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液压气动与密封/2008年第2期现代气动技术理论与实践第七讲院电/气伺服阀蔡茂林渊北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院袁北京100083冤中图分类号院TH138文献标识码院A文章编号院1008-0813(2008)02-0050-040前言由于伺服电动机尧步进电动机等电气伺服驱动机构在工业现场的日益普及袁气动伺服系统通常仅限于在高湿度尧强磁场尧要求防爆等恶劣环境下使用遥近些年袁由于空气的柔软性以及使用中不产生热和磁场等优点被重新认识袁半导体精密制造中光刻机用的减振台尧医疗仪器尧康复设备上开始出现气动伺服系统的身影袁并有逐步扩大的趋势遥在构建气动伺服系统时袁电/气伺服阀作为控制元件是系统中最为关键的构成要素遥电/气伺服阀的广义定义为院对应电压或电流的模拟输入信号的连续变化可连续相应地控制输出流量或压力的阀[1]遥对电/气伺服阀进行大分类袁如图1所示有比例控制阀和喷嘴挡板型伺服阀两大类遥比例控制阀根据输入信号的大小成比例地输出流量或压力袁是在传统的手调式阀基础上添加比例电磁铁发展起来的曰而喷嘴挡板型伺服阀输出的流量或压力未必与输入信号成正比袁但分辨率高尧灵敏袁适合高精度控制袁价格通常也比比例控制阀高出较多遥由于喷嘴挡板型伺服阀出现早袁是传统的伺服阀袁因此习惯上有将电/气伺服阀等同于喷嘴挡板型伺服阀的做法遥图1电/气伺服阀的分类收稿日期院2008-2-18作者简介院蔡茂林渊1972-冤袁男袁教授/博士生导师袁主要研究方向是气动系统的节能尧测量尧仿真与控制遥50HydraulicsPneumatics&Seals/No.2.2008比例控制阀根据控制输出袁分为流量比例控制阀和压力比例控制阀遥比例控制阀中控制流量大小的主阀机构主要有滑阀和提升阀两类遥这样的主阀机构在不输出流量时必须关闭遥因此袁流量零点附近会产生死区袁也称为不敏感带袁而导致阀的输入输出特性呈非线性袁影响控制精度遥尽管如此袁由于比例控制阀具有相对喷嘴挡板型伺服阀价格低尧可对应大流量尧输入输出成比例关系等易于使用的优点袁比例控制阀正作为电/气伺服阀的普及型产品得到了广泛的使用遥另一方面袁喷嘴挡板型伺服阀是根据输入信号改变喷嘴挡板机构中喷嘴和挡板间的间隙大小来调节喷嘴上流的背压遥不输出流量时勿需关死喷嘴袁因而没有死区袁控制灵敏度高遥但是袁需连续向喷嘴供气并排到大气中袁空气消耗量大袁不节能遥而且袁由于采用节流孔袁难以用于大流量控制遥目前袁喷嘴挡板型伺服阀多用于减振控制尧张力控制等需要高灵敏度的高精度控制中遥本讲以主要类型的电/气伺服阀为对象袁先阐述流量比例控制阀和压力比例控制阀的构造尧工作原理袁介绍其特性表示袁然后说明喷嘴挡板型伺服阀的分类尧构造尧工作原理袁进而对喷嘴挡板型伺服阀的特性进行理论分析遥1比例控制阀1.1流量比例控制阀流量比例控制阀根据输入信号比例输出流量遥但实际上比例于输入信号输出的不是流量袁而是阀开口的有效截面积的大小遥为使有效截面积呈比例变化袁大多流量比例控制阀使用滑阀形式的主阀结构遥此时袁只需使滑阀阀芯的位移与输入信号成正比即可遥由于滑阀阀芯不直接受气体压力作用袁仅受流体反力影响袁而气体密度低袁流体反力相对较小袁所以滑阀阀芯通常采用直接驱动方式遥作为滑阀阀芯的驱动机构袁价格相对低廉的比例电磁铁被广泛使用遥近些年袁为了提高滑阀阀芯的位置控制精度袁很多流量比例控制阀一改传统的开环控制方式袁开始采用高精度位置传感器检测滑阀阀芯位移袁从而利用闭环反馈精确控制滑阀阀芯位移遥此类流量比例控制阀的数量正在增加袁并多用动圈或力马达等来驱动滑阀阀芯遥以前控制上难以解决的由正遮盖引起的死区问题近年由于加工精度的提高和上述闭环位置控制系统的导入而得到了很大的改善遥利用流量比例控制阀来构建高精度控制系统也变得越来越容易遥图2展示的是一种导入了位置闭环控制系统的流量比例控制阀遥在该阀中袁位移传感器安装在滑阀阀芯的右侧袁并采用音圈力马达对滑阀阀芯位移进行闭环控制袁使阀芯的位移袁即阀的开口与输入信号成比例遥而且袁为了提高滑阀阀芯的位置控制精度袁该阀还采用了空气轴承来支撑阀芯袁使阀芯的滑动摩擦力减到最小遥由于该阀采用直接驱动方式并且阀芯的滑动摩擦极小袁阀芯的动态响应很高袁频宽可达200Hz以上[2][3]遥图2流量比例控制阀1.2压力比例控制阀压力比例控制阀是将输出压力导入阀内袁使之与输入信号决定的力进行平衡袁用闭环反馈系统控制输出压力的阀遥主阀基本上都是提升阀遥图3表示的是一个较典型的压力比例控制阀遥该阀输出压力始终与根据输入信号设定的膜片上方的先导腔的压力保持平衡遥如输出压力比先导腔的压力低袁膜片下移袁主阀芯向下移动袁主阀开口增大袁输出压力上升曰反之袁膜片上移袁排气阀打开袁输出侧的空气通过排气阀排放到大气中遥这与上讲[4]介绍的先导型减压阀结构和工作原理相同遥所不同的是袁压力比例控制阀的设定压力不是用手动调节柄调节袁而是电信号输入遥在很多场合袁压力比例控制阀也被称为电气调压阀遥图3压力比例控制阀图3表示的压力比例控制阀是先导式结构遥压力比例控制阀中也有直动式结构袁而直动式结构除了用于极少的低压输出用的压力比例控制阀外袁很少被采用遥原因是阀的输出压力直接作用在膜片上袁直接驱动膜片需要很大的力量袁直接驱动机构体积大袁不容易实用化遥51液压气动与密封/2008年第2期通常袁压力比例控制阀的先导式结构多采用喷嘴挡板机构袁也有采用PWM渊脉宽调制冤控制高速开关阀来设定先导压力的遥1.3特性表示在静特性上袁流量比例控制阀仅有输入输出特性渊输入信号V.S.阀开口的有效截面积冤袁而压力比例控制阀不仅有输入输出特性渊输入信号V.S.输出压力冤袁还有流量特性和压力特性遥这里的流量特性与压力特性与上讲的减压阀相同袁各自表示输出压力受流量和供给压力变动的影响程度遥这些静特性通常都表示在产品样本上袁详细请参照相关产品的样本遥关于动特性袁有阶跃响应特性和频响特性遥流量比例控制阀因为没有先导腔这样的一阶滞后环节袁所以响应快袁适合于高速控制遥一部分的流量比例控制阀本身的频响超过100Hz袁与其一起构成系统的负载气容相比响应要快很多袁所以其动特性通常可以忽略不计遥另一方面袁压力比例控制阀在阀内有先导腔尧输出压力作用于膜片的空间等容腔袁响应比流量比例控制阀要低一些遥因此袁压力比例控制阀多用于对响应要求不严的远程压力控制等遥2喷嘴挡板型伺服阀2.1分类及工作原理喷嘴挡板型伺服阀根据输出及构造袁可按图4分为三类院渊1冤输出压力的单喷嘴的3通阀院用动圈尧压电晶体或力矩马达驱动挡板袁通过改变挡板与喷嘴间的间隙来控制固定节流孔与喷嘴间的背压渊C口冤遥此类阀由于可控流量范围小袁多用于小流量的先导压力控制曰渊2冤输出压力的双喷嘴的3通阀院用力矩马达使挡板倾斜袁从而调整挡板与喷嘴间的间隙袁进而控制两个喷嘴中间的压力渊C口冤遥与单喷嘴阀相比袁由于没有固定节流孔袁压力及流量的输出范围比较大遥该阀是喷嘴挡板型伺服阀的主流类型曰渊3冤输出差压的4通阀院尽管具有与双喷嘴的3通阀相似的结构袁但其两个喷嘴的上流侧装入了两个固定节流孔遥如移动挡板使挡板偏离中位袁挡板与两个喷嘴间的间隙变为不同袁两侧的输出侧渊C1口和C2口冤的压力变为不同袁从而产生差压遥此差压输出适合双出杆气缸两侧容腔压力的控制袁例如用于减振台的水平减振作动器[5]遥喷嘴挡板型伺服阀尽管与压力比例控制阀相同袁都是用来控制压力袁但实际中通常根据流量范围尧控制分辨率尧响应等使用要求来区别使用遥(a)(b)(c)图4喷嘴挡板型伺服阀(a)输出压力的单喷嘴的3通阀(b)输出压力的双喷嘴的3通阀(c)输出差压的4通阀2.2喷嘴机构的特性解析图5是典型的喷嘴挡板机构袁现讨论它的数学模图5喷嘴挡板机构型如下[6]尧[7]院首先袁对状态方程式pcVc=mcR兹c进行微分袁可得如下公式dpcdt=R兹cVcdmcdt+mcRVcd兹cdt=R兹cVc渊G1-G2冤+mcRVcd兹cdt渊1冤然后袁根据能量守恒法则可求得下式遥d兹cdt=R兹aCvmc渊G1-G2冤+QCvmc=R兹aCvmc渊G1-G2冤+hShCvmc渊兹a-兹冤渊2冤式中Cv要要要空气的等容比热曰52HydraulicsPneumatics&Seals/No.2.2008Q要要要外部环境传入的热量曰h要要要传热率曰Sh要要要传热面积遥如在平衡点渊平衡压力pref冤附近进行线形化袁根据式(1)和(2)可得图6所示的框图[6]遥其中袁a是流量增益遥流量增益a表示的是压力变化与流量变化的比值袁定义如下a=驻Gc驻pc=驻G1-驻G2驻pc渊3冤图6喷嘴挡板机构的控制框图如图7所示袁控制侧的压力如偏离平衡点驻pc袁G1和G2变化袁驻G1-驻G2大小的流量流入控制侧遥流量增益a越大袁控制系统的响应越快遥图7流量增益的物理含义通常袁为方便起见袁控制侧的温度都假设为等温变化遥此时袁图6中的传热部分简略化袁传热函数可写为院F渊s冤11+Tps渊4冤式中Tp要要要控制系统的时间常数遥Tp=VcaR兹a渊5冤负载容腔体积Vc越大袁时间常数Tp越大袁系统越滞后曰相反袁流量增益a越大袁时间常数Tp越小袁系统反应越快遥根据以上数学模型袁就可对喷嘴挡板机构的动特性进行理论分析遥参考文献[1]空址止制粥入門.(社)日本终蛛ー稚盅诛ー址止制粥学会(2003).[2]T.Miyajima.DevelopmentofPneumaticHighPrecisionPositionControllableServoValve[C].Proc.ofIEEE/CCA袁(2004).[3]宮島隆至.高精度值ー周弁账砧针空值ー周制ー种蛛瘴定速度制御瘴高精度化袁第源回流体計測制御址煮州指枝粥,36-39(2003).[4]蔡茂林.压力调节阀[J]袁液压气动与密封袁2008袁28渊1冤.[5]加藤友規.超精密空招胀式除振台瘴力制御袁2004年度精密工学会春季大会学術講演会袁CD-ROM(2004).[6]T.Kagawa.HeatTransferEffectsontheFrequencyResponseofaPneumaticNozzleFlapper[J].JournalofDynamicSys-temsMeasurement,andControl,TransactionsoftheASME,1992袁107渊12冤.[7]荒木窑陳窑石野.力平衡型治趾蛛终珠置盅式電空力器空回路瘴特性解析[C].油空学会論文集袁1995袁26渊2冤.JTEKT将在普通轴承中采用汽车轴承密封材料JTEKTCorporation渊捷太格特株式会社冤宣布袁将在普通轴承中采用汽车发动机辅助装置的轴承使用的密封材料遥计划将其作为野RM密封材料冶系列推广使用遥该密封材料在需要高速旋转的环境中具有摺动扭矩低尧密封性高的特点遥RM系列通过增加过盈量提高了密封性遥另外袁密封唇缘还采用了M字形双重构造袁可长期保持密封性遥而且还在密封唇缘的2个部位采用了凸起形状袁确保了防水性遥汽车发动机辅助装置使用的轴承需要高速旋转袁因此大多使用具有低扭矩的轻触型密封材料遥不过此类轴承在高压清洗尧外部环境变化大以及轴承完全没入水中等严酷条件下袁容易发生水浸入轴承内部尧导致生锈等问题遥因此该公司在保持扭矩与原来相同的情况下袁开发出了密封性高的密封材料袁并投入了使用遥53