第六章电液比例阀与比例控制回路(2015)

第六章电液比例阀及 比例控制回路6.1 概述本 章 介 绍6.2 电液比例阀 6.3 电液比例控制基本回路 6.4 电液比例控制工业应用6.1 概述从广义讲，凡是输出量，如压力、流量、位移、速度、加速 度等，能随输入信号连续地按比例地变化的控制系统，都称 为比例控制系统。

从这个意义上说，伺服控制也是一种比例 控制。

电液比例控制可以分为开环控制和闭环控制。

图6-1 电液比例开环控制系统方框图图6-2 电液比例闭环控制系统方框图目前，最常用的分类方式是按被控对象(量或参数)来进行分 类。

则电液比例控制系统可以分为： 比例流量控制系统 比例压力控制系统 比例流量压力控制系统 比例速度控制系统 比例位置控制系统 比例力控制系统 比例同步控制系统电液比例控制技术的发展动力1.传统的液压控制方式是开关型控制。

它通过电磁驱动或手动驱动来 实现液压流体的通、断和方向控制，从而实现被控对象的机械化和自 动化。

但是这种方式无法实现对液流流量、压力连续地按比例地控制 ，同时控制的速度比较低、精度差、换向时冲击比较大。

2.当需要高性能的速度或位置控制时，以前电液伺服阀曾经是唯一实 用的解决办法。

电液伺服阀是一种高技术条件的方向和流量控制阀， 不可避免地带来成本高、不耐污染、维修不便等问题。

在并不需要伺 服阀的全部性能潜力的应用场合，这些问题可能成为主要的缺点。

3.发展电液比例阀的主要目的在于填补从简单的通/断电磁阀控制与复 杂的电液伺服控制之间的空白。

虽然比例阀的部分性能指标不如伺服 阀，但对许多应用场合来已经够用了,同时可以体现出明显的成本和维 护优势。

伺服、 伺服、比例、 比例、开关元件性能对照表 电液伺服阀 介质过滤度µ 阀内压力降 （M Pa) 滞环 % 重复精度% 频宽HZ 线圈功率w 中位死区 1~3 0.5 20 ~ 200 0.05 ~ 5 无 1~3 0.5 1 ~ 30 10 ~ 24 有 4~7 ±1 1~5 10 ~ 30 有 有 3-10 7/21 电液比例阀 25 0.5 ~ 2 早期电液比例阀 25 0.25 ~ 0.5 开关阀 25 0.25 ~ 0.5比例控制系统发展第二次世界大战期间，由于以飞机、火炮等军事装备为对象的控制系统 ，要求快速响应、高精度等高性能指标，在这个背景下迅速发展了电液 伺服控制。

第一阶段： 第一阶段：1967年瑞士Beringer公司率先生产出KL型比例复合阀，标 志液压比例技术的诞生。

第二阶段： 第二阶段：从1975年到1980年，研制了耐高压的比例电磁铁，比例阀 的频宽已达5～15Hz，滞环缩小到3％。

第三阶段： 第三阶段：80年代以来：比例阀的性能如滞环、频宽等，同工业伺服 阀接近；比例技术同插装技术结合；同液压泵、液压马达等组合在一起 ，构成节能的比例容积器件。

远程控制 – 开关系统在开关系统中，为了调节液压缸活塞 运动速度，应将流量控制阀安装在合 适位置处，这表明工作油管与操作台 相连接。

远程控制 - 比例系统不过，在比例系统中，比例阀通过电信 号控制，即仅采用小功率电缆就可将操 作台与比例阀连接起来。

PLC 远程控制 – 比例系统当今机器控制通常采用电子控制器来实 现，而比例阀在液压系统与电子控制器 之间可提供一个简单接口。

比例压力控制在一台机器中，若使用比 例方向阀和比例压力阀， 则表明这台机器的液压功 能（运动和作用力）可由 电信号控制。

比例阀的最大优势就在于其电控能力，即通过电信号可无级控制其阀芯运动速根据电磁换向阀的通径大小和电源电压，其由于复位弹簧力比电磁力低，所以，电磁换向阀的断电响应时间稍微长一些（一般约为阀芯运动速度可控是非常有用的，这主要是因为其可以降低系统中的冲击，即通过控制执行元件的加速度和减加速度来达到此目的。

假设以宾馆中电梯为例，其采用开关式液压系统。

当电磁换向阀通电使电梯下降时，阀芯运动很快，这表明液压缸活塞很快加速到其最大速度（最大速度通过设定流量控制阀F来确定）。

电梯的这种突然启动会使乘客感到非常不舒服。

F同样，当电梯到达目的地时，因电磁换向阀的很快关闭，也会使电梯突然停止，从而再次使乘客感到不舒服。

在实际液压系统中，由执行元件的突然启停而产生的冲击还会造成压力尖峰，这也是容易引起系统泄漏的情况之一。

如果采用比例阀来替代电磁换向阀和流量控制阀，那么，电梯速度不仅可由电信号调节，而且还可以控制电梯的启停。

比例阀可以非常缓慢地开启，以使电梯平滑加速至最大速度。

同样，通过将阀芯缓慢移动至中位，也可以控制减加速度。

比例阀也可以通过控制施加于执行元件中的压力来控制执行元件的输出力（例如在压机或注塑机中）。

时间力在这种情况下，不仅需要控制执行元件的最大压力，而且还需控制施加或消除压力的速率。

时间力实际上，机器工作循环由一系列斜坡和保持周期组成，这些周期都可以通过比例阀来实现。

时间力在机器工作循环末段，对许多过程来说，压力下降速率也是非常关键的。

时间力因此，采用比例阀可以实现运动和力控制，且在有些场合，同一种比例阀既可用于运动控制，也可用于力控制。

这通常涉及到“PQ”控制，如控制压力(P)和流量(Q)。

此外，所有这些控制功能都可通过将电信号输入到比例阀上来实现，而比例阀具有与机器控制器相连接的简单接口。

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。

6.2 电液比例阀6.2 .1 电液比例阀类型控制功能分类比例压力控制阀比例压力控制阀、、比例流量控制阀比例流量控制阀、、比例方向阀和比例复合阀按压力放大级的级数分类为直动式为直动式(15L/min)(15L/min)(15L/min)和先导式和先导式和先导式(500L/min)(500L/min)按反馈/反馈物理量反馈物理量分类分类带反馈或不带反馈型/流量反馈流量反馈、、位值反馈和力反馈按主阀芯的型式按主阀芯的型式分类分类滑阀式和插装式(1600L/min)电液比例阀组成从电液比例阀的原理框图中可以看出，它主要有以下几部分组成：1）电—机械转换元件；2）液压先导级；3）液压功率放大级；4）检测反馈元件：目前，生产上应用的电—机械转换元件大多采用电磁式设计，并且利用电磁力与弹簧力相互平衡的原理，实现电—机械的比例转换。

最常见的有直流伺服电机直流伺服电机直流伺服电机、步进电机步进电机步进电机、力矩马达力矩马达力矩马达、动圈式力马达动圈式力马达动圈式力马达以及动铁式力马达。

后者更一般的称为比例电磁铁。

当前，应用最广泛的比例电磁铁是耐高压直流比例电磁铁。

对比例电磁铁的要求：对比例电磁铁的要求：推力大结构简单对油质要求不高维护方便成本低衔铁腔可做成耐高压结构典型的耐高压比例电磁铁主要由衔铁、导套、壳体线圈，推杆等组成。

导套前后二段由导磁材料制成，中间用一段非导磁材料（隔磁环）焊接。

导套具有足够的耐压强度，可承受35MPa静压力。

导套和壳体之间配置同心螺线管式控制线圈。

衔铁前端装有推杆，用以输出力或位移；后端装有由弹簧和调节螺钉组成的调零机构，可在一定范围内对比例电磁铁特性曲线进行调整。

图6-3 耐高压比例电磁铁1.导套；2.限位片；3.推杆；4.工作间隙；5.非工作间隙；6.衔铁；7.轴承环；8.限磁环电磁铁是一种依靠电磁系统产生的电磁吸力，使衔铁对外做功的一种电动装置。

其基本特性可表示为衔铁在运动中所受到的电磁力Fm 与它的行程x之间的关系，即Fm ＝f(x)。

这个关系称为吸力特性。

对比例电磁铁，要求它具有水平的吸力特性。

（吸合区不能用采用限位片隔离）(1) 电—机械转换元件工作区饱和区吸合区图6-4 比例电磁铁的静态吸力—位移特性1.比例电磁铁；2.普通电磁铁根据所承受的压力等级，可分为耐高压和不耐高压的比例电磁铁。

不耐高压的比例电磁铁一般只能承受溢流阀、方向阀等的回油腔压力。

根据所输出的运动参数，可分为直线运动的比例电磁铁和旋(2) 比例电磁铁的分类与应用转运动的比例电磁铁(角位移式)。

直线运动的比例电磁铁应用最为广泛。

根据参数的调节方式和它们与所驱动阀芯的联接形式，比例电磁铁可分为力控制型力控制型力控制型、行程控制型行程控制型行程控制型和位置控制型位置控制型位置控制型三种基本类型。

(2) 比例电磁铁的分类与应用力控制型比例电磁铁力控制型比例电磁铁的基本特性是电流—力特性。

在力控制型比例电磁铁中，衔铁行程没有明显变化时，改变电流I，就可以调节其输出的电磁力。

这类电磁铁的有效工作行程约为1.5mm。

由于行程较小，力控制型电磁铁的结构很紧凑。

可用于比例压力阀和比例方向阀的先导级，将电磁力转化为液压力。

图6-5 力控制型比例电磁铁原理图(2) 比例电磁铁的分类与应用力控制型比例电磁铁在工作区内，具有水平的 位移一 一力特性，即其输出 力只与输入电流/电压成比 例，而与位移无关。

力控制型比例电磁铁力—行程曲线力控制型比例电磁铁与阀芯的连接方式(2) 比例电磁铁的分类与应用行程控制型比例电磁铁行程控制型电比例磁铁是在力控制型比例电磁铁的基础上，将弹簧 布置在阀芯的另一端得到的。

电磁铁输出的力先通过弹簧转换成输出位 移, 输出位移与输入电流成正比。

使用行程调节型比例电磁铁，能够直 接推动诸如比例方向阀、流量阀及压力阀的阀芯，并将其控制在任意位 置上。

电磁铁的行程，因其规格而异，一般在3~5mm之间。

图6-6 行程控制型比例电磁铁原理图(2) 比例电磁铁的分类与应用位置控制型比例电磁铁 位置控制型比例电磁铁比例电磁铁衔铁的位置通过位移传感器检测，与比例放大器一起构成位 置反馈系统，就形成了位置调节型比例电磁铁。

只要电磁铁运行在允许的 工作区域内，其衔铁就保持与输入电信号相对应的位置不变，而与所受反 力无关，这类位置调节型比例电磁铁多用于控制精度要求较高的各类比例 阀上。

图6-7 位置控制型比例电磁铁原理图(2) 比例电磁铁的分类与应用位置控制型比例电磁铁 位置控制型比例电磁铁位置控制型比例电磁铁与阀芯的连接方式三种类型比例电磁铁的 三种类型 比例电磁铁的比较 比例电磁铁的比较6.2 .2比例压力控制阀１、按功能分为： 按功能分为：溢流阀、减压阀、顺序阀等。

２、按功率大小分为： 按功率大小分为：直动式、先导式。

３、按控制原理分为： 按控制原理分为：直接检测式、间接检测式。

４、按反馈方式分为： 按反馈方式分为：不带电反馈（普通型式）、压力 电反馈式、位移电反馈式。

５、按结构型式分为： 按结构型式分为：滑阀式、锥阀式、插装式。

比例压力控制阀应用最多的有比例溢流阀和比例减压阀，有直动型和先导两 种。

一、直动型比例溢流阀图6-8 直动式比例溢流阀 2.比例电磁铁；3.弹簧；4.阀芯；5.阀座；6.调零螺塞；7.阀体●控制功能比常规阀强，在系统中不但可稳定系 统压力为一定值，而且可根据工况要求无级调整 改变系统压力。