９８ 液压与气动 ２０１２年第３期 毛智勇 ，徐胜利 ，闵莉艳 Ｔｈｅ Ｖｉｅｗ ｏｆ Ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｐｒｏｐｏｔｉｏｎａｌ Ｓｅｒｖｏ Ｖａｌｖｅ ＭＡＯ Ｚｈｉ－ｙｏｎｇ ，ＸＵ Ｓｈｅｎｇ．．１ｉ，ＭＩ．Ｎ Ｌｉ—ｙａｎ （１．北京联合大学机电学院，北京１０００２０；２．北京伟世杰液压设备有限公司，北京１０００７０） 摘要：该文对国内外高频响电液伺服比例阀的发展进行了研究，并针对国外几种不同驱动方式的电液 伺服比例阀的工作原理和性能进行了比较。为在工业级液压伺服系统中采用抗污染能力强，运行可靠度高 的“高频响电液伺服比例阀”替代“喷嘴一挡板”式电液伺服阀的可能性提供了设计依据。 关键词：高频响电液伺服比例阀；液压伺服系统；展望 中图分类号：ＴＨ１３７．５文献标识码：Ｂ文章编号：１０００－４８５８（２０１２）０３－００９８－０３ ０ 引言 电液伺服阀具有体积小、功率放大率高、直线性 好、响应速度快、运动平稳可靠、能适应模拟量和数字 量调节等优点，在军用和民用工业设备的电．液伺服系 统中得到一定的应用。但是，由于电液伺服阀存在着 抗污染能力差（一般“喷嘴－挡板”式电液伺服阀油液 清洁度要求达到ＮＡＳ６级）、功率损失大、价格昂贵、系 统制造成本、维护使用成本较高等缺点，从而影响了系 统运行的可靠性和性价比。而早期的比例阀，仅是将 比例电磁铁代替普通液压阀的开关型电磁铁或调节手 收稿日期：２０１１－０９－２１ 作者简介：毛智勇（１９５４一），男，浙江奉化人，教授，主要从事 流体传动与控制的研究工作。 的轧制力。 各轧辊上的轧制力清零。 以０．０２ ｍｍ的行程继续压下。密切观察各轧辊 上的轧制力，若有轧制力达到１０ ｋＮ左右，即停止该轧 液压缸的零位标定，再作各机架中主液压缸的零位标 定。最后将标定机架推人空减机架位置，空减机各平 衡液压缸的标定原理同前述各机架中的平衡液压缸。 在各机架的主液压缸和平衡液压缸的零位标定完 成后，可进入下一步的辊缝调整。 ５结语 辊主液压缸的压下，直到每个轧辊上的轧制力均为 １０ ｋＮ左右时，各主液压缸全部停止压下。 记录该位置各主液压缸柱塞行程及作用在各轧辊 上的轧制力。 本文详细介绍了 １８０ＴＣＭ连轧管机的主液压缸 零位标定方法，按照上述方法，顺利实现了ｑ￣１８ＯＴＣＭ 连轧管机主液压缸的零位标定，现场实践证明该方法 准确可靠，在此基础上调整的辊缝值符合工艺要求。 控制各轧辊主液压缸，分别以０．０１ ｍｍ的行程继 续压下，至轧制力达到２Ｏ ｋＮ时，压下停止。 记录该位置各主液压缸柱塞行程及作用在各轧辊 上的轧制力。 为同类设备的调试提供有益参考。 参考文献： 依据该位置的记录数据，与理论数据相比较，修正 主液压缸的位移传感器读数，确定主液压缸的实际零 位。至此，五号机架的３个主液压缸零位标定完成。 如上所述，在五号机架标定完成后，依次将标定机 架推入四号、三号、二号、一号位，先进行各机架中平衡 ［１］ 雷天觉．液压工程手册［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，１９９０． ［２］ 成大先．机械设计手册［Ｍ］．北京：化学工业出版 社，２００２． ［３］ＧＢ／Ｔ ７８６．１－９３，液压气动图形符号［ｓ］． ２０１２年第３期 液压与气动 ９９ 柄，工作频宽小（一般仅达到１—２０ Ｈｚ），稳态滞环在 ４％一７％之间，零位死区大，不能很好地用于常运行于 零位附近的位置、力控制闭环系统，即使在放大器中设 电磁铁产生推力，推动阀芯产生一定的位移。同时，位 移传感器５产生一个与阀芯实际位移成正比的电信 号，该信号反馈至电子放大器６与输人指令信号进行 置了零位阶跃信号发生器，在性能上总不及无零位死 区的伺服阀，一般只适用于开环系统。 随着液压工业的发展，工业系统对液压闭环控制 比较，比较后得到的偏差信号将改变输入至比例电磁 铁的电流大小，使阀芯的位置偏差不断得到校正，直到 阀芯位移达到所需值。最后得到的阀芯位移与输入的 电信号成正比，从而以闭环方式实现阀的调节。因为 优化了集成电液系统，其优良的动态及静态特性可与 要求越来越高，在此技术背景下，出现了比例阀吸收伺 服阀的优点，在新的层面上形成了更高一级的比例阀 （也常被称为高频响比例阀或电液伺服比例阀）。 １高频响电液伺服比例阀的发展 伺服阀相比，而且同时保持了比例阀的典型优点：低敏 感性，低过滤要求，高可靠性以及高稳定性，容易维护 等特点。 ６ ２０世纪９Ｏ年代后，相继出现了带有多种内反馈 方式及电校正等手段的高频响比例阀或称电液伺服比 例阀，该类阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了极 大地提高。电液伺服比例阀在结构上具有如下特点： （１）利用大电流的比例电磁铁作为电一机械转换 器，控制电流可达１～２．７ Ａ； （２）采用伺服阀的阀芯阀套式结构， 级加工精 度，滞环接近伺服阀； （３）阀口压降与伺服阀一样，为供油压力的１／３； （４）阀口零遮盖，无零位死区，频响接近于伺服 阀，可以用于各种闭环系统； （５）由于不设前级“喷嘴．挡板”阀，使阀前油液清 １．阀体频率ｍ １一±１００％额定行程２一±５％额定行程 ａ）结构图 ２．阀芯３．阀套ｂ）频率特性曲线 ４．比例电磁铁 ５．反馈传感器６．集成电路放大器 图１ ＤＬＨＺＯ伺服比例阀 ２）美国派克公司Ｄ１ＦＰ系列伺服比例阀 洁度等级只需达到ＮＡＳ７级，可靠性大大优于普通伺 服阀。 与普通的比例阀相比，该阀驱动装置采用了动圈 驱动阀芯的最新技术（见图２）。在永久磁铁筒４的外 侧套有动圈３，并且与阀芯１的驱动端连接。当线圈 通电时，动圈将在永久磁铁筒上无摩擦的移动，并驱动 阀芯按电流的极性和大小在设定的位置中移动，阀芯 的实际位移将通过高分辨率的位置反馈传感器５送回 到集成电子控制器２中。由于该阀采用了带有ＶＣＤ 目前德国力士乐（Ｒｅｘｒｏｔｈ）公司、美国派克（Ｐａｒ． ｋｅｒ）公司、美国穆格（Ｍｏｏｇ）公司和意大利阿托斯 （Ａｔｏｓ）公司均有成熟的伺服比例阀产品，其动态特性 较普通比例阀大为改善，频宽可达４Ｏ～８０ Ｈｚ以上，并 且可达到滞环和重复精度小于０．１％的高稳态控制精 度。此型伺服比例阀解决了位置、力等要求无零位死 （音圈驱动技术）驱动器的最新专利技术，极大提高了 阀芯的动态特性。阀芯的位置反馈信号与指令信号在 集成电子控制器中进行比较，并通过调节后控制输入 动圈电流的大小，使阀芯的位置偏差不断得到校正，直 到阀芯位移达到所需值。最后得到的阀芯位移与输入 区的闭环控制，所以可以方便地用于绝大部分闭环 系统。 ２几种高频晌电液伺服比例阀的工作原理和特性 １）意大利阿托斯公司ＤＬＨＺＯ型伺服比例阀 图１为阿托斯公司提供的ＤＬＨＺＯ型伺服比例阀 结构及动态特性曲线图。阀芯２可在精密加工并淬硬 的阀套３内滑动，以获得精确的遮盖精度。滑套３被 压人阀体１内，阀芯２与集成感应式电子传感器（位置 反馈传感器）５连接并通过比例电磁铁４直接驱动。 比例阀与电子放大器６配合工作。当将一个与所期望 的阀芯位移成正比的电信号输人电子放大器６后，此 ａ）结构图 １．阀芯２．集成电子控制器ｂ）频率特性曲线 ３．动圈４．永磁铁筒 ５．位置反馈传感器６．推拉双弹簧组合 信号将转换成一个电流信号作用在比例电磁铁４上， 图２ Ｄ１ＦＰ系列伺服比例阀 ｌＯ０ 液压与气动 ２０１２年第３期 的电信号成正比。当供电中断时，阀芯将在双弹簧组 合６的作用下，移动到确定的起始位置。由于采用推 拉双弹簧组合与ＶＣＤ驱动器配合，该阀解决了现有 普通比例阀单向驱动的缺点，实现了双向阀芯比例 控制。 该阀驱动装置与传统比例阀驱动装置相比具有驱 动力大（可达１１０ Ｎ）、摩擦阻力小、运动质量小、线性 好、双向驱动、阀的动态响应高（可达４００ Ｈｚ）等特点， 其动态响应接近伺服阀的响应频率。由于具有极好的 动态特性，适用于极高精度的液压位置、压力、速度控 制系统。 ３）美国穆格公司Ｄ６３３系列伺服比例阀 该阀是一种由闭环阀芯位置控制和信号脉宽调制 控制联合控制的直驱阀。一般应用于高动态响应的电 液位置、压力、速度控制系统中。 阀芯驱动装置是由一个永磁直线马达驱动的（见 图３）。该直线马达由衔铁、永磁铁、比例线圈、定位弹 簧和连杆等元件组成。当线圈中没有电流信号通过 时，在永磁铁磁力线作用下，衔铁两侧气隙相等，衔铁 不移动，阀芯处于中位；当代表阀芯期望位置的信号输 入系统时，由集成电路放大器产生一个脉宽调制的脉 冲信号输入至比例线圈，由线圈和永磁铁共同产生的 磁场叠加，衔铁产生推力和轴向位移（见图４），并通过 推杆直接驱动阀芯移动，开启阀口。同时，在阀芯的另 一端通过连杆与位置传感器连接，该位移传感器产生 一个与阀芯位置成比例的电信号，该阀芯位置信号反 馈回集成放大器，与指令信号相比较得到阀芯位置误 差信号，这个误差信号驱动线性马达使之达到指令位 ±： 、 地 Ｖ ９０ ／ ，、、 ／， ／ ： ａ）结构图 ｂ）频率特性曲线 图３ １）６３３系列伺服比例阀 气隙 图４ Ｉ）６３３伺服比例阀永磁线－陛马达原理图 置，此时阀芯位置误差变为零。最终的阀芯位置与指 令信号成比例。 ， 在直线马达中，永磁体提供了部分所需的磁性力， 使得该直线马达对电能的需求低于一个功能类似的比 例电磁铁，具有电流消耗小、驱动力大等特点。 ３性能参数比较 见表１。 表１三种伺服比例阀性能比较 ＼＼＼比例阀类型 阿托斯公 派克公司 穆格公司 ＼ 性能参数＼ 司ＤＬＨＺＯ Ｄ１＼＼ 比例阀 系列伺服 伺ＦＰ系歹０ Ｄ６３３系列 例阀 服比 伺例阀 服比 最高工作压力［ＭＰａ］ ３５ ３５ ３５ 响应时间（０％一１００％ 行程）［ｍｓ］ ≤ｌ０ ＜３．５ ≤１２ 滞环［％］ ＜Ｏ．１ ＜０．０５ ＜０．２ 幅频：一３ｄＢ±５％信号 １４０ Ｈｚ ３５０ Ｈｚ ７０ Ｈｚ 相频：一９０。±５％信号 １３０ Ｈｚ ３４０ Ｈｚ ８５ Ｈｚ 油液清洁度ＩＳＯ４４０６ １８／１５ １６／１３ １５／１２ ４结论 （１）通过对以上三种电液伺服比例阀的性能比较 可以看出，目前国外的该类产品普遍采用了伺服阀的 阀芯阀套结构， 级加工精度，滞环接近伺服阀，阀口 零遮盖，无零位死区，频响接近于伺服阀，可以用于一 般工业级液压伺服闭环系统； （２）常规电液伺服阀对油液清洁度要求为ＮＡＳ６ 级，而电液伺服比例阀为ＮＡＳ ７级，阀前过滤精度为 １０～１５ 。因此，具有良好的抗污染能力及使用的可 靠性； （３）鉴于电液伺服比例阀良好的性能和使用可靠 性，可以对未来动态响应频率和控制精度要求不高的 工业级液压伺服系统考虑采用电液伺服比例阀替代 “喷嘴．挡板式”电液伺服阀。本文为这种设计或改进 提供了一个思路或依据，这有利于改善主机性能，降低 用油品级和过滤精度。对提高主机运行的可靠性无疑 具有一定的帮助。 参考文献： ［１］王春行．液压伺服控制系统（修订版）［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，２００４． ［２］吴根茂，等．新编实用电液比例技术［Ｍ］．浙江：浙江大学 出版社，２００６．