芯擁有節流口，當不同電氣輸入的時候可以提供不同的流量范圍
5) 方向控制的比例閥兩個工作油口可以提供1:1或者2:1的流量比例，用以控制液壓馬達和雙出桿油缸，或者有效面積比為2:1的油缸。
如果連續的壓力或者流量控制對于機械設備的操作來說并沒有嚴格的要求，預設壓力或者流量的功能就可以通過一組閥來實現。這組閥通過油路連接，由電磁閥來控制。舉個例子，如果需要三個具體的壓力值，就可以采用兩個先導溢流閥并聯至一個先導式溢流閥的排放口（vent port）。后兩個先導式溢流閥與前先導式溢流閥之間采用常閉的兩通電磁換向閥來隔離。通過分別控制兩個電磁換向閥，就可以實現三個壓力的控制。但是，如果要實現無級的壓力控制怎么辦？或者如果需要壓力的增加或者降低是必須跟隨某一具體流量，或者如果調節變化率不是固定的，那么設計者又如何做才行？
直到伺服閥發明之前，如果需要改變執行器的壓力以改變力或者力矩，那么就需要機器操作者旋轉調節把手，或者調整連桿，或者其它機械的輸入方法來改變閥的設定值。如果是需要改變流量，也可能會采用類似的辦法。閥的人工控制是相當不穩定的。閥采用機械控制也許會更穩定，重復性更高一些，但是當有不同調節速度要求的時候，靈活性又不夠了。
在20世紀80年代，在微處理器出現之前，大多數的電氣設備控制系統并沒有得到很好的發展。由于大多數擁有電氣自動化的機器設備采用繼電器邏輯控制，因此設備的順序操作策略是不能輕易改變的。繼電器是數字的或者開關式的設備。微處理器以及之后PLC的發明，使得機械設備的設計者在控制多樣性方面如同打開了一扇大門。設備的操作順序不再是繼電器硬線連接。而布爾運算盡管在繼電器控制邏輯上是可行的，但是它并不方便，甚至相當困難，昂貴和耗時。PLC和比例閥的引入極大的拓展了機械設備設計者的對于控制方面的多樣性要求。
市面上最初出現的比例閥就是我們常常所說的“開環”控制閥。與機械反饋（MFB）伺服閥相比，在線圈組件和閥芯之間，并沒有任何反饋連接。由于指令輸入和閥輸出之間并不存在反饋環，因此反饋環是“開式”而不是“閉式”的。相對于伺服閥而言，為了提高比例閥的性能，制造商在閥芯上安裝線性位移傳感器（LVDT）以便感知閥芯位置的變化。LVDT的輸出信號反饋到放大器。放大器計算閥芯理論位置與實際位置的偏差，接著改變線圈的輸出使得閥芯位置達到輸入對應的期望值。這些改善了性能的比例閥并定義為“閉環”控制比例閥。由于反饋的方式是電氣而非機械的，因此其被定義為“電氣反饋”（EFB）。
比例閥如何工作的
某個電氣信號輸送至放大器，接著控制比例閥線圈。由于大多數電源信號比線圈上工作所需的電流信號低，因此輸入電信號必須被放大。這個功能就需要一個放大器。放大器可裝在閥體上，即OBE（onboard electronics）,或者遠程安裝，與閥分離。電氣輸入信號可來自不同的源，如由機器操作者控制的電位計，操作桿，或者來自PLC。
放大器用電流信號驅動線圈。當電流流經線圈的時候，產生電磁力，導致線圈中的銜鐵運動。銜鐵上的力驅動閥芯，因而得到流量控制，壓力調整，或者方向控制，或者座閥的溢流壓力調整等。滑閥閥芯或者錐閥由彈簧偏置。因此，線圈上的力與彈簧力相平衡。
許多比例方向控制閥，如圖1所示，擁有兩個電磁鐵線圈，分別在閥的兩端。比例方向控制閥提供方向和流量控制。這種特殊的閥包含LVDT。基本上，雙線圈的比例閥是基于標準的開關電磁換向閥發展而來的。在這種直動的開關閥和直動的比例閥之間的主要區別在于：
1) 比例方向閥的對中彈簧比普通開關方向閥的要硬一些。
2) 比例方向閥的電磁鐵比普通開關方向閥可以產生更大的力。
3) 比例方向閥總是使用DC直流電磁鐵。
4) 開關閥和比例閥閥體總是一樣的（大多數制造商都會這么做），但是閥芯卻有些不一樣的地方。
a) 比例閥閥芯設計用于流量控制
b) 對于同一規格比例閥，閥芯設計不同以便實現不同的流量范圍
c) 比例閥閥芯擁有節流口，當不同電氣輸入的時候可以提供不同的流量范圍
5) 方向控制的比例閥兩個工作油口可以提供1:1或者2:1的流量比例，用以控制液壓馬達和雙出桿油缸，或者有效面積比為2:1的油缸。