關(guān)于ATOS電液伺服閥和比例閥的問(wèn)題解析

Q: 我對(duì)伺服閥和比例閥感到困惑，因?yàn)樗鼈冎g的區(qū)別似乎并不明顯。伺服閥和比例閥到底有什么區(qū)別？

A: 適用于這類閥門的通用描述性術(shù)語(yǔ)是“連續(xù)可變的、電調(diào)節(jié)的、液壓方向控制閥”。德國(guó)人使用“stetigventil”（連續(xù)可變閥）這個(gè)術(shù)語(yǔ)，伺服閥和比例閥都屬于這種通用閥門類型。遺憾的是，我們沒(méi)有一個(gè)英文單詞可以涵蓋這些閥門。通用術(shù)語(yǔ)應(yīng)該是“比例閥”，并分為兩個(gè)子類別：伺服閥和比例閥。

流體動(dòng)力研究所在進(jìn)行一項(xiàng)廣泛的研究項(xiàng)目，以確定用戶如何區(qū)分比例閥和伺服閥。我們使用電子增強(qiáng)技術(shù)來(lái)確定比例閥能夠在多大程度上表現(xiàn)出類似伺服閥的性能。我們研究了性能特性以及制造和生產(chǎn)方法。顯著的區(qū)別因素是零位遮蓋量。我們最終將伺服閥定義為零位遮蓋量小于3%的閥門，而比例閥的零位遮蓋量為3%或更多。

Q: 什么是閥遮蓋？

A: 閥遮蓋（或閥重疊）是指閥芯從中心位置移動(dòng)的距離，以開始打開動(dòng)力輸入端口與工作（輸出）端口或油箱端口之間的通道。零遮蓋閥是指閥芯向任何方向微小移動(dòng)，就會(huì)開始打開通道。然而，閥芯外徑（OD）與閥體內(nèi)徑（ID）之間沒(méi)有接觸。即使是零遮蓋閥，也存在少量重疊。盡管如此，“零遮蓋”這一術(shù)語(yǔ)仍然被廣泛使用。

Q: 什么是閥零位？

A: 閥零位是伺服閥壓力增益曲線上的一個(gè)特定點(diǎn)，在該點(diǎn)，兩個(gè)工作端口（堵塞端口）的壓力相等。伺服閥配備有機(jī)械調(diào)節(jié)裝置，因此在沒(méi)有施加電氣功率（連接器與閥斷開連接）的情況下，可以改變彈簧或磁力，使兩個(gè)工作端口的壓力相等。這通常是工廠在最終測(cè)試時(shí)調(diào)整閥的位置，假設(shè)它將用于等面積的液壓缸。

如果應(yīng)用涉及不等面積的液壓缸，用戶會(huì)移除閥連接器（這可能會(huì)導(dǎo)致活塞蠕動(dòng)），并調(diào)整零位調(diào)節(jié)裝置，直到氣液壓停止移動(dòng)。當(dāng)然，當(dāng)液壓缸停止時(shí)，由于活塞面積的差異以及任何非零負(fù)載的影響，這將導(dǎo)致液壓缸內(nèi)的壓力不相等。

Q: 什么是閥的零位漂移？

A: 零位漂移是一種效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致閥從其零位點(diǎn)偏離。例如，如果一個(gè)閥已經(jīng)調(diào)整到零位，而溫度或供油壓力發(fā)生變化，閥將不再處于其零位點(diǎn)。必須調(diào)整電流或機(jī)械零位螺釘，才能重新獲得精確的零位點(diǎn)。重要的是要記住，任何導(dǎo)致閥零位漂移的因素都會(huì)導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)（例如位置伺服機(jī)構(gòu)或壓力控制系統(tǒng)）出現(xiàn)誤差。零位漂移僅在零重疊閥中重要。

Q: 為什么閥遮蓋是區(qū)分伺服閥和比例閥的最重要的單一區(qū)別因素？因?yàn)楸壤y存在3%或更大的重疊，所以在閥芯從中位向左或向右移動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)死區(qū)，在達(dá)到閾值位置之前，流量不會(huì)有明顯的增加。

A: 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，MSOE的研究將伺服閥定義為近乎零遮蓋，而比例閥則具有顯著的遮蓋。因此，所謂的零遮蓋閥可以被視為伺服閥，并且仍然可以容納正常的制造公差，因?yàn)樗试S高達(dá)3%的遮蓋。此外，你很少能察覺(jué)到由于這種少量遮蓋而導(dǎo)致的系統(tǒng)性能下降。事實(shí)上，一定程度的遮蓋是有益的，因?yàn)樗鼫p少了閥芯與閥孔之間的泄漏。

每當(dāng)性能規(guī)格中包含特定精度要求時(shí)，很可能需要使用伺服閥。例如，用戶可能要求一個(gè)液壓缸在推動(dòng)一個(gè)10000磅的負(fù)載以15英寸/秒的速度移動(dòng)時(shí)，總行程為24英寸，并且最終位置的誤差不得超過(guò)0.020英寸。這種性能規(guī)格需要使用伺服閥和運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)方法。

精確的系統(tǒng)被稱為零位跟蹤系統(tǒng)。這意味著當(dāng)受控輸出——比如液壓缸的位置——處于期望位置時(shí)，閥芯接近其中心位置。為了實(shí)現(xiàn)高精度定位，液壓缸位置的任何微小擾動(dòng)（例如，由于外部負(fù)載的變化）必須立即通過(guò)閥芯的相應(yīng)微小移動(dòng)來(lái)抵消，以克服擾動(dòng)。這種零位跟蹤操作在許多壓力控制系統(tǒng)中也是必需的。閥門的零遮蓋意味著它可以在任何方向上對(duì)擾動(dòng)做出反應(yīng)并進(jìn)行修正，無(wú)論擾動(dòng)有多小。再次強(qiáng)調(diào)，“零遮蓋”是一個(gè)理想化的術(shù)語(yǔ)，實(shí)際的閥門可能會(huì)有少量的遮蓋。

Q: 我正在嘗試決定在我的閉環(huán)應(yīng)用中使用哪種類型的閥門，是伺服閥還是比例閥。我對(duì)伺服閥的性能印象深刻，但我擔(dān)心它的高壓力損失。我該如何在這兩者之間做出選擇？

A: 閥門上的壓力損失在最壞的情況下是一個(gè)令人困惑的來(lái)源，在一般情況下是一個(gè)誤解。所有伺服閥的流量都是在1000 psi（根據(jù)ISO 10770-1為7 MPa，換算過(guò)來(lái)大約是1015 psi）的壓差下進(jìn)行額定的，這種情況已經(jīng)持續(xù)了幾十年。伺服閥的額定流量是在壓力端口與油箱端口之間有1000 psi的壓差時(shí)測(cè)量的，而工作端口是環(huán)路連接的。另一方面，比例閥的流量是在145 psi（ISO 10770-1中的1 MPa）的壓差下進(jìn)行額定的。

這種流量額定壓力的差異會(huì)導(dǎo)致那些不太了解的人錯(cuò)誤地認(rèn)為比例閥的壓力損失較小。這是錯(cuò)誤的。在選擇閥門時(shí)，選型過(guò)程會(huì)計(jì)算所需的閥門流量系數(shù)，即KV值。不管你計(jì)劃使用哪種類型的閥門，這都沒(méi)有任何區(qū)別，正確選型的比例閥和正確選型的伺服閥具有相同的KV值！它們將具有相同大小的流量面積，并且在應(yīng)用中具有相同的壓力損失。它們之間絕對(duì)沒(méi)有任何壓力損失的優(yōu)勢(shì)！兩種閥門之所以有不同的流量額定值，并不是因?yàn)樗鼈兊拈_口量不同，而是因?yàn)樗鼈兊牧髁渴窃诓煌膲毫ο逻M(jìn)行額定的。行業(yè)拒絕采用發(fā)布其閥門KV值的做法，這加劇了這種混亂。

Q:為什么許多比例閥的滯環(huán)比伺服閥低？難道伺服閥不應(yīng)該“更精確”嗎？

A:滯環(huán)是一些輸入輸出設(shè)備（如閥門、傳感器、磁性裝置、機(jī)械連桿等）的特性，它導(dǎo)致在輸入增加時(shí)的特性曲線與輸入減少時(shí)不一致。機(jī)械滯環(huán)的兩個(gè)常見原因是靜摩擦和齒隙，此外還有磁性滯環(huán)。

電液閥的滯環(huán)是由這三種效應(yīng)共同引起的，因此是一個(gè)重要的性能參數(shù)。滯環(huán)會(huì)導(dǎo)致伺服系統(tǒng)出現(xiàn)誤差，因?yàn)樗鼤?huì)在閥中產(chǎn)生零位漂移，這取決于目標(biāo)輸出（如位置或壓力）是從哪個(gè)方向接近的。滯環(huán)是非常不希望出現(xiàn)的，但在閥門中是不可避免的。

至于“廉價(jià)比例閥”滯環(huán)較低的問(wèn)題，這通常是事實(shí)。原因是許多伺服閥使用反饋桿或彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)閥芯位置的比例控制。這是一種扭矩馬達(dá)和主閥芯之間的純機(jī)械連接。因此，會(huì)出現(xiàn)機(jī)械和磁性滯后效應(yīng)。制造商的文獻(xiàn)中通常會(huì)將滯環(huán)列為小于2%。

許多比例閥使用帶有電子反饋的LVDT閥芯位置傳感器，結(jié)果是形成了一個(gè)“更緊密”的閥芯位置控制回路，從而降低了滯環(huán)。一些多級(jí)伺服閥也使用LVDT閥芯位置控制。它們的滯環(huán)也會(huì)更低，常見的公布值是小于0.5%。對(duì)于這種滯環(huán)極小的閥門，需要采用特殊的測(cè)試技術(shù)才能找到真正的滯后量，因?yàn)樗闹捣浅Ｐ?。?dāng)閥門的閾值足夠低時(shí)，使用PID控制時(shí)產(chǎn)生的任何極限環(huán)振蕩也會(huì)足夠小，以至于難以察覺(jué)。

Q: 我聽說(shuō)比例閥比伺服閥對(duì)污染的耐受性更好，而且某些設(shè)計(jì)比其他設(shè)計(jì)更善于“吃灰塵”。你對(duì)這些說(shuō)法的評(píng)估是什么？

A: 我也聽說(shuō)過(guò)這些說(shuō)法，但我仍然持懷疑態(tài)度。我聽到的論點(diǎn)通常集中在某個(gè)設(shè)計(jì)的單一特性上，并聲稱因?yàn)樵撎匦栽谂懦馕廴疚锓矫姹憩F(xiàn)更好，所以整個(gè)閥門也就更好。例如，直動(dòng)式閥聲稱“沒(méi)有小噴嘴會(huì)被堵塞”。這個(gè)論點(diǎn)最多是似是而非的，因?yàn)閲娮欤▏娮?擋板設(shè)計(jì)）的直徑大于0.002英寸（50微米），需要巨大的污染物顆粒才能將其堵塞。我堅(jiān)持認(rèn)為，任何循環(huán)50微米顆粒的系統(tǒng)都有許多更嚴(yán)重的問(wèn)題，而不僅僅是伺服閥或比例閥的問(wèn)題。

事實(shí)是，污染物會(huì)以其他方式影響閥門。如果污染物具有磨蝕性，它們會(huì)侵蝕表面和節(jié)流邊緣。憑借現(xiàn)代加工方法，伺服閥和比例閥具有相同的閥芯與閥孔間隙，一塊硬污染物可以在任何類型的閥門中造成閥芯卡死，無(wú)論是伺服閥還是比例閥。

這個(gè)主題非常重要，而且其他人比我更有專業(yè)知識(shí)。但我看到的說(shuō)法存在一個(gè)基本問(wèn)題：目前沒(méi)有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的、客觀的測(cè)試方法來(lái)確定閥門對(duì)污染的耐受性。試圖制定此類標(biāo)準(zhǔn)的努力由于在國(guó)際層面缺乏決心而失敗。在該標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)之前，我仍然持懷疑態(tài)度，用戶只能依靠他們的供應(yīng)商和自己的智慧來(lái)避免陷入困境。而且，清潔的流體仍然是每個(gè)人的朋友這一事實(shí)是絕對(duì)正確的。遵循適當(dāng)?shù)那鍧嵆绦?，讓過(guò)濾器成為系統(tǒng)中的“灰塵吞噬者”——并保持這種清潔水平。

Q: PWM是什么？

脈沖寬度調(diào)制通過(guò)調(diào)節(jié)控制信號(hào)的導(dǎo)通和截止周期的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)比例控制。

A: PWM代表脈沖寬度調(diào)制。它是一種通過(guò)控制輸出電流和電壓（功率）的開關(guān)方法。PWM放大器的輸出級(jí)是一個(gè)晶體管開關(guān)。通過(guò)控制導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)比例控制。開關(guān)的導(dǎo)通和截止頻率稱為PWM頻率，通常是固定的（從大約30 Hz到高達(dá)40 kHz——由電子電路設(shè)計(jì)者選擇），并且遠(yuǎn)高于液壓機(jī)械系統(tǒng)能夠響應(yīng)的頻率。因此，閥門和執(zhí)行器響應(yīng)的是平均電流，而不是瞬時(shí)電流。

例如，假設(shè)某個(gè)PWM閥驅(qū)動(dòng)器的PWM頻率為100Hz。那么周期為0.01秒，即10毫秒。如果導(dǎo)通時(shí)間為2毫秒，截止時(shí)間為8毫秒，閥門將響應(yīng)相當(dāng)于最大值20%的輸入。我們稱之為“20%占空比”。如果導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間均為5毫秒，占空比則為50%，因此我們期望閥芯移動(dòng)大約50%。

PWM已成為控制比例電磁鐵的功率放大方法，因?yàn)楸壤姶盆F通常需要3到4安培的電流，甚至可能需要高達(dá)30瓦的功率。在不犧牲輸出功率的情況下減少放大器產(chǎn)生的熱量是一個(gè)巨大的節(jié)能措施。如果開關(guān)的導(dǎo)通和截止頻率與比例電磁鐵和閥門相匹配，還可以獲得一些顫振效益，從而減少靜摩擦的影響。

顫振有助于減少滯后性，因?yàn)樗闺姶盆F的機(jī)械可動(dòng)部件保持持續(xù)振動(dòng)，但又不至于使輸出執(zhí)行器產(chǎn)生明顯的振動(dòng)。

Q: 我的電氣工程師告訴我，他可以把制造商X的伺服閥連接到制造商Y的伺服放大器的輸出端，并且他預(yù)計(jì)這將正常工作。我們也有一個(gè)來(lái)自制造商Z的比例閥，但他表示我們只能使用制造商Z的比例閥放大器。我遺漏了什么嗎？

A: 伺服放大器的一個(gè)不那么引人注目的現(xiàn)實(shí)是，它們比比例放大器要簡(jiǎn)單得多。這使得伺服放大器更具通用性，因此幾乎任何伺服放大器都可以驅(qū)動(dòng)任何伺服閥。原因是大多數(shù)伺服閥使用力矩馬達(dá)作為其電磁執(zhí)行器，因此它們只需改變電流方向即可改變方向。最重要的參數(shù)是放大器可以向力矩馬達(dá)提供的電流量相對(duì)于力矩馬達(dá)所需的電流量。

另一方面，大多數(shù)比例閥放大器必須適應(yīng)LVDT（線性可變差動(dòng)變壓器），這些裝置用于比例閥中的閥芯位置感應(yīng)。LVDT是交流裝置，需要特殊的信號(hào)調(diào)節(jié)器，這些調(diào)節(jié)器提供高頻交流激勵(lì)（高達(dá)數(shù)千赫茲），然后對(duì)輸出進(jìn)行解調(diào)，以產(chǎn)生與閥芯位置成比例的直流電壓。此外，許多比例閥有兩個(gè)電磁鐵，以實(shí)現(xiàn)閥芯向兩個(gè)方向的移動(dòng)，因此電子電路必須引導(dǎo)信號(hào)，使一個(gè)極性的電流流向一個(gè)電磁鐵，而相反極性的電流流向另一個(gè)電磁鐵。

力矩馬達(dá)通常只需要不超過(guò)100毫安的電流，并且只需幾毫瓦的功率即可移動(dòng)。底線是比例放大器必須與特定系列的閥門匹配，并且可能無(wú)法在其他閥門上工作。