气动比例技术

第八章气动比例/ 伺服系统

8.1 电-气比例/ 伺服控制

8.1.1.概述

气动系统在自动化设备中的基本功能是按预定的设计要求，输出驱动或控制物理量。常见的气动系统输出驱动物理量，为直线气缸(摆动马达)的位置(摆角)、运动速度、作用力等。常见的气动系统的输出控制物理量，为气体的压力或流量。

这些输出量可分为断续式和连续式两大类。电-气比例/伺服控制技术，旨在实现连续式的驱动和控制输出。

利用电-气比例/伺服控制技术实现的连续式驱动或控制系统，其输出的驱动物理量，可以在设备的运行中根据设定量和当前量不断地进行调整，从而达到无级、连续可控目的。

比较早期的气动比例/伺服系统，大都采用机械控制方式（参考图4.4-21）。例如，将最终输出量转换为机械弹簧位移或气压信号，然后反馈至无级调节气阀，从而实现对输出量的连续控制。

随着现代电子工业的迅速发展，曾经比较广泛应用的纯气动、纯机械控制系统逐渐减少。而由数字电路、模拟电路实现控制，由气动执行元件输出驱动物理量的电－气一体化设备占有更大的优势，被越来越广泛地采用。因此，从这一意义上说，本章介绍的气动比例/伺服控制技术，更多的是电-气比例/伺服控制技术。

电-气比例/伺服控制系统出现的技术背景，一方面，自动化的覆盖面越来越广，从原先只应用于简单、重复的工艺过程扩大到复杂的工艺过程。另一方面，对自动化机器在性能和功能上都提出了越来越高的要求：机器的节拍时间更短，运动精度更高；要求能与计算机直接联接，从而更快和更准确地进行生产管理；并且由于产品的多样化使柔性生产设备得到越来越广泛的应用，这类设备要求能非常快捷地对之进行重新编程，以实现同一机器对不同种类或尺寸的工件进行加工，从而大幅度降低设备投资，并实现小批量产品的生产自动化。

采用气动比例/伺服控制系统，可以十分方便地实现设备的实时、多级和无级调节，降低设备生产节拍，提高设备寿命，实现柔性生产。

8.1.2 电-气比例/伺服控制系统的基本组成

图4.8-1表示了一个典型的气动比例/伺服控制系统的基本组成。由图可知，气动比例/伺服控制系统或电气比例/伺服控制系统主要由四部分组成，它们分别是：控制阀（比例控制阀）、气动执行元件、传感器、控制器（比例控制器）。

1．比例控制阀接受控制器发出的控制信号，并产生相应的气体流量或压力。因此，它的功能形式与控制器紧密相关。

随着现代电子技术的飞速发展，电子模拟、数字器件的性能不断改善，价格上不断降低，目前在实际应用的绝大部分设备中都采用电控制器。因此，比例控制阀的输入信号，大多为电压或电流信号。控制气阀的核心功能，便是将输入的电信号按一定的规律转换为气压或流量驱动量。可见，控制气阀在电-气比例/伺服控制系统中起了电-气接口作用。

伺服控制系统的最终控制量。由传感器输给控制器的电信号，又称为反馈信号。

4．比例控制器通常具备两方面功能，首先是实现闭环控制，即根据传感器测量信号和设定信号，按一定的控制规律计算并产生与控制气阀匹配的控制信号；其次是实现机器的工作顺序控制，产生系统输出量的设定值。控制器的实现方式有模拟式和数字式两种。

8.1.3 电-气比例/伺服控制系统的基本原理

电-气比例/伺服控制系统的实现原理、控制方法可以有许多种。从系统控制方式上，可分为开环控制和闭环控制两类；从控制气阀功能上，可分为开关式和连续式两类；从系统的最终输出量的物理形式，可分为压力控制系统、力控制系统、定位系统、速度控制系统等等。

1．开环控制系统不需要测量最终输出量的传感器。这时，控制器与气动执行元件间的信号流程是单向的，即控制器输出设定控制信号(电)，经控制气阀转换为气压或流量驱动信号，最后经气动执行元件产生输出功率。而气动执行元件的最终输出状态，反馈到控制器，因此，控制器输出的控制设定信号，不受执行元件的当前状态影响。开环控制系统的优点是，系统组成简单，不存在控制稳定性问题；其缺点是控制精度低。

2．闭环控制系统全部包含上述的四个部分，信号流程是：

控制器输出控制信号(电)，通过控制气阀输出气驱动信号(气)，并作用于气动执行元件输出功率(机械运动)。执行元件的当前状态，又通过传感器转换为电信号反馈到控制器，从而完成闭环控制回路。.

在以上的闭环回路中，控制器通过传感器输出的反馈信号，产生相应的控制信号，不断地纠正气动执行元件输出状态与希望状态的偏差。闭环控制系统的优点是，控制精度高，能减少气源压力、摩擦力、环境温度和其它因素变化对控制精度的影响，可以实现任意位置定位。在实际设计中，要注意的因素是系统的稳定性。

3．比例/伺服系统采用的控制气阀，可分为开关式和连续式两类。由开关式控制气阀组成的系统，有PCM（脉码调制）、PWM（脉宽调制）控制系统。为了保证系统的稳定性和控制精度，要求开关控制阀的频响较高。由连续式控制气阀组成的系统，通过连续控制信号控制执行机构，要求控制阀的线性较好。

8.2 组成电-气比例/ 伺服控制系统的基本元件

8.2.1．控制阀

气动比例技术的基本工作原理是，通过连续控制和调节气体的流动方向、流量或压力，实现被控对象的运动方向、位置、速度和力的控制。

在电-气比例/伺服控制系统中采用的控制阀，可以有以下几种：

高速开关阀；

比例/伺服流量阀；

比例/伺服压力阀。

控制气阀在气动比例/伺服控制系统中起电-气接口作用，因此，所有控制气阀都带有电机械转换器。

常用于高速开关阀的电机械转换器有：

电磁式；

压电式。

常用于比例/伺服阀的电机械转换器有：

比例电磁铁；

动圈式力马达。

上述各种电机械转换器的工作原理和结构，与液压阀上采用的类似，请参第三篇第三章。

在电液比例技术发展的初期，比例阀常用比例电磁铁作为电机械转换器，驱动功率大，加上其他多方面的因素，其动态性较差；而伺服阀采用动圈式力马达或动铁式力矩马达为电机械转换器，驱动功率小，加上其他多方面的原因，其动态性较好。电-气比例/伺服控制技术的发展，晚于电液比例伺服控制技术。其发展初期，人们套用电液比例技术，电-气比例阀与电-气伺服阀的区别，体现在结构和动态特性上：在结构上，根据配用电机械转换器来区分，凡配用比例电磁铁的，称为电-气比例阀；配用动圈式力马达的，称为电-气伺服阀；在性能上，根据阀的动态特性来区分，动态特性较差的为电-气比例阀；动态特性较好的，称为电-气伺服阀。

这种区分是在20世纪七十年代的技术条件下形成的。但随着现代电液比例/伺服技术的发展，出现了配用新型大电流比例电磁铁、无零位死区、高频响的电液伺服比例阀。比例阀与伺服阀的界限越来越模糊了（参见第三篇第三章）。电-气比例/伺服技术也有相似的发展，既经济、抗气源污染，又具有良好频响特性的各种新型气动控制阀不断涌现。在现今，如果仍然用传统的原则来区分电-气比例阀与伺服阀，必然会出现混乱。如本章将介绍的方向流量阀，配用比例电磁铁为电机械转换器，其频响可达到125Hz。按照传统的区分方法，该控制阀从结构角度，属于比例阀；但从动态性能角度，又属于伺服阀。为了避免概念上的混乱，参照电液控制技术中“电液伺服比例阀”的称呼，本手册在气动控制领域，称高频响的电-气控制阀为“电-气比例/伺服阀”。

8.2.1.1 比例/伺服流量阀

由于气体是可压缩介质，所以，一方面对气体流量的测量要比液体流量难；另一方面气体流量对气动执行元件运动速度的影响程度，也受压力、温度的直接影响。因此，气动比例/伺服流量阀的输出量，往往不直接是气体流量，而是阀的开口面积。

比例/伺服流量阀，从功能上可分为比例流量阀和比例方向流量阀。前者只有一个控制输出口，用于控制单作用执行元件或在一个系统中采用两个阀分别控制双作用执行元件的每一腔；后者则有两个输出控制口，可控制双作用执行元件。

1.比例/伺服方向流量阀