典型電氣比例閥、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線性地轉換為氣體壓力；流量式比例/伺服閥將輸給的電信號轉換為氣體流量。由于氣體的可壓縮性，使氣缸或氣馬達等執行元件的運動速度不僅取決于氣體流量。還取決于執行元件的負載大小。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/伺服閥應用不多，往往是壓力和流量結合在一起應用更為廣泛。

    電氣比例閥和伺服閥主要由電---機械轉換器和氣動放大器組成。但隨著近年來廉價的電子集成電路和各種檢測器件的大量出現，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，閥內就增加了位移或壓力檢測器件，有的還集成有控制放大器。

• 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執行元件在兩個方向上的運動速度，這類閥也稱方向比例閥。圖示即為這類閥的結構原理圖。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換為電壓信號輸出。控制放大器的主要作用是：

1. 將位移傳感器的輸出信號進行放大；
2. 比較指令信號Ue和位移反饋信號Uf，得到兩者的差植  U；
3. 將 U放大，轉換為電流信號I輸出。此外，為了改善比例閥的性能，控制放大器還含有對反饋信號Uf和電壓差 U的處理環節。比如狀態反饋控制和PID調節等。

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，控制放大器的指令信號UF=0，閥芯處于零位，此時氣源口P與A、B兩端輸出口同時被切斷，A、B兩口與排氣口也切斷，無流量輸出；同時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定的零位時，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，閥芯達到力平衡。此時。

                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Ue成正比。若指令電壓信號Ue<0，通過上式類似的反饋調節過程，使閥芯左移一定距離。

閥芯右移時，氣源口P與A口連通，B口與排氣口連通；閥芯左移時，P與B連通，A與排氣口連通。節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。

這類閥的優點是線性度好，滯回小，動態性能高。

• 滑閥式二級方向伺閥

下圖所示為一種動圈式二級方向伺服閥。它主要由動圈式力馬達、噴嘴擋板式氣動放大器、滑閥式氣動放大器、反饋彈簧等組成。噴嘴檔板氣動放大器做前置級，滑閥式氣動放大器做功率級。

這種二級方向伺服閥的工作原理是：在初始狀態，左右兩動圈式力馬達均無電流輸入，也無力輸出。在噴嘴氣流作用下，兩擋板使可變節流器處于全開狀態，容腔3、7內壓力幾乎與大氣壓相同。滑閥閥芯被裝在兩側的反饋彈簧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。

當某個動圈式馬達有電流輸入是（例如右側力馬達），輸出與電流I成正比的推力Fm將擋板推向噴嘴，使可變節流器的流通面積減小，容腔6內的氣壓P6升高，升高后的P6又通過噴嘴對檔板產生反推力Ff。當Ff與Fm平衡時，P6趨于穩定，其穩定值乘以噴嘴面積Ay等于電磁力。另一方面，P6升高使閥芯兩側產生壓力差，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，產生附加的彈簧力Fs，方向向右，大小與閥芯位移X成正比。當閥芯移動到一定位置時，彈簧附加作用力與7、3容腔的壓差對閥芯的作用力達到平衡，閥芯不在移動。此時同時存在閥芯和擋板的受力平衡方程式：

       Fs=KsX=(P6-P5)Ax

       Ff=P6Ay=KiI

式中   KS----反饋彈簧剛度

       Ax----閥芯斷面積

       Kf----動圈式力馬達的電流增益。

在上述的調節過程中，左側的噴嘴擋板始終處于全開狀態，可以認為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。當另一側動圈式馬達有輸入時，通過上述類似的調節過程，閥芯將向相反方向移動一定距離。

當閥芯左移時，氣源口P與輸出口A連通，B口通大氣；閥芯右移時，P與B通，A口通大氣。閥芯位移量越大，閥口開口量也越大。這樣就實現了對氣流的流動方向和流量的控制。

這類閥采用動圈式馬達，動態性能好，缺點是結構比較復雜。

• 動圈式壓力伺服閥

圖示是一種壓力伺服閥，其功能是將電信號成比例地轉換為氣體壓力輸出。主要組成部分有：動圈式力馬達1、噴嘴2、擋板3、固定節流口4、閥芯5、閥體6、復位彈簧7、租尼孔8等。

初始狀態時，力馬達無電流輸入，噴嘴與擋板處在全開位置，控制腔內的壓力與大氣壓幾乎相等。滑閥閥芯在復位彈簧推力的作用下處在右位，這時輸出口A與排氣口通，與氣源口P斷開。當力馬達有電流I輸入時，力馬達產生推力Fm(=KiI)，將擋板推向噴嘴，控制腔內的氣壓P9升高。P9的升高使擋板產生反推力，直至與電磁力Fm相平衡時P9才穩定，這時

         Fm=Iki=P9Ay+Yksy

式中   Ay----噴嘴噴口面積；

       Y----擋板位移；

       Ksy----力馬達復位彈簧剛度。

另一方面，P9升高使閥芯左依，打開A口與P口，A口的輸出壓力P10升高，而P10經過阻尼孔8被引到閥芯左腔，該腔內的壓力P11也隨之升高。P11作用于閥芯左端面阻止閥芯移動，直至閥芯受力平衡，這時

       (P9-P11)Ax=(X+X0)Ksx

式中   A x----閥芯斷面積；

       X----閥芯位移；

        X0----滑閥復位彈簧的預壓縮量；

        Ksx----滑閥復位彈簧剛度。

由以上兩式可得到

  P11=[P9Ax-(X+X0)Ksx]/Ax=(Iki-Yksy)/Ay-(X+X0)Ksx/Ax

由設計保證，使工作時閥芯有效行程X與彈簧預壓縮量X0相比小得多，可忽略不計，同時擋板位移量Y在調節過程中變化很小，可近似為一常數，則上式簡化為

    P11=KI+C

其中K=Ki/Ay,稱為電-氣伺服閥的電流—壓力增益，而C=-（X0Ksx/Ax+Yksy/Ay）是一常數。

由上式可見，P11與輸入電流成線性關系。閥芯處于平衡時，P10=P11，因此伺服閥的輸出壓力與輸入電流成線性關系。

• 脈寬調制伺服閥

與模擬式伺服閥不同，脈寬調制氣動伺服控制是一種數字式伺服控制，采用的控制閥是開關式氣動電磁閥。脈寬調制氣動伺服系統如圖所示。輸入的模擬信號經脈寬調制器調制成具有一定頻率和一定幅值的脈沖信號，經數字放大后控制氣動電磁閥。電磁閥輸出的是具有一定壓力和流量的氣動脈沖信號，但已具有足夠的功率，能借助氣動執行元件對負載做功。脈沖信號必須通過低通濾波器還原成模擬信號去控制負載。低通濾波器可以是氣動執行元件，也可以是負載本身。采用前者濾波方式的稱脈寬調制線性化系統，采用后者濾波的是依靠負載的較大慣性，它不能響應高頻的脈沖信號，只能響應脈寬調制信號的平均效果。

負載響應的平均效果是與脈寬調制信號的調制量成正比的，其控制機理是：對于一個周期的脈沖波，設正脈沖和負脈沖的時間分別為T1和T2，周期為T，脈沖幅值為Ym ,則一個周期內的平均輸出Ya為

     Ya=Ym(T1-T2)/T=YmKm

式中Km=(T1-T2)/T稱調制量（也稱調制系數）。一個周期的脈沖波及調制量與平均輸出的關系如下圖。由于調制量Km與輸入的模擬信號U成正比（這正是控制系統所要求的），因此平均輸出與輸入的模擬信號之間存在線性關系。

在脈寬調制氣動伺服系統中，脈寬調制伺服閥完成信號的轉換與放大作用，其常見的結構有四通滑閥型和三通球閥型。下圖所示為滑閥式脈寬調制伺服閥的結構原理圖。滑閥兩端各有一個電磁鐵，脈沖信號電流加在兩個電磁鐵上，控制閥芯按脈沖信號的頻率往復運動。

脈寬調制伺服閥的性能主要是動態響應和對稱性要求。假設加在電磁鐵上的是方波脈沖信號，從電磁鐵接到信號到執行元件開始動作這段時間稱信號的延遲時間。延遲時間包括三部分，一是電磁線圈中電流由零逐漸增大到銜鐵開始運動的電流增長時間；二是銜鐵與閥芯一起運動的時間；三是從節流口打開、執行元件工作腔進行放氣到執行元件開始動作的固定容器充放時間。前兩部分時間是由脈寬調制伺服閥決定。脈寬調制氣動伺服的工作頻率一般是十幾赫茲到二三十赫茲。為了滿足動態響應快的特點，要求延遲時間越短越好，一般控制在1~2ms以內。

所謂對稱性要求，對四通滑閥，閥芯往復運動的響應要一致，即加在兩個電磁鐵上的脈沖信號在傳遞過程中延遲時間應基本相同，兩輸出口的壓力與流量應基本相同；對三通球閥，對應脈沖信號上升沿下降沿的延遲時間應基本相同，球閥的充氣過程和排氣過程應基本相同。由于三通球閥與差動氣缸匹配，其對稱性不如四通滑閥好。

為了提高四通滑閥的快速響應，常采用力反饋來提高閥芯反向運動的速度。圖所采用的是彈簧反饋的形式。當信號反向時，彈簧力幫助閥芯反向運動，當閥芯運動過了中位，彈簧力改變，起阻止閥芯運動的作用，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。

脈寬調制控制與模擬控制相比有很多優點：控制閥在高頻開關狀態下工作，能消除死區、干摩擦等非線性因素；控制閥加工精度要求不高，降低了控制系統成本；控制閥節流口經常處于全開狀態，抗污染能力強，工作可靠。缺點是功率輸出小，機械振動和噪聲較。

電—氣比例伺服系統的應用實例

• 柔性定位伺服氣缸

圖示為一柔性定位氣缸（又稱位置伺服控制系統）。該系統可以根據輸給的電信號使氣缸活塞在任意位置定位。

位置伺服控制系統由電—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。該系統的基本原理是通過控制放大器、電—氣比例閥、氣缸的調節作用，使輸入電壓信號Ue與氣缸位移反饋信號Uf(Uf與氣缸位移之間是線性關系)之差   U減小并趨于零，以實現氣缸位移對輸入信號的跟蹤。

調節過程如下：若給定的輸入信號Uf大于反饋信號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口之間的節流面積增大，氣缸A腔的壓力Pa升高并推動活塞右移。氣缸活塞的右移又使反饋電壓信號Uf增大，因此電壓偏差 U減小，直至  U幾乎為零（采用PID調節的控制放大器可將穩態偏差調節至零）。當給定的輸入信號小于反饋信號Uf時， U＜0，同樣通過類似于上述的調節過程使偏差趨于零。因此在穩定時， U=0即

     Ue=Uf=KX(K為常數)

這就實現了輸入信號Uf對氣缸活塞位移X的比例控制。上述的調節過程是在一段很短的時間內完成的，故只要輸入信號Ue的主要頻率分量在系統的頻寬之內，氣缸活塞位移就可以跟蹤Ue的變化。