伺服阀的几种形式以及关键指标

喷嘴挡板式

结构与工作原理示意如下。

力士乐的4WS2EM伺服阀即为喷嘴挡板式，通过压差控制主阀芯的平衡。频响可至200~300Hz。

射流管伺服阀

结构与工作原理如下。

4WSE3E（16，25，32）伺服阀。流量至1000L/min；主阀阀芯/阀套结构；频响可达100~140Hz；

面对如此众多的比例阀，高频响阀，伺服阀，如何选择呢？

需要考虑的因素有：最重要的流量参数（循环时间或者期望的执行器运行速度；泵流量约束，成本等），以及动态要求（加速特性；精度控制要求；是否是闭环控制等）等等。

伺服阀的关键指标和性能特征

1.额定流量Qn

在额定电流为100%，比例阀压差10bar或者伺服阀压差为70bar时，阀具有的控制流量。每个具体工作点的流量与其压差有关。

曲线显示了MOOG D680系列不同型号的阀在不同压差情况下，流量的变化曲线。

2.流量曲线和流量增益

流量曲线代表着控制流量与输入信号之间的关系。通常在正负给定信号变化区间，用连续点来表示。流量曲线可分为三个区间：零位区间Null Region、正常工作区间Normal Region和饱和区间Saturation Region。

流量增益是控制流量与输入信号比值的关系。图示显示了在零位区间控制流量与输入信号的比值关系，表现为斜坡大小。由于遮盖的影响，零位流量增益可在0（正遮盖）和200%（负遮盖）之间变化。

Moog认为，对于具有Axis cut的伺服阀阀芯，零位流量增益在50%和200%之间。

3.零遮盖（axis cut）

零遮盖阀芯的流量特性理论上是线性很好的曲线。

阀芯和阀套或阀体具有很精密的装配对应关系。

4.正遮盖

正遮盖时，零位区间的流量曲线斜坡急速下降，区间大小取决于遮盖量多少。完整的遮盖区间也叫作死区。

5.负遮盖

负遮盖时，零位区间的流量曲线斜坡快速上升，区间大小取决于负遮盖量多少。

6.流量曲线的测试方法

流量曲线测试可以采用不同的方法。

a. 在阀口A(C1）和B（C2）测量流量

b. 在泄油管测量流量

7.零位泄露

阀在零位的总泄漏量，不同的遮盖量泄露曲线不同。

8.压力增益

负载压降是在A口（C1）和B口（C2）的差值。即△P=Pa-Pb

压力增益表示压差△P与输入信号之间的关系。

9.滞环

在正负信号变化时，同样的输出（流量、压力或阀芯位置等）条件下，输入信号的最大差值。此外，也有按照输出差值来考虑的，具体需要参考产品样本。

10.分辨率

为了使输出量（流量、压力或者阀芯位置）产生变化所需要的输入量的变化值。分辨率通常在输入信号改变方向时测得。参见上图。

11.动态特性

阀的动态特性采用两种方式来表达，一是阶跃响应，二是频率响应。阀的动态特性非常重要，其影响着开环或闭环系统的动态性能。

阶跃响应：阀芯位置相对于阶跃信号的响应时间，以时间来测量，典型是从0到100%。作为估算，也可以通过阀的阶跃响应时间来计算该阀的频宽。

频率响应：正弦信号幅值不变，改变频率的时候所得到的控制流量相对于输入信号的关系。频率响应是在某一具体的频率范围，用幅值比（dB）和相位角（°）来表达。

伯德图：绘制不同的测量点，用对数的型式来表达。频率响应通常基于不同的给定信号，如10% , 25% , 90%。

重复性精度。

不同类型的阀控制，其重复性不一样，典型的，是滞环的一半。

11.开环和闭环控制

开环控制：目标设定值输出无反馈。

闭环控制：输出有反馈，并与输入值比较，得到的误差不断校正输出值，直至达到目标设定。

综上， 伺服阀的结构和参数相差较大，动态特征比较多变，实际使用时通过调整放大器等，优化控制结果，如，调整脉宽调制PWM，通过调节占空比来调节输出值的大小，一般调制频率100Hz至350Hz之间。

颤振频率选择的原则就是最小化静态摩擦力影响，提高滞环。包括增益调整和零位调整，以及斜坡时间等。

另外，介绍几款典型伺服阀。

1 MOOG伺服阀特征

• 阀芯阀套设计（BSA）

• 阀芯遮盖量 < ±1%

• 很高的压力增益

• 很高的精度和动态特性

• 额定流量基于压降70bar
  

2 MOOG比例阀特征

• 阀芯阀体设计（SiB）

• 阀芯遮盖量≥3%

• 比伺服阀略低的精度和动态特性

• 比伺服阀高的额定流量

• 额定流量基于压降10bar
  

3 DDV阀特征

• 线性力马达（LFM=Linear Force Motor）驱动

• 低的泄露损失

• 中位时低的能耗

• 动态特性与供油压力无关

• 线性力马达比比例电磁铁具有更高的输出力，因此可应用于更高的阀压降
  

4 先导操作阀

• 先导级分类

  - 喷嘴挡板

  - 射流管ServoJet

  - 直动式阀

• 较高的流量

• 可提供伺服阀和比例阀

• 可提供机械或者电气反馈
  

5 MFB机械反馈阀

• 经典设计结构

• 喷嘴挡板先导级

• 无集成的电子放大器

• 阀芯位置闭环控制通过机械反馈杆实现
  

6 EFB电气反馈阀

• 直动式或者先导式

• 射流管或者线性力马达驱动

• 集成电子放大器用于阀芯位置闭环控制

• 可提供模拟或数字电子放大器

• 可选现场总线接口

• 流量、压力或轴控制选项
  

7 力士乐4WRPEH 

阀芯与阀套装配实现零遮盖，对称，线性，精确。

伺服比例阀-直动式。中位切换时平滑；大多带OBE集成电子；抗震强度达到25g；频率可达60~90Hz；可适用于闭环控制。

8 力士乐4WRLE

主级阀铸件内带类似于比例阀的阀芯；先导级具有阀芯/阀套；先导级压降按10bar考虑；E、W、V以及Q4阀芯类似于比例阀；V型阀芯带弹簧对中，P至B具有1~6%的偏置；先导级带故障保险功能，主阀芯为弹簧复位。

线性特性。

先导级伺服比例阀。流量可达1100L/min；主级带LVDT。

9 直动式4WRREH 高频响伺服比例阀

可达到250Hz频响；阀芯/阀套结构；70bar压差下流量在2~40L/min之间。

故障安全未定义。

10 高频响4WRVE高动态先导系列，主级4WRL。

高频响伺服比例阀，先导式。无故障保险功能。NG10~25。