電氣比例閥、伺服閥的工作原理

電氣比例閥和伺服閥按其功能可分為壓力式和流量式兩種。壓力式比例/伺服閥將輸給的電信號線性地轉換為氣體壓力；流量式比例/伺服閥將輸給的電信號轉換為氣體流量。由于氣體的可壓縮性，使氣缸或氣馬達等執行元件的運動速度不僅取決于氣體流量。還取決于執行元件的負載大小。因此精確地控制氣體流量往往是不必要的。單純的壓力式或流量式比例/伺服閥應用不多，往往是壓力和流量結合在一起應用更為廣泛。

電氣比例閥和伺服閥主要由電---機械轉換器和氣動放大器組成。但隨著近年來廉價的電子集成電路和各種檢測器件的大量出現，在1電---氣比例/伺服閥中越來越多地采用了電反饋方法，這也大大提高了比例/伺服閥的性能。電---氣比例/伺服閥可采用的反饋控制方式，閥內就增加了位移或壓力檢測器件，有的還集成有控制放大器。

一、滑閥式電氣方向比例閥

流量式四通或五通比例控制閥可以控制氣動執行元件在兩個方向上的運動速度，這類閥也稱方向比例閥。圖示即為這類閥的結構原理圖。它由直流比例電磁鐵1、閥芯2、閥套3、閥體4、位移傳感器5和控制放大器6等贊成。位移傳感器采用電感式原理，它的作用是將比例電磁鐵的銜鐵位移線性地轉換為電壓信號輸出。控制放大器的主要作用是：

1）  將位移傳感器的輸出信號進行放大；

2）  比較指令信號Ue和位移反饋信號Uf，得到兩者的差植  U；

3）  將 U放大，轉換為電流信號I輸出。此外，為了改善比例閥的性能，控制放大器還含有對反饋信號Uf和電壓差 U的處理環節。比如狀態反饋控制和PID調節等。

帶位置反饋的滑閥式方向比例閥，其工作原理是：在初始狀態，控制放大器的指令信號UF=0，閥芯處于零位，此時氣源口P與A、B兩端輸出口同時被切斷，A、B兩口與排氣口也切斷，無流量輸出；同時位移傳感器的反饋電壓Uf=0。若閥芯受到某種干擾而偏離調定的零位時，位移傳感器將輸出一定的電壓Uf，控制放大器將得到的  U=-Uf放大后輸出給電流比例電磁鐵，電磁鐵產生的推力迫使閥芯回到零位。若指令Ue>0，則電壓差   U增大，使控制放大器的輸出電流增大，比例電磁鐵的輸出推力也增大，推動閥芯右移。而閥芯的右移又引起反饋電壓Uf的增大，直至Uf與指令電壓Ue基本相等，閥芯達到力平衡。此時。

Ue=Uf=KfX(Kf為位移傳感器增益)

上式表明閥芯位移X與輸入信號Ue成正比。若指令電壓信號Ue<0，通過上式類似的反饋調節過程，使閥芯左移一定距離。

閥芯右移時，氣源口P與A口連通，B口與排氣口連通；閥芯左移時，P與B連通，A與排氣口連通。節流口開口量隨閥芯位移的增大而增大。上述的工作原理說明帶位移反饋的方向比例閥節流口開口量與氣流方向均受輸入電壓Ue的線性控制。

這類閥的優點是線性度好，滯回小，動態性能高。

二、滑閥式二級方向伺閥

下圖所示為一種動圈式二級方向伺服閥。它主要由動圈式力馬達、噴嘴擋板式氣動放大器、滑閥式氣動放大器、反饋彈簧等組成。噴嘴檔板氣動放大器做前置級，滑閥式氣動放大器做功率級。

這種二級方向伺服閥的工作原理是：在初始狀態，左右兩動圈式力馬達均無電流輸入，也無力輸出。在噴嘴氣流作用下，兩擋板使可變節流器處于全開狀態，容腔3、7內壓力幾乎與大氣壓相同。滑閥閥芯被裝在兩側的反饋彈簧5、6推在中位，兩輸出口A、B與氣源口P和排氣口O均被隔開。

當某個動圈式馬達有電流輸入是（例如右側力馬達），輸出與電流I成正比的推力Fm將擋板推向噴嘴，使可變節流器的流通面積減小，容腔6內的氣壓P6升高，升高后的P6又通過噴嘴對檔板產生反推力Ff。當Ff與Fm平衡時，P6趨于穩定，其穩定值乘以噴嘴面積Ay等于電磁力。另一方面，P6升高使閥芯兩側產生壓力差，該壓力差作用于閥芯斷面使閥芯克服反饋彈簧力左移，并使左邊反饋彈簧的壓縮量增加，產生附加的彈簧力Fs，方向向右，大小與閥芯位移X成正比。當閥芯移動到一定位置時，彈簧附加作用力與7、3容腔的壓差對閥芯的作用力達到平衡，閥芯不在移動。此時同時存在閥芯和擋板的受力平衡方程式：

Fs=KsX=(P6-P5)Ax

Ff=P6Ay=KiI

KS----反饋彈簧剛度

Ax----閥芯斷面積

Kf----動圈式力馬達的電流增益。

在上述的調節過程中，左側的噴嘴擋板始終處于全開狀態，可以認為P5=0，代入后整理上述兩式可得

X=(AxKi/AyKs)*I

閥芯位移與輸入電流成正比。當另一側動圈式馬達有輸入時，通過上述類似的調節過程，閥芯將向相反方向移動一定距離。

當閥芯左移時，氣源口P與輸出口A連通，B口通大氣；閥芯右移時，P與B通，A口通大氣。閥芯位移量越大，閥口開口量也越大。這樣就實現了對氣流的流動方向和流量的控制。

這類閥采用動圈式馬達，動態性能好，缺點是結構比較復雜。