電氣比例閥、伺服閥的工作原理

電氣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。因此精確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。

電氣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。但隨著近年來廉價(jià)的電子集成電路和各種檢測器件的大量出現(xiàn)，在1電---氣比例/伺服閥中越來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器件，有的還集成有控制放大器。

一、滑閥式電氣方向比例閥

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，這類閥也稱方向比例閥。圖示即為這類閥的結(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)。

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，通過上式類似的反饋調(diào)節(jié)過程，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)流口開口量隨閥芯位移的增大而增大。上述的工作原理說明帶位移反饋的方向比例閥節(jié)流口開口量與氣流方向均受輸入電壓Ue的線性控制。

這類閥的優(yōu)點(diǎn)是線性度好，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)均無電流輸入，也無力輸出。在噴嘴氣流作用下，兩擋板使可變節(jié)流器處于全開狀態(tài)，容腔3、7內(nèi)壓力幾乎與大氣壓相同。滑閥閥芯被裝在兩側(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。

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：

Fs=KsX=(P6-P5)Ax

Ff=P6Ay=KiI

KS----反饋彈簧剛度

Ax----閥芯斷面積

Kf----動(dòng)圈式力馬達(dá)的電流增益。

在上述的調(diào)節(jié)過程中，左側(cè)的噴嘴擋板始終處于全開狀態(tài)，可以認(rèn)為P5=0，代入后整理上述兩式可得

X=(AxKi/AyKs)*I

閥芯位移與輸入電流成正比。當(dāng)另一側(cè)動(dòng)圈式馬達(dá)有輸入時(shí)，通過上述類似的調(diào)節(jié)過程，閥芯將向相反方向移動(dòng)一定距離。

當(dāng)閥芯左移時(shí)，氣源口P與輸出口A連通，B口通大氣；閥芯右移時(shí)，P與B通，A口通大氣。閥芯位移量越大，閥口開口量也越大。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣流的流動(dòng)方向和流量的控制。

這類閥采用動(dòng)圈式馬達(dá)，動(dòng)態(tài)性能好，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。