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關于ATOS電液伺服閥和比例閥的問題解析
點擊次數：226 發布時間：2025-3-17
Q: 我對伺服閥和比例閥感到困惑，因為它們之間的區別似乎并不明顯。伺服閥和比例閥到底有什么區別？
A: 適用于這類閥門的通用描述性術語是“連續可變的、電調節的、液壓方向控制閥"。德國人使用“stetigventil"（連續可變閥）這個術語，伺服閥和比例閥都屬于這種通用閥門類型。遺憾的是，我們沒有一個英文單詞可以涵蓋這些閥門。通用術語應該是“比例閥"，并分為兩個子類別：伺服閥和比例閥。
流體動力研究所在進行一項廣泛的研究項目，以確定用戶如何區分比例閥和伺服閥。我們使用電子增強技術來確定比例閥能夠在多大程度上表現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方法。顯著的區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的距離，以開始打開動力輸入端口與工作（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，就會開始打開通道。然而，閥芯外徑（OD）與閥體內徑（ID）之間沒有接觸。即使是零遮蓋閥，也存在少量重疊。盡管如此，“零遮蓋"這一術語仍然被廣泛使用。
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特定點，在該點，兩個工作端口（堵塞端口）的壓力相等。伺服閥配備有機械調節裝置，因此在沒有施加電氣功率（連接器與閥斷開連接）的情況下，可以改變彈簧或磁力，使兩個工作端口的壓力相等。這通常是工廠在最終測試時調整閥的位置，假設它將用于等面積的液壓缸。
如果應用涉及不等面積的液壓缸，用戶會移除閥連接器（這可能會導致活塞蠕動），并調整零位調節裝置，直到氣液壓停止移動。當然，當液壓缸停止時，由于活塞面積的差異以及任何非零負載的影響，這將導致液壓缸內的壓力不相等。
Q: 什么是閥的零位漂移？
A: 零位漂移是一種效應，會導致閥從其零位點偏離。例如，如果一個閥已經調整到零位，而溫度或供油壓力發生變化，閥將不再處于其零位點。必須調整電流或機械零位螺釘，才能重新獲得精確的零位點。重要的是要記住，任何導致閥零位漂移的因素都會導致閉環系統（例如位置伺服機構或壓力控制系統）出現誤差。零位漂移僅在零重疊閥中重要。
Q: 為什么閥遮蓋是區分伺服閥和比例閥的最重要的單一區別因素？因為比例閥存在3%或更大的重疊，所以在閥芯從中位向左或向右移動時，會產生一個死區，在達到閾值位置之前，流量不會有明顯的增加。
A: 簡單來說，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，因為它允許高達3%的遮蓋。此外，你很少能察覺到由于這種少量遮蓋而導致的系統性能下降。事實上，一定程度的遮蓋是有益的，因為它減少了閥芯與閥孔之間的泄漏。
每當性能規格中包含特定精度要求時，很可能需要使用伺服閥。例如，用戶可能要求一個液壓缸在推動一個10000磅的負載以15英寸/秒的速度移動時，總行程為24英寸，并且最終位置的誤差不得超過0.020英寸。這種性能規格需要使用伺服閥和運動控制設計方法。
精確的系統被稱為零位跟蹤系統。這意味著當受控輸出——比如液壓缸的位置——處于期望位置時，閥芯接近其中心位置。為了實現高精度定位，液壓缸位置的任何微小擾動（例如，由于外部負載的變化）必須立即通過閥芯的相應微小移動來抵消，以克服擾動。這種零位跟蹤操作在許多壓力控制系統中也是必需的。閥門的零遮蓋意味著它可以在任何方向上對擾動做出反應并進行修正，無論擾動有多小。再次強調，“零遮蓋"是一個理想化的術語，實際的閥門可能會有少量的遮蓋。
Q: 我正在嘗試決定在我的閉環應用中使用哪種類型的閥門，是伺服閥還是比例閥。我對伺服閥的性能印象深刻，但我擔心它的高壓力損失。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令人困惑的來源，在一般情況下是一個誤解。所有伺服閥的流量都是在1000 psi（根據ISO 10770-1為7 MPa，換算過來大約是1015 psi）的壓差下進行額定的，這種情況已經持續了幾十年。伺服閥的額定流量是在壓力端口與油箱端口之間有1000 psi的壓差時測量的，而工作端口是環路連接的。另一方面，比例閥的流量是在145 psi（ISO 10770-1中的1 MPa）的壓差下進行額定的。
這種流量額定壓力的差異會導致那些不太了解的人錯誤地認為比例閥的壓力損失較小。這是錯誤的。在選擇閥門時，選型過程會計算所需的閥門流量系數，即KV值。不管你計劃使用哪種類型的閥門，這都沒有任何區別，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，并且在應用中具有相同的壓力損失。它們之間絕對沒有任何壓力損失的優勢！兩種閥門之所以有不同的流量額定值，并不是因為它們的開口量不同，而是因為它們的流量是在不同的壓力下進行額定的。行業拒絕采用發布其閥門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比伺服閥低？難道伺服閥不應該“更精確"嗎？
A:滯環是一些輸入輸出設備（如閥門、傳感器、磁性裝置、機械連桿等）的特性，它導致在輸入增加時的特性曲線與輸入減少時不一致。機械滯環的兩個常見原因是靜摩擦和齒隙，此外還有磁性滯環。
電液閥的滯環是由這三種效應共同引起的，因此是一個重要的性能參數。滯環會導致伺服系統出現誤差，因為它會在閥中產生零位漂移，這取決于目標輸出（如位置或壓力）是從哪個方向接近的。滯環是非常不希望出現的，但在閥門中是不可避免的。
至于“廉價比例閥"滯環較低的問題，這通常是事實。原因是許多伺服閥使用反饋桿或彈簧來實現閥芯位置的比例控制。這是一種扭矩馬達和主閥芯之間的純機械連接。因此，會出現機械和磁性滯后效應。制造商的文獻中通常會將滯環列為小于2%。
許多比例閥使用帶有電子反饋的LVDT閥芯位置傳感器，結果是形成了一個“更緊密"的閥芯位置控制回路，從而降低了滯環。一些多級伺服閥也使用LVDT閥芯位置控制。它們的滯環也會更低，常見的公布值是小于0.5%。對于這種滯環極小的閥門，需要采用特殊的測試技術才能找到真正的滯后量，因為它的值非常小。當閥門的閾值足夠低時，使用PID控制時產生的任何極限環振蕩也會足夠小，以至于難以察覺。
Q: 我聽說比例閥比伺服閥對污染的耐受性更好，而且某些設計比其他設計更善于“吃灰塵"。你對這些說法的評估是什么？
A: 我也聽說過這些說法，但我仍然持懷疑態度。我聽到的論點通常集中在某個設計的單一特性上，并聲稱因為該特性在排斥污染物方面表現更好，所以整個閥門也就更好。例如，直動式閥聲稱“沒有小噴嘴會被堵塞"。這個論點最多是似是而非的，因為噴嘴（噴嘴-擋板設計）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。我堅持認為，任何循環50微米顆粒的系統都有許多更嚴重的問題，而不僅僅是伺服閥或比例閥的問題。
事實是，污染物會以其他方式影響閥門。如果污染物具有磨蝕性，它們會侵蝕表面和節流邊緣。憑借現代加工方法，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，無論是伺服閥還是比例閥。
這個主題非常重要，而且其他人比我更有專業知識。但我看到的說法存在一個基本問題：目前沒有國際標準化的、客觀的測試方法來確定閥門對污染的耐受性。試圖制定此類標準的努力由于在國際層面缺乏決心而失敗。在該標準出現之前，我仍然持懷疑態度，用戶只能依靠他們的供應商和自己的智慧來避免陷入困境。而且，清潔的流體仍然是每個人的朋友這一事實是絕對正確的。遵循適當的清潔程序，讓過濾器成為系統中的“灰塵吞噬者"——并保持這種清潔水平。
Q: PWM是什么？
脈沖寬度調制通過調節控制信號的導通和截止周期的頻率來實現比例控制。
A: PWM代表脈沖寬度調制。它是一種通過控制輸出電流和電壓（功率）的開關方法。PWM放大器的輸出級是一個晶體管開關。通過控制導通時間和截止時間的比例來實現比例控制。開關的導通和截止頻率稱為PWM頻率，通常是固定的（從大約30 Hz到高達40 kHz——由電子電路設計者選擇），并且遠高于液壓機械系統能夠響應的頻率。因此，閥門和執行器響應的是平均電流，而不是瞬時電流。
例如，假設某個PWM閥驅動器的PWM頻率為100Hz。那么周期為0.01秒，即10毫秒。如果導通時間為2毫秒，截止時間為8毫秒，閥門將響應相當于最大值20%的輸入。我們稱之為“20%占空比"。如果導通時間和截止時間均為5毫秒，占空比則為50%，因此我們期望閥芯移動大約50%。
PWM已成為控制比例電磁鐵的功率放大方法，因為比例電磁鐵通常需要3到4安培的電流，甚至可能需要高達30瓦的功率。在不犧牲輸出功率的情況下減少放大器產生的熱量是一個巨大的節能措施。如果開關的導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，因為它使電磁鐵的機械可動部件保持持續振動，但又不至于使輸出執行器產生明顯的振動。
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，并且他預計這將正常工作。我們也有一個來自制造商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: 伺服放大器的一個不那么引人注目的現實是，它們比比例放大器要簡單得多。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動任何伺服閥。原因是大多數伺服閥使用力矩馬達作為其電磁執行器，因此它們只需改變電流方向即可改變方向。最重要的參數是放大器可以向力矩馬達提供的電流量相對于力矩馬達所需的電流量。
另一方面，大多數比例閥放大器必須適應LVDT（線性可變差動變壓器），這些裝置用于比例閥中的閥芯位置感應。LVDT是交流裝置，需要特殊的信號調節器，這些調節器提供高頻交流激勵（高達數千赫茲），然后對輸出進行解調，以產生與閥芯位置成比例的直流電壓。此外，許多比例閥有兩個電磁鐵，以實現閥芯向兩個方向的移動，因此電子電路必須引導信號，使一個極性的電流流向一個電磁鐵，而相反極性的電流流向另一個電磁鐵。
力矩馬達通常只需要不超過100毫安的電流，并且只需幾毫瓦的功率即可移動。底線是比例放大器必須與特定系列的閥門匹配，并且可能無法在其他閥門上工作。