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    關于比例閥和伺服閥技術的一些探索

    2018-03-01  sailinglyf

    英文作者:Don DeRose

    中文校譯:騰益登


    '建議閱讀時間:20~30mins'


    譯者說

    本文2003年發表于Fluid Power Journal,距我們已經將近15年了。盡管比例、伺服技術不斷在發展進步,但是作者對當時技術的一些觀點和描述,還是值得我們今天的液壓從業者去了解和學習的。


    正文

    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年代末期作為一種先進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?;y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?;旧?,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。

    圖1

    一些比例閥只有一個線圈。這些閥典型的是四位而不是三位閥。圖2是四位四通單電磁鐵比例閥符號示意圖。需要注意的是,當失電時,閥移至最左端,所有油口斷開。為了讓閥芯移至“中位”,閥芯必須經歷一個位置,其中壓力油口將會和一個工作油口連通,而另外一個工作油口則連通回油。盡管閥芯經過這個流量工作區非???,但是其對系統的影響還是必須要考慮進去。由于電磁鐵失電的時候,其也許是我們控制程序的要求,也可能是供電故障的原因,都有可能造成油缸出現我們不期望的運動。因此,為了避免執行器出現不期望的運動,有時候會在比例閥和執行器之間設計一個電磁通斷閥。與雙電磁鐵比例閥相比,這種單電磁鐵的四位閥通常是高性能比例閥。有些制造商也因此把之稱為“伺服比例閥”,以表明其具有的高的動態性能。這種高性能的能力源自其閥芯相對于“中位”的位移不受對中彈簧滯環的影響,而這典型的出現在雙電磁鐵比例閥中。

    圖 2

    那么,比例電磁鐵線圈實際上又是如何工作的呢?所有用在比例閥的線圈都是直流(DC)線圈。交流(AC)線圈的涌浪電流(Inrush Current)通常是工作電流的五倍左右。如果交流電磁鐵里的銜鐵不允許完全切換到位,其電流消耗就會很高。線圈將會過熱并燒毀;而且交流設計也不允許一個連續電流處于五倍工作電流的工況。直流電磁鐵不會出現涌浪電流,因此銜鐵在電流沒有升高的情況下,其可以基本保持不動。由于銜鐵能夠做到微小的移動,閥芯或者座閥也會移動非常小,從而閥的輸出變化也會非常小。


    改變比例閥線圈電流最簡單的辦法就是在DC供電和線圈之間安裝可調電阻器。這種方案的問題就是沒有直接作用到線圈的電流將會轉化成熱量。這就有點像用一個定量泵給一個低于泵額定流量的執行器供油。正如多余的泵流量經過溢流閥全壓降的排放到油箱而產生熱量,當供電以滿電流強度給可變電阻供電的時候,多余的電流經過可變電阻而產生熱量。因此,就需要一個更有效的方法來控制比例電磁線圈。


    一個更有效的微調銜鐵位移的辦法就是采用脈寬調制(PWM)電流控制線圈。PWM技術就是在放大器設置開關晶體管,通過快速以開和關的方式改變至線圈的電流。由于切換晶體管關閉了不需要的電流,因此就不會產生多余熱量。低頻PWM范圍在100~400Hz之間,而高頻PWM在4000~5000Hz之間。脈沖頻率保持不變,而脈沖的占空比是變化的。比如,30%的占空比,理論上,閥將產生30%的流量或者壓力輸出。通過改變線圈“開”的時間,閥芯的位移就可以被成比例的控制。


    有幾個因素會影響線圈電流輸入和閥輸出之間的差異。彈簧的滯環,閥芯或座閥的摩擦損失以及線圈本身的損失都是其中的影響因素。為了克服摩擦損失和慣性,通常在PWM信號上疊加低幅高頻正弦信號,這個額外的信號被稱為“顫振”。顫振的作用就是使閥芯或者座閥保持一種持續的運動,以便克服由于慣性和摩擦導致的響應滯后。理論上,顫振的振動不改變閥的輸出。


    電磁鐵控制和先導操作的比例方向閥,有時叫做兩級比例方向閥,通過先導級和主級來控制主閥芯的位置。如果閥是一開環控制閥,先導閥通常采用兩個比例減壓閥;兩個比例減壓閥在一個閥體里。通過減壓閥減壓之后的壓力作用于主閥芯一側,與另外一側的對中彈簧平衡,主閥芯由此被定位。相反,閉環控制閥,利用開環控制比例方向閥作為先導閥。主閥芯上的LVDT把閥芯位置的信號反饋至放大器。反饋信號經過放大器計算,分析任何主閥芯的位置誤差;如果主閥芯已經被定位至正確的位置并產生期望的輸出,先導閥將被控制調節至零位(中位)。圖3示出兩級開環比例方向閥,而圖4示出兩級閉環比例方向閥。

    圖 3

    圖 4

    Moog基本上就是機械反饋MFB伺服閥設計者的代名詞。Moog也緊隨市場的變化生產制造了大量的電氣反饋EFB伺服閥。Moog的EFB伺服閥可以分為射流管設計和線性力馬達設計。


    線性力馬達(LFM)包含兩個線圈,對中彈簧(圖6中右側)和相對于彈簧的銜鐵位置的調整機構。一個線性力馬達可以提供大約45磅的力。


    圖6可以解釋Moog的DDV(Direct drive valve)閥。線性力馬達置于右側,LVDT和集成電子置于閥的左側。和前面討論的雙線圈比例閥一樣,可以實現方向和流量的比例閉環控制。

    圖 6

    不同于大多數的伺服閥符合ISO 10372油口安裝面,Moog的DDV閥遵循ISO 4401安裝面(D03和D05)。不像之前我們討論的比例閥,DDV的閥芯并沒有直接接觸閥體。相反,為了保留傳統的MFB伺服閥的設計,DDV閥的閥芯是包含在精密加工的閥套里面。與加工典型的比例閥閥體內部節流控制邊相比較而言,閥套的使用使得閥套節流控制邊的加工更加容易。采用這種結構,也使得閥芯與閥套形狀的相互關系更容易優化。因此,閥芯和閥套可以被加工切削得到負遮蓋,零遮蓋或者正遮蓋(閥芯與閥套的遮蓋量影響內泄漏以及執行器的控制)。


    閥芯相對于閥套的零位是工廠設置的,其是通過定位銜鐵相對于對中彈簧的位置實現的。


    Moog其它的電氣反饋EFB閥是基于射流管設計的,如圖7所示。在射流管伺服閥,系統流量被直接導入射流管,射流管末端帶節流口。經過射流管節流口的油液流至接收器。接收器有一個孔,導流來自射流管噴嘴的油液。在接收器里,該孔被分成兩條油路。每條油路連接至主閥芯兩端。力馬達接收來自控制系統的電信號。力馬達需要比比例閥低得多的控制電流,因此,其可被PLC直接驅動。一旦力馬達在某一個方向被激活,射流管的偏轉角度就會改變。因此,射流管噴嘴流出的油液就會在接收器兩個油路有不同的油液,因而在兩個油路上的壓力也會不一樣。高壓側的油路就會驅動主閥芯運動。就這樣,閥芯的運動使得系統壓力與其中一個工作油口連接,而另外一個工作油口接至油箱。射流管的偏轉角度正比于輸入至力馬達的電流。其中一個接收器油路的壓力上升正比于射流管偏轉角度,由此導致的閥芯位移也正比于該油路壓力的上升。LVDT用于控制閉環,使得射流管就是一個EFB伺服閥。

    圖 7

    Moog最大流量的伺服閥使用兩級射流管設計。圖8示出了剖面結構。

    圖 8

    圖9示出了兩級機械反饋MFB伺服閥剖面結構。與射流管設計一樣,力矩馬達用于接收電氣輸入。力矩馬達銜鐵運動與電通量一致,其由經過力馬達的線圈電流產生。擋板通過一個薄壁彈簧管與銜鐵連接。擋板處于兩個對稱的噴嘴中間。系統油液流經該噴嘴。在每個噴嘴的入口,分出一支路連接至主閥芯端部。當力矩馬達沒有電流輸入時,擋板在兩個噴嘴的中間,每個噴嘴與擋板的壓力相等,擋板保持平衡,同樣的主閥芯兩端的壓力相等而閥芯也是平衡狀態。此外,與擋板相連的是細長的不銹鋼連桿,即反饋彈簧。反饋彈簧的自由端位于閥芯開槽處。就這樣,閥芯位置就被機械的反饋到擋板組件。

    圖 9

    圖10,力矩馬達得到輸入電流,銜鐵逆時針偏轉。擋板向右偏轉靠近右噴嘴,因此右邊油路將產生更高的壓力而左邊油路產生更低的壓力。右側的高壓作用于閥芯右端面,左側的低壓作用于閥芯的左端,產生的不平衡力,促進閥芯左移。當閥芯左移時,反饋彈簧自由端末端的鋼珠拉著反饋彈簧向左運動,因此擋板就會得到反饋力,此力與力矩馬達產生的力相反,接著就會重新調整擋板在噴嘴之間的位置。一旦擋板回至噴嘴中間位置的時候,噴嘴的壓力變得相等,也即主閥芯兩端的壓力相等。此時,主閥芯將停止運動,然而,此時主閥芯保持一定的偏移,控制著進出工作油口的流量。

    圖 10

    圖11解釋了該動作過程。

    圖 11

    目前為止,上述討論的似乎都不難理解。然而究竟,對于一個具體的應用,該用哪種閥呢?這主要取決于閥的性能和流量。性能一般用頻率響應來測量。簡言之,頻率響應可以測量閥可以多快的控制流量,比如,閥打開到給定值如80%或者100%然后減小到一個低值如20%或者0,其反應有多快。盡管所有的比例閥和伺服閥制造商都提供伯德圖來顯示閥的性能,但似乎每個制造商都測試了一些不同的參數,使得直接比較起來非常困難,甚至不可能。其它性能參數的測量包括階躍響應,滯環,泄漏,死區和線性度等。當然,這些主題的討論需要開辟單獨的文章了。


    大家經常問到的一個問題就是:是不是一個閉環控制的比例閥在系統中的性能表現比一個開環控制的比例閥“更好”?盡管確實如此,一些閉環控制的比例閥在頻率響應表現更好,但是一些樣本也顯示部分開環控制的比例閥比閉環控制的比例閥反應更快。當然,這是在相等流量或同規格尺寸之間的閥進行比較的。閉環控制閥可以確定的是當給定假如35%的輸入信號時,閥芯也將停止在35%的位置上。但這并不意味著其將輸出35%的額定流量。最終決定的,是執行器如何工作的。如果需要確定的力,速度或者位置控制,機器設備設計者就需要考慮外部的反饋閉環控制。當然,如果閥本身是閉環控制的,而設備本身也采用了外部閉環控制,兩個控制環之間可能就會存在互相融合或干擾的情況。因此有些時候,為了避免更多的控制成本,就可以考慮采用開環控制閥和執行器外部閉環控制相結合的方式。


    你也許會問:對于給定的流量,為什么伺服閥有更高的頻率響應?需要注意的,在一個雙線圈的比例閥,無論是開環還是閉環控制,線圈的電磁力始終是與對中彈簧的彈簧力相平衡的,從而來定位閥芯位置。即使線圈被優化了可以響應很快,如果降低至線圈的電流,為了使流量降低,減小閥芯位移量的元件依然是彈簧。相反的情況是,如果線圈響應很快,使閥芯位移超出,而彈簧又不能提供足夠的平衡力,此時閥芯就會超調。因此,在某種情況下可以認為,閥的動態特性是由對中彈簧限定。


    相比較而言,MFB和射流管伺服閥采用高的液壓油控制閥芯。在伺服閥本體,三分之一的系統壓力被用于控制閥芯。如一個21Mpa的系統,7Mpa就被用于控制閥芯而剩余的14Mpa用于執行器工作。這種情況下就會有很大的壓力損失,無法做功,但是好處就是提高了系統響應。閥芯兩端的高壓流體就像一組高壓彈簧。


    如之前所述,Moog DDV閥所用的力馬達輸出力可達45磅。與使用兩個線圈的比例閥相比,DDV閥可以使用更硬的對中彈簧,也即是,如果使用較軟的對中彈簧,則閥芯的位移控制將會更精確。


    小規格的閥通常有較高的頻率響應,因為其閥芯質量更小。小質量更容易控制,加減速均比大質量的更容易。


    最后,又回到了如何選擇一個合適的閥來滿足機器運動控制要求的問題上來。

    關于此點,我們研究了方向閥,那么關于壓力和流量控制呢?比例技術也在這些方面得到了應用。關于壓力控制,大多數閥采用開環和閉環比例技術。對于低的或者先導流量控制,直動式壓力控制閥是最常見的。而對于大流量,常常使用兩級閥。

    圖12解釋了帶閉環控制和最大壓力手動限定的先導式溢流閥。

    圖 12

    圖13解釋了閉環控制流量控制閥。

    圖 13


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