對(duì)于液壓伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，保持機(jī)構(gòu)的高速度和高精度是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本條件。為了實(shí)現(xiàn)這一要求，該如何選用控制閥？
使用線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，從應(yīng)用所需的行程長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)時(shí)間角度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)先從確定缸徑大小入手。
選用伺服閥還是比例閥？?jī)烧叩闹饕獏^(qū)別是驅(qū)動(dòng)閥芯移動(dòng)的方式。比例閥使用電動(dòng)線圈和磁鐵，與典型的音頻揚(yáng)聲器所用的音圈(發(fā)音線圈)類似，屬于直接驅(qū)動(dòng)閥芯。
典型液壓伺服閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)
而伺服閥則是使用小型力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)液壓油路，依靠液壓力帶動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)(先導(dǎo)控制)。
伺服閥和比例閥響應(yīng)速度上的差異主要是由于作用在閥芯的驅(qū)動(dòng)力不同所引起的。由于伺服閥的液壓力與閥芯質(zhì)量的比例關(guān)系，伺服閥的響應(yīng)速度一般要快于比例閥(盡管有些比例閥已接近伺服閥的響應(yīng)時(shí)間了)。比例閥必須輸出足夠的力來(lái)推動(dòng)閥芯、內(nèi)置的LVDT和電磁線圈，還要來(lái)克服彈簧的置中力。
先導(dǎo)伺服閥加工精度高，結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)有小孔徑的先導(dǎo)控制油口，使得這類伺服閥的價(jià)格更高，同時(shí)更容易被污染。在許多實(shí)際應(yīng)用中，這些缺點(diǎn)使人們更傾向于使用比例閥。不過(guò)伺服閥仍有自身的市場(chǎng)。例如在大流量工況下，由于系統(tǒng)壓力可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)閥芯并克服液動(dòng)力，伺服閥性能更好。在這些工況下，因?yàn)樗欧y響應(yīng)更快，響應(yīng)的線性特性更好(因此便于操縱)，伺服閥是更安全的設(shè)計(jì)選擇，而且其運(yùn)作也更高效。 在某些工況下，比例閥無(wú)法提供足夠的力來(lái)克服大流量下產(chǎn)生的液動(dòng)力(伯努利力)。此時(shí)，閥會(huì)瞬時(shí)失控，直至液動(dòng)力下降為止。在出現(xiàn)故障時(shí)，在排除故障時(shí)，人們常常傾向于懷疑控制裝置而不是閥本身有問(wèn)題。這時(shí)使用示波器等診斷工具來(lái)記錄控制信號(hào)波形、閥芯位移、以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移等參數(shù)，就會(huì)很有價(jià)值。 我們可以使用多級(jí)閥來(lái)解決與液動(dòng)力有關(guān)的問(wèn)題，用小型先導(dǎo)閥的液流來(lái)控制主閥閥芯的位移。但由于存在相位延時(shí)，多級(jí)控制閥價(jià)格較高，控制環(huán)節(jié)更多，響應(yīng)時(shí)間也往往更長(zhǎng)。不過(guò)為了使主閥芯快速運(yùn)動(dòng)，大型閥需要的力要比單靠電磁線圈提供的力要大。這種情況下，先導(dǎo)閥通過(guò)導(dǎo)入油壓來(lái)直接而快速地推動(dòng)主閥芯，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的性能。
非線性滑閥有許多種，也有許多名稱。最常見(jiàn)的是封閉中心閥芯，又稱正重疊或負(fù)開口閥芯，它有明顯的“死區(qū)” 或零收益區(qū)。原因是在控制電流較小的情況下，不會(huì)有液壓油通過(guò)閥口。
負(fù)開口閥的工作特性曲線
高頻響噴嘴擋板式伺服閥
比例閥因其閥芯位移與控制電流強(qiáng)度呈正比而得名，但是流量卻不一定成比例。比例閥有許多不同的閥芯類型，選擇合適的閥芯，是保證系統(tǒng)性能最優(yōu)化的關(guān)鍵。從位置控制和壓力/力控制角度出發(fā)，應(yīng)選用比例伺服閥芯或軸向開口閥芯。這些閥芯可以輸出與控制信號(hào)成比例的流量，前提是閥門兩端之間的壓差要保持恒定。
閥的工作特性曲線
07伯德圖
學(xué)會(huì)看伯德圖有助于選擇合適的液壓閥。伯德圖用對(duì)數(shù)標(biāo)度，來(lái)顯示作為控制信號(hào)頻率的函數(shù)的閥芯的幅頻響應(yīng)和相位滯后特性曲線。通常情況下，幅頻響應(yīng)在最初幾個(gè)赫茲(Hz)時(shí)相對(duì)平坦，一旦控制信號(hào)頻率上升到一定值時(shí)，幅頻響應(yīng)會(huì)驟然減小。同樣，相頻響應(yīng)滯后在低頻率時(shí)變化不大，但在高頻率下會(huì)迅速增加。我們將相位滯后90°時(shí)的頻率定義為閥的額定頻率。在該頻率下，幅頻響應(yīng)往往下降到大約-6db或者初始幅度一半的位置。從正弦測(cè)試的伯德圖曲線可以看出，在10Hz下沒(méi)有明顯增益下降及相位滯后上升的設(shè)備，在40Hz時(shí)閥的幅頻響應(yīng)可能只有之前的一半，從而無(wú)法可靠工作。運(yùn)動(dòng)控制器可以通過(guò)前饋增益來(lái)補(bǔ)償閥的增益損失和相角滯后。在較高頻率下，控制器必須通過(guò)增大控制信號(hào)來(lái)補(bǔ)償閥增益的衰減，但是運(yùn)動(dòng)控制器無(wú)法生成比100%更強(qiáng)的信號(hào)。因此，設(shè)計(jì)者必須為系統(tǒng)中這部分多出的控制信號(hào)留有足夠的上升空間，或者選用較高頻率的閥，使得閥在系統(tǒng)的頻段范圍內(nèi)僅有很小的增益衰減和相位滯后。
08閥的響應(yīng)及閥性能評(píng)定
液壓閥制造商提供的閥性能伯德圖的曲線并不是在相同條件下繪制的。不同的制造廠商可能按不同的閥芯行程幅度來(lái)標(biāo)定他們的閥�？刂菩盘�(hào)在最大值的100%時(shí)的閥芯響應(yīng)，要遠(yuǎn)比控制信號(hào)在5%時(shí)的響應(yīng)差得多。這意味著響應(yīng)同時(shí)標(biāo)定為30Hz的兩個(gè)閥，如果一個(gè)在5%控制信號(hào)下評(píng)定，另一個(gè)在50%控制信號(hào)下評(píng)定，其性能上可能相差很多。許多伯德圖都是在控制信號(hào)為最大信號(hào)的5%至25%的正弦信號(hào)下繪制的性能曲線。在5%最大信號(hào)下性能優(yōu)異的閥適用于控制信號(hào)在0%處波動(dòng)的場(chǎng)合，比如說(shuō)位置或壓力控制。但這種閥不適用于高速控制的場(chǎng)合，因?yàn)殚y芯的必要行程幾乎達(dá)到了100%。
一個(gè)保險(xiǎn)的規(guī)則是，將控制流量從0到100%時(shí)取得的上升時(shí)間乘以4并求倒數(shù)，就可以得到閥的全行程響應(yīng)頻率。高性能的位置/壓力控制系統(tǒng)需要響應(yīng)迅速的線性閥。當(dāng)然，閥的性能不可能十全十美，所以仍然需要高性能的控制器來(lái)提供對(duì)閥的響應(yīng)時(shí)間、閥芯自身質(zhì)量、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載、以及彈簧效應(yīng)的補(bǔ)償。為了充分實(shí)現(xiàn)一個(gè)精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的最佳性能，應(yīng)選用針對(duì)液壓而設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器，配備有能分別調(diào)節(jié)液壓缸伸出和縮回時(shí)的增益、位置/壓力控制、以及與線性位移傳感器直接相連等功能。