关于ATOS电液伺服阀和比例阀的问题解析

Q: 我对伺服阀和比例阀感到困惑，因为它们之间的区别似乎并不明显。伺服阀和比例阀到底有什么区别？

A: 适用于这类阀门的通用描述性术语是“连续可变的、电调节的、液压方向控制阀"。德国人使用“stetigventil"（连续可变阀）这个术语，伺服阀和比例阀都属于这种通用阀门类型。遗憾的是，我们没有一个英文单词可以涵盖这些阀门。通用术语应该是“比例阀"，并分为两个子类别：伺服阀和比例阀。

流体动力研究所在进行一项广泛的研究项目，以确定用户如何区分比例阀和伺服阀。我们使用电子增强技术来确定比例阀能够在多大程度上表现出类似伺服阀的性能。我们研究了性能特性以及制造和生产方法。显著的区别因素是零位遮盖量。我们最终将伺服阀定义为零位遮盖量小于3%的阀门，而比例阀的零位遮盖量为3%或更多。

Q: 什么是阀遮盖？

A: 阀遮盖（或阀重叠）是指阀芯从中心位置移动的距离，以开始打开动力输入端口与工作（输出）端口或油箱端口之间的通道。零遮盖阀是指阀芯向任何方向微小移动，就会开始打开通道。然而，阀芯外径（OD）与阀体内径（ID）之间没有接触。即使是零遮盖阀，也存在少量重叠。尽管如此，“零遮盖"这一术语仍然被广泛使用。

Q: 什么是阀零位？

A: 阀零位是伺服阀压力增益曲线上的一个特定点，在该点，两个工作端口（堵塞端口）的压力相等。伺服阀配备有机械调节装置，因此在没有施加电气功率（连接器与阀断开连接）的情况下，可以改变弹簧或磁力，使两个工作端口的压力相等。这通常是工厂在最终测试时调整阀的位置，假设它将用于等面积的液压缸。

如果应用涉及不等面积的液压缸，用户会移除阀连接器（这可能会导致活塞蠕动），并调整零位调节装置，直到气液压停止移动。当然，当液压缸停止时，由于活塞面积的差异以及任何非零负载的影响，这将导致液压缸内的压力不相等。

Q: 什么是阀的零位漂移？

A: 零位漂移是一种效应，会导致阀从其零位点偏离。例如，如果一个阀已经调整到零位，而温度或供油压力发生变化，阀将不再处于其零位点。必须调整电流或机械零位螺钉，才能重新获得精确的零位点。重要的是要记住，任何导致阀零位漂移的因素都会导致闭环系统（例如位置伺服机构或压力控制系统）出现误差。零位漂移仅在零重叠阀中重要。

Q: 为什么阀遮盖是区分伺服阀和比例阀的最重要的单一区别因素？因为比例阀存在3%或更大的重叠，所以在阀芯从中位向左或向右移动时，会产生一个死区，在达到阈值位置之前，流量不会有明显的增加。

A: 简单来说，MSOE的研究将伺服阀定义为近乎零遮盖，而比例阀则具有显著的遮盖。因此，所谓的零遮盖阀可以被视为伺服阀，并且仍然可以容纳正常的制造公差，因为它允许高达3%的遮盖。此外，你很少能察觉到由于这种少量遮盖而导致的系统性能下降。事实上，一定程度的遮盖是有益的，因为它减少了阀芯与阀孔之间的泄漏。

每当性能规格中包含特定精度要求时，很可能需要使用伺服阀。例如，用户可能要求一个液压缸在推动一个10000磅的负载以15英寸/秒的速度移动时，总行程为24英寸，并且最终位置的误差不得超过0.020英寸。这种性能规格需要使用伺服阀和运动控制设计方法。

精确的系统被称为零位跟踪系统。这意味着当受控输出——比如液压缸的位置——处于期望位置时，阀芯接近其中心位置。为了实现高精度定位，液压缸位置的任何微小扰动（例如，由于外部负载的变化）必须立即通过阀芯的相应微小移动来抵消，以克服扰动。这种零位跟踪操作在许多压力控制系统中也是必需的。阀门的零遮盖意味着它可以在任何方向上对扰动做出反应并进行修正，无论扰动有多小。再次强调，“零遮盖"是一个理想化的术语，实际的阀门可能会有少量的遮盖。

Q: 我正在尝试决定在我的闭环应用中使用哪种类型的阀门，是伺服阀还是比例阀。我对伺服阀的性能印象深刻，但我担心它的高压力损失。我该如何在这两者之间做出选择？

A: 阀门上的压力损失在最坏的情况下是一个令人困惑的来源，在一般情况下是一个误解。所有伺服阀的流量都是在1000 psi（根据ISO 10770-1为7 MPa，换算过来大约是1015 psi）的压差下进行额定的，这种情况已经持续了几十年。伺服阀的额定流量是在压力端口与油箱端口之间有1000 psi的压差时测量的，而工作端口是环路连接的。另一方面，比例阀的流量是在145 psi（ISO 10770-1中的1 MPa）的压差下进行额定的。

这种流量额定压力的差异会导致那些不太了解的人错误地认为比例阀的压力损失较小。这是错误的。在选择阀门时，选型过程会计算所需的阀门流量系数，即KV值。不管你计划使用哪种类型的阀门，这都没有任何区别，正确选型的比例阀和正确选型的伺服阀具有相同的KV值！它们将具有相同大小的流量面积，并且在应用中具有相同的压力损失。它们之间绝对没有任何压力损失的优势！两种阀门之所以有不同的流量额定值，并不是因为它们的开口量不同，而是因为它们的流量是在不同的压力下进行额定的。行业拒绝采用发布其阀门KV值的做法，这加剧了这种混乱。

Q:为什么许多比例阀的滞环比伺服阀低？难道伺服阀不应该“更精确"吗？

A:滞环是一些输入输出设备（如阀门、传感器、磁性装置、机械连杆等）的特性，它导致在输入增加时的特性曲线与输入减少时不一致。机械滞环的两个常见原因是静摩擦和齿隙，此外还有磁性滞环。

电液阀的滞环是由这三种效应共同引起的，因此是一个重要的性能参数。滞环会导致伺服系统出现误差，因为它会在阀中产生零位漂移，这取决于目标输出（如位置或压力）是从哪个方向接近的。滞环是非常不希望出现的，但在阀门中是不可避免的。

至于“廉价比例阀"滞环较低的问题，这通常是事实。原因是许多伺服阀使用反馈杆或弹簧来实现阀芯位置的比例控制。这是一种扭矩马达和主阀芯之间的纯机械连接。因此，会出现机械和磁性滞后效应。制造商的文献中通常会将滞环列为小于2%。

许多比例阀使用带有电子反馈的LVDT阀芯位置传感器，结果是形成了一个“更紧密"的阀芯位置控制回路，从而降低了滞环。一些多级伺服阀也使用LVDT阀芯位置控制。它们的滞环也会更低，常见的公布值是小于0.5%。对于这种滞环极小的阀门，需要采用特殊的测试技术才能找到真正的滞后量，因为它的值非常小。当阀门的阈值足够低时，使用PID控制时产生的任何极限环振荡也会足够小，以至于难以察觉。

Q: 我听说比例阀比伺服阀对污染的耐受性更好，而且某些设计比其他设计更善于“吃灰尘"。你对这些说法的评估是什么？

A: 我也听说过这些说法，但我仍然持怀疑态度。我听到的论点通常集中在某个设计的单一特性上，并声称因为该特性在排斥污染物方面表现更好，所以整个阀门也就更好。例如，直动式阀声称“没有小喷嘴会被堵塞"。这个论点最多是似是而非的，因为喷嘴（喷嘴-挡板设计）的直径大于0.002英寸（50微米），需要巨大的污染物颗粒才能将其堵塞。我坚持认为，任何循环50微米颗粒的系统都有许多更严重的问题，而不仅仅是伺服阀或比例阀的问题。

事实是，污染物会以其他方式影响阀门。如果污染物具有磨蚀性，它们会侵蚀表面和节流边缘。凭借现代加工方法，伺服阀和比例阀具有相同的阀芯与阀孔间隙，一块硬污染物可以在任何类型的阀门中造成阀芯卡死，无论是伺服阀还是比例阀。

这个主题非常重要，而且其他人比我更有专业知识。但我看到的说法存在一个基本问题：目前没有国际标准化的、客观的测试方法来确定阀门对污染的耐受性。试图制定此类标准的努力由于在国际层面缺乏决心而失败。在该标准出现之前，我仍然持怀疑态度，用户只能依靠他们的供应商和自己的智慧来避免陷入困境。而且，清洁的流体仍然是每个人的朋友这一事实是绝对正确的。遵循适当的清洁程序，让过滤器成为系统中的“灰尘吞噬者"——并保持这种清洁水平。

Q: PWM是什么？

脉冲宽度调制通过调节控制信号的导通和截止周期的频率来实现比例控制。

A: PWM代表脉冲宽度调制。它是一种通过控制输出电流和电压（功率）的开关方法。PWM放大器的输出级是一个晶体管开关。通过控制导通时间和截止时间的比例来实现比例控制。开关的导通和截止频率称为PWM频率，通常是固定的（从大约30 Hz到高达40 kHz——由电子电路设计者选择），并且远高于液压机械系统能够响应的频率。因此，阀门和执行器响应的是平均电流，而不是瞬时电流。

例如，假设某个PWM阀驱动器的PWM频率为100Hz。那么周期为0.01秒，即10毫秒。如果导通时间为2毫秒，截止时间为8毫秒，阀门将响应相当于最大值20%的输入。我们称之为“20%占空比"。如果导通时间和截止时间均为5毫秒，占空比则为50%，因此我们期望阀芯移动大约50%。

PWM已成为控制比例电磁铁的功率放大方法，因为比例电磁铁通常需要3到4安培的电流，甚至可能需要高达30瓦的功率。在不牺牲输出功率的情况下减少放大器产生的热量是一个巨大的节能措施。如果开关的导通和截止频率与比例电磁铁和阀门相匹配，还可以获得一些颤振效益，从而减少静摩擦的影响。

颤振有助于减少滞后性，因为它使电磁铁的机械可动部件保持持续振动，但又不至于使输出执行器产生明显的振动。

Q: 我的电气工程师告诉我，他可以把制造商X的伺服阀连接到制造商Y的伺服放大器的输出端，并且他预计这将正常工作。我们也有一个来自制造商Z的比例阀，但他表示我们只能使用制造商Z的比例阀放大器。我遗漏了什么吗？

A: 伺服放大器的一个不那么引人注目的现实是，它们比比例放大器要简单得多。这使得伺服放大器更具通用性，因此几乎任何伺服放大器都可以驱动任何伺服阀。原因是大多数伺服阀使用力矩马达作为其电磁执行器，因此它们只需改变电流方向即可改变方向。最重要的参数是放大器可以向力矩马达提供的电流量相对于力矩马达所需的电流量。

另一方面，大多数比例阀放大器必须适应LVDT（线性可变差动变压器），这些装置用于比例阀中的阀芯位置感应。LVDT是交流装置，需要特殊的信号调节器，这些调节器提供高频交流激励（高达数千赫兹），然后对输出进行解调，以产生与阀芯位置成比例的直流电压。此外，许多比例阀有两个电磁铁，以实现阀芯向两个方向的移动，因此电子电路必须引导信号，使一个极性的电流流向一个电磁铁，而相反极性的电流流向另一个电磁铁。

力矩马达通常只需要不超过100毫安的电流，并且只需几毫瓦的功率即可移动。底线是比例放大器必须与特定系列的阀门匹配，并且可能无法在其他阀门上工作。