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电液比例伺服控制论文
课程名称电液伺服控制系统
教师姓名
研究生姓名
研究生学号
研究生专业机械工程
所在院系机电学院
类别:
B.硕士
日期:
2012年12月4日
评语
对课程论文的评语:
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注：
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摘要：
本文讲述了电液比例阀的分类及各类型详情，介绍了国内外电液比例阀厂家及其产品信息，并且对比例阀未来的发展趋势进行了展望。
关键词：
电液比例阀；分类；发展趋势
1.概念
电液比例阀是电液比例控制技术的核心和主要功率放大元件。
它以传统的工业用液压控制阀为基础，采用电一机械转换装置，将电信号转换为位移信号，按输人电信号指令连续、成比例地控制液压系统的压力、流量或方向等参数。
与伺服控制系统中的伺服阀相比，在某些方面还有一定的性能差距，但它显著的优点是抗污染能力强，大大地减少了由污染而造成的工作故障，提高了液压系统的工作稳定性和可靠性；另一方面比例阀的成本比伺服阀低，结构也简单，已在许多场合获得广泛应用。
2.比例阀分类及介绍
2.1比例阀分类
比例控制元件的种类繁多，性能各异，有多种不同的分类方法。
（1）根据用途和工作特点的不同，电液比例阀主要分为比例压力阀（比例溢流阀和比例减压阀）、比例流量阀（仅单方向控制液流的比例节流阀和比例调速阀）、比例方向阀（采用节流原理和流量控制原理在两个方向上控制液流的电液比例换向阀）和电液比例复合阀四类。
比例阀的输入单元是电-机械转换器，它将输入的电信号转换成机械量。
转换器有伺服电机和步进电机、力马达和力矩马达、比例电磁铁等形式。
电液比例换向阀不仅能控制方向，还有控制流量的功能。
（2）按液压放大级的级数来分，又可分为直动式和先导式。
直动式是由电一机械转换元件直接推动液压功率级。
由于受电一机械转换元件的输出力的限制，直动式比例阀能控制的功率有限，一般控制流量都在15L/min以下。
先导控制式比例阀由直动式比例阀与能输出较大功率的主阀级构成。
比例插装阀可以控制的流量达1600L/min。
（3）按比例控制阀的内含的级间反馈参数或反馈物理量的形式来分可分为带反馈或不带反馈型。
不带反馈型一类，是从开关式或定值控制型的传统阀上加以改进，用比例电磁铁代替手轮调节部分而成；带反馈型一类，是借鉴伺服阀的各种反馈控制发展起来的。
（4）按比例阀主阀芯的型式来分，又可分为滑阀式和插装式。
滑阀式是在传统的三类阀的基础上发展起来的；而插装式是在二通或三通插装元件的基础上，配以适当的比例先导控制级和级间反馈联系组合而成。
由于它具有动态性能良好，集成化程度高，流通量大等优点，是一种很有发展前途的比例元件。
（5）按其生产过程还可分为两类：
一类是在电液伺服阀的基础上简化结构、降低制造精度，从而以低频宽和低静态指标换得成本的低廉，用于对频宽和控制精度要求不高的场合。
另一类是在传统的液压阀基础上，配上廉价的螺管式比例电磁铁进行控制。
2.2比例阀各类简介
2.2.1比例压力阀
比例压力阀主要有比例溢流阀和比例减压阀等，其中比例溢流阀又分为直动式比例溢流阀和先导式比例溢流阀两种。
直动式比例溢流阀是一种带位置电反馈的双弹簧结构的直动式溢流阀。
它于手调式直动溢流阀的功能完全一样。
其主要区别是用比例电磁铁取代了手动弹簧力调节组件。
当电信号输入时，电磁铁产生相应的电磁力，通过弹簧座加在调压弹簧和阀芯上，并对弹簧预压缩。
此预压缩量决定了溢流压力。
而压缩量正比输入电信号，所以溢流压力也正比于输入电信号，实现对压力的比例控制。
先导式比例溢流阀的上部位先导级，是一个直动式比例溢流阀。
下部为主阀级，中部带有一个手调限压阀，用于防止系统过载。
当比例电磁铁通有输入信号电流时，它施加一个直接作用在先导阀芯上。
先导压力油从内部先导油口从外部先导油口X处进入，经流道口和节流后分成两股，一股经节流孔作用在先导阀芯上，另一股经节流孔作用在阀芯上部。
只要A油口压的压力不足以使导阀打开，主阀芯的上下腔的压力就保持相等，从而主阀芯保持关闭状态。
这是因为主阀芯上下有效面积相等，从而主阀芯保持关闭状态。
这是因为主阀芯上下有效面积相等，而上面有一个软弹簧向下施加一个力，使阀芯关闭。
2.2.2比例流量阀
比例流量阀有比例调速阀和比例溢流流量控制阀两种，可连续地或按比例地远程控制其输出流量。
比例阀的输入单元是电-机械转换器，它将输入的电信号转换成机械量。
转换器有伺服电机和步进电机、力马达和力矩马达、比例电磁铁等形式。
但常用的比例阀大都采用了比例电磁铁，比例电磁铁根据电磁原理设计，能使其产生的机械量（力或力矩和位移）与输入电信号（电流）的大小成比例，再连续地控制液压阀阀芯的位置，进而实现连续地控制液压系统的压力、方向和流量。
比例电磁铁的结构由线圈、衔铁、推杆等组成，当有信号输入线圈时，线圈内磁场对衔铁产生作用力，衔铁在磁场中按信号电流的大小和方向成比例、连续地运动，再通过固连在一起的销钉带动推杆运动，从而控制滑阀阀芯的运动。
应用最广泛的比例电磁铁是耐高压直流比例电磁铁。
早在20世纪60年代末就出现了比例电磁铁直接驱动的单级比例节流阀，这种阀由于受电一机械转换器输出力及行程的限制和稳态液动力的影响，只适用于小流量场合。
直动式比例阀的最大优点是其动特性几乎与工作压差无关，所以它可在很低的工作压差下工作。
当负载需求的流量较大时就必须采用先导式结构。
20世纪80年代后期，国外首先出现了位移电反馈型三通比例节流阀阴。
这种阀能对两个方向的油液进行控制，只用一个阀就可以控制差动液压缸的双方向动作。
此外，美国穆格（M009）公司利用压力电反馈和位移电反馈技术研制出比例方向、压力和流量阀阅，能同时对负载腔压力和节流口开度进行精确控制。
2.2.3比例方向阀
电业比例方向阀是一种具有液流方向控制功能和流量控制功能的负荷阀。
在压差恒定的条件下，通过它的流量与输入电信号成比例，而流动的方向取决于比例电磁铁是否受到刺励。
常见的有二位四通和三位四通滑阀式。
利用插装式元件组成比例方向阀需要较多的元件，制造和控制都较为复杂。
有直动和先导两种结构，直动阀有带位移传感器和不带位移传感器两类。
由于使用了比例电磁铁，阀芯不仅可以换位，而且换位的行程可以连续地或按比例地变化。
因而连通油口间的通流面积也可以连续或按比例地变化。
所以比例换向阀不仅能够控制执行元件的方向，而且能够控制其速度。
因为这个原因比例阀中的比例换向阀应用也最为普遍。
2.2.4电液比例复合阀
从广义上说，把两种以上不同的液压功能复合在一个上所构成的液压元件可称为复合阀。
若其中至少有一种功能可以实现电液比例控制，这样的阀称作电液比例复合阀。
因此比例复合阀具有多种控制功能。
从上面的定义看，最简单的比例复合阀是比例方向阀。
它复合了方向与流量控制两种功能。
如果进一步把比例方向阀与定差溢流阀或定差减压阀组合就构成了传统的比例复合阀。
且参与复合的比例方向阀的联数可以不只一联。
电液比例复合阀主要有压力补偿型电液比例复合阀和比例压力/流量复合阀两种。
把一个以上的比例方向阀与定差减压阀串联就称为定差减压型比例复合阀，它具有双向比例调速功能加换向功能。
比例方向阀与定差溢流阀并联就构成定差溢流型比例复合阀。
它除了具有减压型复合阀的功能外，还有压力跟随负载变化的作用，因此，这类阀使用时不需要用溢流阀。
电液比例压力/流量复合阀有时被称为比例功率调节阀。
它是由先导式比例溢流阀与比例节流阀组成的一个复合阀。
比例溢流阀的主阀同时再复合阀中兼作三通压力补偿器，为比例节流阀进行压力补偿，从而获得较稳定的流量。
3.国内外比例阀厂家生产产品的信息
3.1国外比例阀厂家生产产品的信息
3.1.1美国的派克汉尼汾公司
Parker派克汉尼汾公司下属的液压集团是全球领先的为工业及工程机械设备制造商和使用者提供液压元件的集团。
它设计、生产和销售品种齐全的各种产品，广泛应用于运动和控制方面的液压系统。
下面介绍一下这个公司的产品。
（1）Parker派克直动式比例换向阀D*FW/D*FT系列
公称尺寸为CETOP3和CETOP5的直动式（D*FW）换向阀系列是一种用于流量控制的比例阀。
该阀（D*FW）采用PWD-400/PCD-400功率放大器进行电控或将集成的电子元件插装在阀上组成一体（D*FT）。
典型的应用是：
通过调节斜坡信号可使阀芯柔和换向，以此来减小液压冲击和机械冲击，通过电气方式调节流量/速度可实现机械功能自动化。
（2）Parker派克TDA系列比例节流阀
Parker派克TDA系列比例节流阀是由三级组成。
阀锥由座阀结构的伺服阀芯进行先导控制。
带力反馈的比例电磁阀调节伺服阀芯的位置。
因此阀锥的位置不会受到压差的影响。
压差可以达到最大的工作压力。
先导控制的控制油流量大约为1 l/min。
工作的最低压力为3 bar。
控制压力必须大于A口处系统压力的25％。
流量的调节精度为0.5％。
由于流量特性曲线是渐进的，因此当小流量时，该调节精度在渐进区域内被改善为0.25％。
整个行程的调节时间大约为25ms。
当油液由B向A流动时，在关闭的初始位置上由B向A不能有泄漏。
在该初始位置上先导控制不需要控制油。
回油口T的压力不能高于100 bar。
（3）Parker派克D41FH系列先导式比例换向阀
此系列先导式比例换向阀被用于控制流量。
该阀具有集成的电子元件，主级的阀芯位置可调。
典型的应用是：
流量控制精确和可实现流量调节，在快速/低速特性下的工作运行带有阀芯位置监控用于：
压力机控制，动态位置调节和压力/流量闭环系统。
技术特性：
泄漏量小，高频响，通油能力大，准确的故障状态诊断，零遮盖阀的机械式零点调节，高强度，阀芯位置的位移反馈，可选择阀芯位置行程监控。
3.1.2德国力士乐公司
德国力士乐（Rexroth）公司曾经开发的紧凑型IRC-R高频响比例阀集合了外置闭环控制器几乎所有的功能，它配置了Profibus-DP或者CANopen总线。
通过上位机通过现场总线与液压控制器实时通讯，并带有诊断界面和模拟量通道。
从而使比例阀由系统的执行器一跃成为系统的智能控制器和执行器于一身，实现比例阀新的飞跃。
德国rexroth比例阀VT-NE30-2X是螺纹将电磁比例插装件固定油路集成块上元件，螺旋插装阀具有应用灵活、节省管路和成本低廉等特点，近年来工程机械上应用越来越广泛。
常用螺旋插装式比例阀有二通、三通、四通和多通等形式，二通式比例阀主比例节流阀，它和其它元件一起构成复合阀，对流量、压力进行控制；三通式比例阀主比例减压阀，也是移动式机械液压系统中应用较多比例阀，它主要对液动操作多路阀先导油路进行操作。
利用三通式比例减压阀可以代替传统手动减压式先导阀，它比手动先导阀具有更多灵活性和更高控制精度。
可以制成比例伺服控制手动多路阀，不同输入信号，减压阀使输出活塞具有不同压力或流量进而实现对多路阀阀芯位移进行比例控制。
四通或多通螺旋插装式比例阀可以对工作装置实现单独控制。
3.1.3德国雅歌辉托斯的电液比方向阀
德国Argo-Hytos公司专注于控制技术已经有50多年的历史。
主要产品各种电磁阀（插装阀、比例阀、换向阀、叠加阀、、、等）、动力单元、以及与其相关的电子控制元件。
其生产的PRM2-063Z11/30-24EK比例方向阀包括铸铁阀体，专用控制阀芯，两根对中弹簧及其支撑垫圈和一至二个比例电磁铁。
内部装有一或二块电控版的控制盒，可以安装在任一电磁铁上，其中电控版数目与电磁铁数目相同。
对于带两个电磁铁型号，则控制盒与另一电磁铁插座面对面布置，通过DIN接头，两芯电缆和套管连接。
控制盒通过一个四针接头连接电液和控制信号，型号为M12X1。
电磁铁线圈包括控制盒，可以在轴上正负90度内转动。
该电控单元输出到电磁铁的电流控制信号变化，电磁铁推动阀芯的位移与控制电流成比例。
电控单元提供了一下的调节能力：
偏置，增益，斜坡多发生器的上升、下降时间，颤振信号发生器的副值和频率。
各个功能以LED指示灯标示。
为用户提供正10V的稳定电源，使用这些电压时，电压控制信号由大于等于1K欧的电位器引出。
电控版的电压或电流控制模式转换，由SU3的开关位置确定。
阀体表面磷化处理，电磁铁线圈表面镀锌处理。
-
3.1.4日本油研（Yuken）公司的电液比例压力控制阀
日本油研（Yuken）公司推出的闭环控制电液比例节流阀（ELFBG系列，例如：
ELFBG-03-125-C-E-10），它采用小型比例电磁铁配合线性位移传感器，直接检测流量阀芯的位移并反馈到控制系统，根据系统要求调整校正输出量，从而实现高响应、高精度和高性能的闭环控制。
这种阀的材质为铸件、压力:
25、口径:
20、温度:
-15-70、滞环<0.5%、重复误差<0.5%、响应时间<15ms。
日本油研/EFBG-06-250-C-E-5114。
该阀是一种节能型压力流量控制阀，可为执行元件的工作提供必须的最小压力和流量，由于此阀能根据负载压力，并使压差保持最小来控制工作油泵的压力，所以是一种低耗能的比例控制阀；此外，该阀具有温度补偿功能，能使流量稳定而不受油温影响。
日本油研电液比例阀规格见表10。
表10日本油研电液比例阀规格
类型
比例阀
材质
铸铁
型号
EFBG-06-250-C-E-5114
品牌
日本油研
适用范围
注塑机械和工业自动化设备
产品别名
比例阀
适用介质
液压油
适用温度
-15-70（℃）
公称压力
25（MPa）
公称通径
32（mm）
3.1.5日本不二越公司的电液比例溢流阀
不二越公司在引进美国SANDERS公司的伺服阀及MAXI阀的基础上发展了一种电液比例滋流阀。
其结构的主滑阀体部分与普通溢流阀的主滑阀体部分完全相同，而先导级采用了电液比例压力控制阀。
后者的力马达借用马克西阀（MAXI）的力马达结构即悬挂式电磁铁；先导控制付由喷嘴及与力马达刚性联接的挡板所组成。
该阀的外形与该公司的电磁溢流阀极为相象，即在普通电磁溢流阀上端取去电磁换向阀改装电液比例压力先导阀，保留手调先导阀作安全保险用。
据介绍，此种电液比例溢流阀的特点如下:
（1）可容易地以微小电气信号控制系统压力；
（2）从初始压力至额定压力可连续地、高精度地进行控制，
（3）由于使用电气信号进行控制，所以可用于遥控及程序控制，并易于实现自动化和省力化，
（4）阀的响应速度快，从初始压力至额定压力只需几十毫秒的响应时间，
（5）因采用喷咀一挡板作为先导级，所以可防止切换时的压力超调和噪音，
（6）借用普通的电磁溢流阀的阀体，所以可很容易地组装成新的电液比例溢流阀。
（7）系统只需装置20~40协的滤油器即可。
3.1.6德国SperryVickers公司的电液比例压力控制阀
该阀的结构安排大体上与日本不二越公司的结构相同，挡板直接与力马达铁芯上的推杆固联，但力马达是非悬挂式的。
该阀有三个规格:
63，160，及250巴三种额定压力。
力马达是通用的，使用电压为触伏，最大电流为0mA。
若直流电源中叠加一个小振幅的交流电压，则可使力马达铁芯有一微小振动，从而减少直线轴承中的粘滞摩擦力，滞环可减到士1.5。
当阀流量为3升/分时，压力从3至160巴的阶跃响应时间为60毫秒，若以该阀控制一个主阀，其流量为100升/分，则由于主阀阀芯质量的影响，根应的响应时间为80毫秒。
3.1.7DENISON丹尼逊4DP03系列先导式比例换向阀
DENISON丹尼逊4DP03系列先导式比例换向阀Cetop为07，最大流量为200l/min，最大压力为350bar，磁滞重复性不大于5.0％。
另有：
4DP06型先导式比例换向阀Cetop为08，最大流量为400l/min，最大压力为350bar，磁滞重复性不大于5.0％。
3.2国内比例阀厂家生产产品的信息
3.2.1广州机械科学研究院
广州机械科学研究院原名广州机床研究所，是国内液压产品技术归口单位之一，四十多年来，一直从事液压系统、液压元件、电液比例与电液伺服技术、液压元件与系统的试验设备、液压污染控制技术、液压专机的开发研制以及国家科技攻关项目的研究，在国内液压行业享有较高的知名度。
广研系列电液比例阀包括电液比例压力阀，电液比例流量阀、电液比例方向阀，电液比例复合阀及其配套的电子控制器。
比例压力阀的控制压力范围是0.25-3l.5MPa。
比例流量阀的流量控制范围0.1-100 L／min。
其主要技术参数如下：
滞环误差：
<±1.5％；线性度：
±3.5％；频宽：
6-22Hz；重复误差：
1% 。
3.2.2沈阳劳耐士液压件有限公司
沈阳劳耐士液压件有限公司，是原中国轻工业部唯一定点生产液压元件企业，前身是沈阳市轻机液压件厂。
创建于1972年，2001年改制为股份制的民营企业。
它的比例阀产品主要有以下三个系列。
EDG型直动式比例溢流阀：
本元件由小型比例电磁铁与直动式溢流阀构成，应用与小流量液压系统或作为比例控制阀的先导阀，亦可作为液压系统的远程控制，按输入电流的大小成比例地控制液压系统压力，可以简化液压系统，更便于液压系统的自动化控制。
EBG型电液比例溢流阀：
本元件由EDG型直动式比例溢流阀与先导式溢流阀组合而成，可按输入电流的大小成比例地控制液压系统压力；此阀具有噪音低，通过流量大，调节精度高，响应快，适用范围广，使用寿命长等优点，广泛适用于注塑机，压铸机，液压机床，NC数控机床等高性能自动化机器设备中。
EFBG型电液比例压力流量控制阀：
本元件是由比例压力阀与进口节流的比例节流阀复合而成的压力流量控制阀，能够实现系统压力与负载压力相匹配，能够实现在最小的系统压力下，供给执行元件所需的流量，同时由于它的调节功能，可使油泵的压力跟踪负载压力，以达到节省能源，稳定控制系统压力和流量的优点，在功率变化越大的工作环境，更显示出该元件的优良性能，广泛适用于注塑机，压铸机，液压机床，NC数控机床等高性能自动化机器设备中。
其中一些型号和规格的详细描述见表1—表4。
表1电液比例先导溢流阀edg-01型号说明
edg
-01
-h
-
系列号码
规格
压力等级Mpa
安全级
电液比例先导溢流阀
01：
3通径
b：
0.5∼7.0
c：
1.0∼16
h：
1.2∼24.5
无：
带安全阀型（标准型）
t：
无安全阀型
表2电液比例先导溢流阀edg-01规格表
型号
最高使用压力mpa
最大流量L/min
最小流量L/min
压力等级Mpa
额定电流mA
线圈
电阻
滞环
重复精度
重量kg
edg-01
24.5
2
0.3
b：
0.5∼7.0
c：
1.0∼16
h：
1.2∼24.5
b：
800
c：
900
h：
950
10
小于3%
1%
2
表3EFBG电液比例压力流量控制阀规格表
型号
EFBG-03
EFBG-06
EFBG-10
最高使用压力Kg/cm3
250
250
250
最高流量l/min
125-160
250-320
500
流量调整范围l/min
1-160
2-320
5-500
流
量
控
制
额定电流mA
750
750
750
阀内内部阻抗Kg/cm3
5
5
5
线圈电阻
40
40
40
磁滞
小于7%
小于7%
小于7%
再现性
小于1%
小于1%
小于1%
压
力
控
制
压力调节范围Kg/cm3
C:
140H:
250
C:
140H:
250
C:
140H:
250
额定电流mA
C:
750H:
700
C:
750H:
700
C:
750H:
700
线圈电阻
10
10
10
滞环
小于3%
小于3%
小于3%
重复精度
1%
1%
1%
重量Kg
16
30
60
3.2.3上海科先企业发展有限公司
该公司生产的SBDH系列高性能比例伺服阀，是直动式带滑套结构，带LVDT位置传感器，根据输入的电信号提供方向控制及无压力补偿的流量控制。
该种比例伺服阀是利用滑阀结构的阀芯在精密加工并淬硬的滑套内滑动，以获得最高的遮盖精度。
滑套被压入五腔阀体内，阀芯由集成有感应式位移传感器的比例电磁铁进行位置闭环控制。
其优良的动静态特性可以和传统的伺服阀相比，而且保留了比例阀的典型优点：
耐污染、低敏感、本质的稳定性及高的可靠性。
阀安装面：
ISO4401标准6通径和10通径
最大流量：
在压降ΔP=70bar时，分别达到40L/min和100L/min
最大压力：
350bar
其型号说明和液压特性表分别见图1和下表。
图1型号说明
液压特性表（注：
括号内的泄漏是非线性调节的阀）
4.发展趋势
4.1超高速电液比例阀
传统电液比例阀是以比例电磁铁作为驱动装置的电-液信号转换元件，虽然其结构坚固，抗污染能力较强，价格较为低廉。
但存在着运动部件体积惯量大（两端对置），支撑部位多，摩擦力大、线性度差等固有弊病。
为此，提高电液比例阀的性能指标如频响、线性度和负载能力等，有助于提高电液比例控制系统的整体特性，这也是电液比例阀技术的发展趋势。
超高速电液比例阀能实现液压控制系统液流方向和流量的控制功能，满足系统高速、高精度、大流量、低成本、抗污染的综合要求。
超高速电液比例阀是采用动圈式电-机械转换器作为驱动装置的电-液信号转换元件，控制性能很好，某些性能指标达到甚至超过了电液伺服阀，尤其是在频率响应方面更优越，可达300Hz以上。
另一方面，与传统伺服阀不同，其中不存在喷嘴一类的细小节流口，故抗污染能力强，无需高成本的过滤措施，工作可靠性高。
因此研制性能优良、结构简单、工作可靠、成本低廉、能同时为生产厂家和用户欢迎的超高速电液比例阀，对推动整个液压技术领域的向前发展具有重要的理论意义和实用价值。
4.2电液伺服比例阀
随着液压工业的发展，一般工程系统对闭环控制要求逐渐升温，而比例阀不能很好用于常运行于零位附近的位置、力控制闭环，即使在放大器中设置了阶跃信号发生器，在性能上总不及无零位死区的伺服阀。
同时，原来伺服阀加工精度要求高的缺陷和要求系统油液过滤精度高的矛盾逐渐淡化；对电控器来讲，处理大电流的技术水平大为提高，为使用大电流、高可靠性的比例电磁铁提供了前提条件。
在这样的技术背景下，在一般比例技术与伺服技术之间，出现了新的层面上吸收两者优势而形成的更高一级的比例阀，也常被称为电液伺服比例阀。
电液伺服比例阀利用大电流的比例电磁铁作为电-机械转换器，控制电流可达1~2.7A；首级采用伺服阀的阀芯阀套；（首级、主级）阀口零遮盖；首级阀口压降与伺服阀一样，为供油压力的1/3，如有二级，则二级阀口压降保留比例阀水平（0.5~0.7MPa）[2]。
这种伺服比例阀无零位死区，可以用于各种闭环系统，因而加工精度与过滤精度要求与伺服阀相同；频响较一般比例阀高，可靠性比普通伺服阀高。
因此具有较为广泛的发展前景。
参考文献：
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升级会员 