REXROTH比例阀和伺服阀技术以及闭环控制系统设计

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本文主要包含的内容：比例阀、伺服比例阀、伺服阀、放大器以及控制系统等相关方面知识。

根据功能分，比例元件包含溢流阀、减压阀、节流阀、调速阀、方向阀、泵控装置等。

根据阀的控制原理，可以分为：力控制、伺服比例电磁铁控制、集成阀芯反馈的控制以及伺服阀。

比例电磁铁控制的比例阀。比例电磁铁电流与衔铁的力正比，不同于开关阀。比例电磁铁工作行程大约1.5mm。

比例电磁铁应用于溢流阀。电磁力与阀座的面积和受到的压力乘积相等。电磁铁的输入电流与电磁力正比。

比例电磁铁应用于节流阀。电磁力与弹簧力相等=刚度 x 位移。线圈上的输入电流与电磁输出力正比。但是由于死区的存在，输入与输出不是完整的线性关系。

比例电磁铁应用于方向阀。电磁力与弹簧力/阀芯位置成正比。同样由于死区存在，起始阶段输入与输出没有线性关系。

阀芯带位置监控的电磁铁。LVDT内置位移传感器，提高控制精度和性能。

比例阀的集成电子带阀芯位置监控，大大提高阀的分辨率，滞环达到0.2%。

比例方向阀带阀芯位置监控。提高流量范围；更高的功率极限；响应更快；滞环达到0.3%。

比例阀结构。不像伺服阀，主阀没有阀套，阀芯在在铸件阀体内移动；坚固可靠性类似于普通换向阀；高的流量；低的维护成本。节流面积通常由阀芯切口决定；节流孔的尺寸和几何形状决定了流量大小。

节流口形状与流量特性的关系。如“方形”，“D”型，’V“型节流口开口形状与流量曲线大致如下。

比例阀的额定流量是基于双边压降10bar来计算的。但是这个压降在实际应用中，多半都不会是这个数值。通常所犯的错误是，所选阀芯额定流量过大，造成系统分辨率太低。

实际应用中，如何选择阀的额定流量？计算实际所需流量Qreq；额定压降按10bar考虑；估算实际流量通过时阀的实际压降Psystem – Pload = Pvalve；根据公式Qnorminal计算额定流量，然后查询样本，选择最接近的阀芯。

利用流量曲线图。估算经过阀的实际压降Δp；每种阀体结构都会有几种阀芯型式可供选择；找到最接近的，选择实际流量时额定流量约90%的那种阀芯结构。

阀的压降会不会过高？如果阀的压降Δp超过50%，就太高了；避免流量过大，如曲线5；过高的液动力会促使阀芯关闭，直动式阀需要特别注意；

功率极限。所有直动式比例阀均存在功率极限问题（流量与压力乘积）；当ΔP过高时，液动力总是促使阀芯关闭；如果阀两侧的流量不一样，功率极限降低。

功率极限图存在不同的表达方式，但说的是同一件事；有时候功率极限也用图表表示。

常用的阀芯结构型式。E型阀芯，中位油口封闭，遮盖量达到10~20%；油缸和阀芯内泄时，差动缸可能会爬行；如果用在闭环系统，需要更高级的控制器。V型阀芯，无死区，负遮盖量可达1%；只适用于闭环控制。W型阀芯，遮盖量2~3%；主要用于差动缸；只用于开环控制。

非对称阀芯。面积比2：1（节流口开槽数量不一样）；适用于差动缸。由于进出油缸的流量不一样而导致的压差平衡力的不同，使得更有利于油缸消除气蚀，缩短循环时间。

其它类型阀芯：W6、W8以及Q2。

通过外部油路实现差动的阀芯。与油缸连接的B口堵上，油液经过单向阀与P口连，构成差动回路。

通过阀芯内部实现差动工作的阀芯结构R、R3以及R5.

性能术语。滞环、反向误差、响应灵敏度等。

重复性。不同类型的阀控制，其重复性不一样，典型的，是滞环的一半。

阶跃响应。阶跃输入时，阀芯的响应时间。不同测试条件，结果可能不一样。

波德图。在-3dB时阀的频率响应，或者相位之后90°时的数值。频率响应必须基于不同给定信号去分析。

伺服比例阀基础

伺服比例阀-直动式。阀芯位置直接检测，无喷嘴挡板，无射流管，无先导级泄露。

直动式所用伺服比例电磁铁。压差按70bar考虑。阀芯与阀套装配实现零遮盖，对称，线性，精确。

直动式伺服比例阀的阀芯/阀套。零遮盖；故障安全位为正遮盖，通过弹簧偏置实现。

伺服比例阀-直动式。中位切换时平滑；大多带OBE集成电子；抗震强度达到25g；频率可达60~90Hz；可适用于闭环控制。

先导式伺服比例阀

主级阀铸件内带类似于比例阀的阀芯；先导级具有阀芯/阀套；先导级压降按10bar考虑；E、W、V以及Q4阀芯类似于比例阀；V型阀芯带弹簧对中，P至B具有1~6%的偏置；先导级带故障保险功能，主阀芯为弹簧复位。

线性特性。

先导级伺服比例阀。流量可达1100L/min；主级带LVDT。

高频响伺服比例阀

直动式4WRREH 6。可达到250Hz频响；阀芯/阀套结构；70bar压差下流量在2~40L/min之间。

故障安全未定义。

高频响4WRVE高动态先导系列，主级4WRL。

高频响伺服比例阀，先导式。无故障保险功能。NG10~25。

伺服阀基础

喷嘴挡板式。结构与工作原理示意如下。

4WS2EM伺服阀。伺服阀阀芯和阀套是必配的。通过压差控制主阀芯的平衡。频响可至200~300Hz。

射流管伺服阀。结构与工作原理如下。

4WSE3E（16，25，32）伺服阀。流量至1000L/min；主阀阀芯/阀套结构；频响可达100~140Hz；适用于水乙二醇介质。

面对如此众多的比例阀，高频响阀，伺服阀，如何选择呢？

需要考虑的因素有：最重要的流量参数（循环时间或者期望的执行器运行速度；泵流量约束，成本等），以及动态要求（加速特性；精度控制要求；是否是闭环控制等）等等。

比例阀放大器之基础

根据安装方式分类，放大器类型：模块式（轨道安装）、欧卡、集成电子、插头式等。

放大器功能。不同类型的放大器，具有不同的功能调节，参考如下。

放大器配置的灵活性。

集成电子。即插即用，客户无需调节；工厂设定好，简化安装。

插头式放大器。适用于单个或力控制电磁铁，如比例溢流阀。

欧卡放大器。更多功能选项。

放大器补偿。对于诸如E、W型阀芯，具有将近±20%的遮盖，通过放大器补偿，可以把死区减少到±3~±5%。

特性曲线生成器。线性化输出。

脉宽调制PWM。频率固定，通过调节占空比来调节输出值的大小。调制频率100Hz至350Hz之间。

颤振。颤振频率选择的原则就是最小化静态摩擦力影响，提高滞环。

放大器的调整。包括增益调整和零位调整，以及斜坡时间等。

控制阀和系统

闭环结构。通过反馈，自动调节位置、力、压力、速度等。

阀矩阵。关于各种类型的阀，有何特点，如何选择？

油缸的动态响应。

声明：资源来自网络，本公众号翻译整理。

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原文始发于微信公众号（液压传动与控制）：REXROTH比例阀和伺服阀技术以及闭环控制系统设计