伺服比例閥及其在水電站的應用

1．比例技術與伺服技術的比較

比例技術和伺服技術的主要區別是液壓控制系統中采用的控制元件不同。電液比例控制系統（含開環控制和閉環控制）采用的控制元件為比例閥和比例泵，液壓伺服控制系統（只含閉環控制）采用的控制元件為伺服閥。主要區別表現在以下幾個方面：

(1)控制元件采用的驅動裝置（電-機械轉換器）不同。比例控制元件采用的驅動裝置為比例電磁鐵（動鐵式電-機械轉換器），它的輸入電信號通常為幾十到幾千毫安，且為了提高工作可靠性和輸出力，還有采用大電流的趨勢，銜鐵輸出的電磁力大小為幾十至幾百牛頓。比例電磁鐵的特點是感性負載大、電阻小、電流大、驅動力大，但響應低。

伺服控制元件采用的驅動裝置為力矩電動機（動圈式電-機械轉換器），其輸入電信號一般為10mA到幾百毫安，相對于比例閥而言，其電機械轉換器的輸出功率較小、感抗小、驅動力小，但響應快。

不同的驅動裝置配用的電放大器采用不同的稱呼：驅動比例電磁鐵的控制裝置稱為比例放大器，驅動力矩電動機的控制裝置稱為伺服放大器。二者的信號調整部分是相似的，主要是功率級輸出的電流大小不同。伺服放大器功率級輸出的電流為10mA到幾百毫安，比例放大器功率級輸出的電流為幾十毫安到數千毫安。

(2)控制元件的性能參數不同。比例閥與伺服閥的性能比較，見下表。從下表中可以看出，伺服閥的性能最優，伺服比例閥的靜態特性與伺服閥基本相同，但響應偏低（介于普通比例閥和伺服閥之間），普通比例閥（含無電反饋比例閥和帶電反饋比例閥）的死區大，滯環大，動態響應低。

比例閥與伺服閥的性能比較

特性 類別	伺服閥	比例閥
		伺服比例閥	無點反饋比例閥	帶電反饋比例閥
滯環(%)	0.1～0.5	0.2～0.5	3～7	0.3～1
中位死區(%)	理論上為零	理論上為零	±5～20
頻寬/Hz	100～500	50～150	10～50		10～70
過濾精度(ISO4406)	13/9～15/11	16/13～18/14	16/13～18/14		16/13～18/14
應用場合	閉環控制系統		開環控制系統及閉環速度控制系統

電液伺服閥幾乎沒有零位死區，通常工作在零位附近，零位特性只應用在閉環控制系統[含位置控制系統、速度控制系統、力（或壓力）控制系統]。這類系統對控制精度和響應要求特別高，應用在如軍事裝備等對系統快速性有特別高要求的場合。

伺服比例閥基本沒有零位死區，既可以在零位附近工作，也可以在大開口（大流量工況）下運行。

因此伺服比例閥要考慮整個閥心工作行程內的特性。伺服比例閥主要用于對性能要求通常不是特別高的閉環控制系統。

普通的比例閥對零位特性沒有特殊要求，它工作于開環系統中時，必須在比例放大器中采用快速越過死區的措施來減小死區的影響，并使之工作在大開口狀態。

(3)閥心結構及加工精度不同。普通比例閥閥心采用閥心十閥體的結構，閥體兼做閥套。由于死區大，閥心與閥體允許的配合間隙較大，閥口臺階之間的尺寸公差也比較大，一般具有互換性。伺服閥和伺服比例閥采用閥心十閥體的結構，或者配做成組件，加工精度要求極高，不具備互換性。比例閥與伺服比例閥在結構和加工精度的這些區別，直接導致價格上的差異，也是對油液過濾精度要求不同的原因。而過濾精度的不同，導致系統維護的難易程度和維護成本不同。

2．伺服比例閥的特性

伺服比例閥是采用比例電磁鐵作為電機械轉換器，而功率級滑閥又采用伺服閥的加工工藝，是比例和伺服技術緊密結合的結果。伺服比例閥閥心采用伺服閥的結構和加工工藝（零遮蓋閥口、閥心與閥套之間的配合精度與伺服閥相當），解決了閉環控制要求死區小的問題。它的性能介于伺服閥和普通比例閥之間，但它對油的清潔度要求低于電液伺服閥，特別適用于各種工業的閉環控制。

3．伺服比例閻在電站的應用

某電站調速器系統，采用德國BOSCH公司生產的伺服比例閥作為調速器液壓系統的電液轉換元件。每套調速器采用兩個伺服比例閥，兩個伺服比例閥工作時是熱備用的關系，一個為主用、一個為備用。當主通道故障后會自動切換到備用通道，而備用通道故障時不能自動切換到主用通道，必須手動切換。

伺服比例閥有四個工位，其原理如圖55所示（從右到左分別是第一工位到第四工位）。線圈不勵磁時處于第四工位，第四工位是保護位。根據伺服比例閥的輸入、輸出特性，伺服比例閥功放板接受土10V的控制信號，經其放大后輸出相應的電流信號，電流信號在伺服比例閥線圈中產生的磁場驅動比例電磁鐵移動相應的位移量，從而帶動伺服比例閥的閥心移動，輸出相應的流量，輸出流量與輸入控制信號成比例線性關系。閥心移動的同時，內置差動變壓器式位移傳感器檢測閥心位置，并將其信號反饋到比例放大器，與比例電磁鐵形成閉環位置控制。

伺服比例閥的主要特點是：

(1)動態響應好。階躍信號的調節時間＜25ms，-3dB頻寬約40～70Hz。

(2)靜態精度高。其滯環，重復精度為0.1%～0.2%。

(3)采用強電流信號控制，功率大，提高了伺服比例閥的操作力，加上結構簡單，無阻尼孔，因此抗油污能力強，提高了伺服比例閥工作的可靠性。

(4)精確制造的硬質閥心和硬質閥套。其軸向配合精度達到0.002mm，保證了其液壓功率級達到伺服閥所要求的零開口工作狀態，以及陡峭的壓力增益特性和平直的流量增益特性。

(5)零位耗油量小，公稱流量100L/min。在10MPa壓力下泄漏量＜2L/min。溫漂小，當ΔT=40℃時，其輸出變化小于1%。

(6)內置差動變壓器式位移傳感器檢測閥心位置，并將其信號反饋到比例放大器，與比例電磁鐵形成閉環位置控制系統，大大提高了比例電磁鐵的動態特性。

(7) DC/DC位置檢測方式，提高了差動變壓器的響應特性和抗干擾能力。

(8)與之配套的比例放大器采用橋式雙控高頻脈寬調制驅動電路，配合小電感電磁線圈，提高了伺服比例閥的響應速度，并且使電磁線圈中電流升高和降低的延時基本相同，在電路上為提高伺服比例閥的頻響提供了條件。比例放大器所設置均具有PID調節功能的電流和位置兩個閉環控制回路，使伺服比例閥達到了最佳特性。