對于液壓伺服系統來說，保持機構的高速度和高精度是系統設計的基本條件。為了實現這一要求，該如何選用控制閥？

01 ? ? 閥的尺寸

使用線性執行機構時，從應用所需的行程長度和運動時間角度，系統設計人員應先從確定缸徑大小入手。

?

首先關注缸徑，是為了保證充分的動態響應以滿足加速和減速的需要。確定缸徑，通常還需要計算所需的系統壓力。第二步一般是選擇閥的大小尺寸(額定流量)，一旦計算出正確的缸徑，這步便相對簡單。

需要注意的是，伺服閥和伺服比例閥的壓降通常是70bar (1015 psi)，而其它比例閥通常壓降是10 bar (145psi)。兩者之間差別很明顯——70 bar壓降時的流量是10 bar時的2.65倍。但是液壓閥在每個尺寸范圍內通常有許多功能選項，所以選擇正確的閥不僅要考慮通徑大小，還得參考其它相關參數。

02 ? ? 閥的選型 選用伺服閥還是比例閥？兩者的主要區別是驅動閥芯移動的方式。比例閥使用電動線圈和磁鐵，與典型的音頻揚聲器所用的音圈(發音線圈)類似，屬于直接驅動閥芯。 ?

典型液壓伺服閥內部結構

而伺服閥則是使用小型力矩馬達驅動液壓油路，依靠液壓力帶動閥芯運動(先導控制)。 ? 伺服閥和比例閥響應速度上的差異主要是由于作用在閥芯的驅動力不同所引起的。由于伺服閥的液壓力與閥芯質量的比例關系，伺服閥的響應速度一般要快于比例閥(盡管有些比例閥已接近伺服閥的響應時間了)。比例閥必須輸出足夠的力來推動閥芯、內置的LVDT和電磁線圈，還要來克服彈簧的置中力。 ?

? 典型比例閥內部結構 先導伺服閥加工精度高，結構中設計有小孔徑的先導控制油口，使得這類伺服閥的價格更高，同時更容易被污染。在許多實際應用中，這些缺點使人們更傾向于使用比例閥。不過伺服閥仍有自身的市場。例如在大流量工況下，由于系統壓力可以用來驅動閥芯并克服液動力，伺服閥性能更好。在這些工況下，因為伺服閥響應更快，響應的線性特性更好(因此便于操縱)，伺服閥是更安全的設計選擇，而且其運作也更高效。?在某些工況下，比例閥無法提供足夠的力來克服大流量下產生的液動力(伯努利力)。此時，閥會瞬時失控，直至液動力下降為止。在出現故障時，在排除故障時，人們常常傾向于懷疑控制裝置而不是閥本身有問題。這時使用示波器等診斷工具來記錄控制信號波形、閥芯位移、以及執行機構的位移等參數，就會很有價值。?我們可以使用多級閥來解決與液動力有關的問題，用小型先導閥的液流來控制主閥閥芯的位移。但由于存在相位延時，多級控制閥價格較高，控制環節更多，響應時間也往往更長。不過為了使主閥芯快速運動，大型閥需要的力要比單靠電磁線圈提供的力要大。這種情況下，先導閥通過導入油壓來直接而快速地推動主閥芯，從而增強系統的性能。 ?

03 ? ? 比例閥放大器

比例閥需要放大器將控制器的控制輸出電壓信號轉換成大電流信號，以驅動閥芯。在伺服比例閥中，放大器使用閥中的LVDT位置反饋裝置校正控制信號與實際位置之間的誤差。為此，控制信號與反饋信號之間的偏差信號需要經過一個電子伺服放大器。有些伺服放大器使用簡單的比例控制，而另一些則使用PI或PID控制方式。如果放大器調試不精確，液壓閥的性能會因此受損。在采購時最好能購買自帶電子配套的比例閥，以確保放大器調試的最佳狀態。當然也可以單獨購買放大器卡，但是這需要額外的努力和如何調試放大器增益的知識，使閥芯可以對控制信號作出快速響應。

04 ? ? 封閉中心閥芯

非線性滑閥有許多種，也有許多名稱。最常見的是封閉中心閥芯，又稱正重疊或負開口閥芯，它有明顯的“死區” 或零收益區。原因是在控制電流較小的情況下，不會有液壓油通過閥口，如下圖所示。

控制%

負開口閥的工作特性曲線

封閉中心閥芯泄漏小，手動控制時便于關閉。但用于壓力及位置控制時則成為糟糕的選擇，因為閥芯必須非常迅速地通過中心位置才能提供良好的壓力或位置控制。死區面積越大，閥芯通過死區的移動時間就越長。在這幾毫秒之內，閥基本無流量，導致輸入到控制器中的位置和壓力信號無變化。這種反饋信號的不連續性降低控制器對位置或壓力控制的精確性。因此封閉中心閥芯僅應用在不要求閥芯快速通過死區的工況下，或者不需要閥芯作頻繁快速的換向運動的情況之下。封閉中心閥芯常應用于速度控制系統中，如傳送帶、輸送機氣等。

05 ? ? 閥芯的選擇 ?

比例閥因其閥芯位移與控制電流強度呈正比而得名，但是流量卻不一定成比例。比例閥有許多不同的閥芯類型，選擇合適的閥芯，是保證系統性能最優化的關鍵。從位置控制和壓力/力控制角度出發，應選用比例伺服閥芯或軸向開口閥芯。這些閥芯可以輸出與控制信號成比例的流量，前提是閥門兩端之間的壓差要保持恒定。

06 ? ? 雙重增益或變增益閥芯 ?

此滑閥具有隨控制信號強度變化而改變增益的功能。這些閥在控制信號接近零時流量增益很低，而在控制信號接近正、負最大值時流量增益較高，如下圖所示。

? ? ? ? ? ? ? ? ??40%節流槽閥? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??曲線閥

閥的工作特性曲線

節流槽閥或雙增益閥有明顯的低增益區和高增益區，而曲線閥的流量增益是連續變化的。在手動系統中，這種結構的閥芯在緩慢運動下控制精細，而高速運動時又能提供很大的流量。非線性閥使整個液壓系統具有非線性，盡管這在手動控制及開環控制中不是問題，但應用非線性閥實現閉環控制十分困難。當閥芯在高增益區與低增益區之間切換時，閉環控制器必須實時調整它的增益。在理論上該閥的線性化(作為所述控制信號的函數的不同的增益補償)，可通過運動控制器使用補償表或特定的補償方程來實現。但這種補償方法要與特定的閥的特性相匹配，限制了這種方法的實用性。節流槽液壓閥在低速閉環控制的液壓系統中表現良好。在高速工況下這種閥在高增益區運作，可應用于開環控制或手動控制。這樣當閥芯在高、低增益區之間滑動時，閉環控制器不必實時改變它的增益。不過，對于大多數位置和壓力控制的應用來說，最好是避免節流槽閥或非線性閥。

07 ? ? 伯德圖

學會看伯德圖有助于選擇合適的液壓閥。伯德圖用對數標度，來顯示作為控制信號頻率的函數的閥芯的幅頻響應和相位滯后特性曲線。通常情況下，幅頻響應在最初幾個赫茲(Hz)時相對平坦，一旦控制信號頻率上升到一定值時，幅頻響應會驟然減小。同樣，相頻響應滯后在低頻率時變化不大，但在高頻率下會迅速增加。我們將相位滯后90°時的頻率定義為閥的額定頻率。在該頻率下，幅頻響應往往下降到大約-6db或者初始幅度一半的位置。

從正弦測試的伯德圖曲線可以看出，在10Hz下沒有明顯增益下降及相位滯后上升的設備，在40Hz時閥的幅頻響應可能只有之前的一半，從而無法可靠工作。運動控制器可以通過前饋增益來補償閥的增益損失和相角滯后。在較高頻率下，控制器必須通過增大控制信號來補償閥增益的衰減，但是運動控制器無法生成比100%更強的信號。因此，設計者必須為系統中這部分多出的控制信號留有足夠的上升空間，或者選用較高頻率的閥，使得閥在系統的頻段范圍內僅有很小的增益衰減和相位滯后。

典型伯德圖，圖為閥芯關于控制電流頻率的幅頻特性曲線和相頻特性曲線 ? 08 ? ? 閥的響應及閥性能評定

液壓閥制造商提供的閥性能伯德圖的曲線并不是在相同條件下繪制的。不同的制造廠商可能按不同的閥芯行程幅度來標定他們的閥。控制信號在最大值的100%時的閥芯響應，要遠比控制信號在5%時的響應差得多。這意味著響應同時標定為30Hz的兩個閥，如果一個在5%控制信號下評定，另一個在50%控制信號下評定，其性能上可能相差很多。許多伯德圖都是在控制信號為最大信號的5%至25%的正弦信號下繪制的性能曲線。在5%最大信號下性能優異的閥適用于控制信號在0%處波動的場合，比如說位置或壓力控制。但這種閥不適用于高速控制的場合，因為閥芯的必要行程幾乎達到了100%。

?

一個保險的規則是，將控制流量從0到100%時取得的上升時間乘以4并求倒數，就可以得到閥的全行程響應頻率。高性能的位置/壓力控制系統需要響應迅速的線性閥。當然，閥的性能不可能十全十美，所以仍然需要高性能的控制器來提供對閥的響應時間、閥芯自身質量、執行機構的負載、以及彈簧效應的補償。為了充分實現一個精心設計的系統的最佳性能，應選用針對液壓而設計的運動控制器，配備有能分別調節液壓缸伸出和縮回時的增益、位置/壓力控制、以及與線性位移傳感器直接相連等功能。 ? 在開始對運動控制器選型和編程之前，首先應該仔細考慮和分析液壓元件的選型以及其尺寸參數。選擇正確的閥并不總是如想像或希望的那么容易。閥的性能評定缺乏標準化，給我們比較閥的性能帶來困難。對于位置和壓力控制，應選用零開口閥(零重疊的線性閥芯)。對于那些不要求閥芯在零位精確動作的場合，滑閥上的部分死區是允許的;但是,在它的其余運動區域內，通過閥口的流量應與控制信號的強度保持線性關系。?

編輯：黃飛

?