比例阀插头(关于电液伺服阀控制的一些问答)

作者：Jack Johnson 密尔沃基工学院(Milwaukee School of Engineering)

译者：腾益登

Q：关于伺服阀和比例阀我很困惑，因为两者的区别似乎并不清晰。到底伺服阀和比例阀的区别在哪呢？

A：对于此类阀，通用的描述术语就是“连续变化的，电调制，液压方向控制阀（continuously variable, electrically modulated, hydraulic directional control valves）”。德语里术语就是stetigventil — 一个连续可辨的阀（a continuously differentiable valve），伺服阀和比例阀都属于此类描述。不幸的是，在英语里面，并没有一个单个的词可以覆盖这些阀。通用术语就是“比例的阀（proportional valve）”，其包含两个分类：伺服阀和比例阀。

上图显示一个电液比例阀的输出流量与阀芯位置的关系。请注意流量与阀芯位置曲线上的不连续点。这个不连续是由于在阀芯和阀开口之间存在遮盖造成的。遮盖量小于3%，被定义为伺服阀，而遮盖量为3%或更大的，被定义为比例阀。

在密尔沃基工学院(milwaukee school of engineering)流体动力研究所，我们进行了大量的研究工作，试图告诉用户如何区分比例阀和伺服阀。我们采用电子增强（或改进）方面的技术，试图看看一个比例阀在多大程度上可以表现得像一个伺服阀。性能特性，阀的构造以及制造方法等等都进行了研究。最后发现，最大的不同还是中位时阀芯的遮盖量。我们最后定义伺服阀就是遮盖量少于3%的，而比例阀是遮盖量等于或大于3%的阀

Q：什么是阀的遮盖？

A: 阀芯的遮盖量是指阀芯从中位移动至阀芯开始打开时的位移。零遮盖阀意味着任何微小的阀芯移动量，阀就开始打开。然而，阀芯的外径和阀孔（阀套）的内径之间不接触。即使零遮盖的阀还是有很小的遮盖量的（译者问：那么这个遮盖量范围是多少呢？）。

上图分别示意了零遮盖的伺服阀，和遮盖量等于或大于3%的比例阀。

Q：零位（valve null）是什么？

A：阀的零位是伺服阀压力测试曲线上的某一个点，此处阀的两个工作油口压力相等。伺服阀配有机械调整装置，没有电源供电（插头从阀体拔走），改变弹簧或电磁力，可以使得两个工作口压力相等。这是工厂最后调试阀时常做的，用双出杆对称油缸。

如果是非对称缸，用户拿掉阀电气接头的时候，就有可能导致油缸活塞蠕动，可以通过改变零位使油缸停止。当然，随着油缸停止，由于有效作用面积的不同，将会导致油缸活塞两侧压力不一样，

Q：阀的零飘是什么？

A：阀的零飘是指阀飘移离开零位。比如，如果阀零位已经调好，温度或供油压力变化时，阀不会保持在零位。要么通过调整电流，要么通过调整机械零位螺钉，这样可以再回到精确的零位。需要注意的是，任何导致阀零位的变化，都会导致闭环控制系统的误差，诸如在位置伺服控制机构或者压力控制系统。零飘只是在零遮盖的阀具有重要的意义。

Q：在一个位置闭环控制应用中，我不知道该用哪种阀，伺服阀还是比例阀？我知道伺服阀的性能很好，但是我担心其过高的压降。两者之间，我如何选择？

A：经过阀的压降是我们困惑的根源，也是一种误解。所有伺服阀的额定流量都是基于1000 psi或7MPa（根据ISO 10770-1），而且已经几十年的历史了。伺服阀额定流量测试的时候，1000 psi压差测定是从P口至回油口，而工作油口短接起来。另外一方面，比例阀额定流量是基于145 psi或1MPa（根据ISO 10770-1）。

因为3%或更多的遮盖量，比例阀存在一个死区，在该区域，阀芯左移或右移的时候不存在流量增益，直至过了该区域。

这种不同使得缺乏经验的液压工程师认为比例阀具有更低的压降。这是完全错误的。当选择阀的时候，选择过程就是需要计算所需要的阀流量系数，也就是KV值。无论你打算用哪种阀，其计算是完全相同的，正确选择的比例阀KV值与伺服阀的完全一样。他们拥有一样的流量面积和同样的压降。两种阀之间，完全不存在谁的压降更有优势的说法。

两种阀拥有不同的额定流量是因为他们有不同的开口度，并不是因为压降不同。

Q：为什么很多比例阀的滞环比伺服阀还低？伺服阀难道不应该更“精确”吗？

A：滞环是一些输入—输出设备具有的基本属性，诸如阀，传感器，电磁元件，机械机构等，其导致的结果就是指令信号增加与指令信号减小并不按同样的轨迹。滞环主要受机械静态摩擦和磁滞影响。

电液伺服阀的滞环是一个重要的性能参数。滞环会导致伺服系统的误差，因为它在阀内带来零飘。我们不希望滞环，但是也无法避免。

关于“比例阀便宜且滞环小”的论述确实存在。原因在于许多伺服阀使用机械反馈杆或弹簧来实现与阀芯位置成比例关系。在力矩马达和主阀芯之间，这是一种纯机械的连接。机械的和电磁的滞环效应共同叠加，所以在制造商的样本中，典型的滞环数字是低于2%。

许多比例阀使用LVDT阀芯位置传感器，是一种电反馈，对阀芯的控制更精密，滞环就会更低。一些多级伺服阀也是用LVDT作为阀芯位置控制，它们也会有更低的滞环，通常的值低于0.5%。滞环值如此之低，需要采用特殊的测试技术。

Q：电气工程师告诉我来自X公司伺服阀的放大器，也可以用Y公司的伺服放大器来代替，并能够很好的工作。但是对于比例阀，如果放大器是Z公司的，就不能随便用其它公司的比例阀放大器来代替。这是为什么？

A：现实情况是，伺服阀放大器比比例阀放大器更简单。这使得伺服阀放大器更通用一些，因此，几乎任何伺服放大器都可以驱动任何其它的伺服阀。原因在于大多数的伺服阀都用力矩马达作为它们的电磁转换器，改变它们的方向很容易，仅仅是改变电流方向。其中最重要的参数就是放大器可以提供给力矩马达的电流。

另外一方面，很多比例阀放大器都适用于带LVDT的阀芯位置监控比例阀。LVDT需要特殊的信号调节器，其能够提供很高的励磁频率（可达几千Hz），然后对输出信号进行解调，得到一个直流电压，正比于阀芯位置。此外，很多比例阀具有两个电磁铁，实现阀芯两个方向的移动，因此电路上必须考虑其中一路信号控制其中一个电磁铁，而另外一路信号控制另外一个电磁铁。

力矩马达工作电流通常不超过100mA，其只能提供几毫瓦的功率。比例阀放大器必须与对应的阀匹配才能用，而不能用于任意的比例阀。