伺服比例閥及其在水電站的應(yīng)用
1．比例技術(shù)與伺服技術(shù)的比較
比例技術(shù)和伺服技術(shù)的主要區(qū)別是液壓控制系統(tǒng)中采用的控制元件不同。電液比例控制系統(tǒng)（含開環(huán)控制和閉環(huán)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(tǒng)（只含閉環(huán)控制）采用的控制元件為伺服閥。主要區(qū)別表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)控制元件采用的驅(qū)動(dòng)裝置（電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器）不同。比例控制元件采用的驅(qū)動(dòng)裝置為比例電磁鐵（動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器），它的輸入電信號(hào)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(shì)，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(diǎn)是感性負(fù)載大、電阻小、電流大、驅(qū)動(dòng)力大，但響應(yīng)低。
伺服控制元件采用的驅(qū)動(dòng)裝置為力矩電動(dòng)機(jī)（動(dòng)圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器），其輸入電信號(hào)一般為10mA到幾百毫安，相對(duì)于比例閥而言，其電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出功率較小、感抗小、驅(qū)動(dòng)力小，但響應(yīng)快。
不同的驅(qū)動(dòng)裝置配用的電放大器采用不同的稱呼：驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵的控制裝置稱為比例放大器，驅(qū)動(dòng)力矩電動(dòng)機(jī)的控制裝置稱為伺服放大器。二者的信號(hào)調(diào)整部分是相似的，主要是功率級(jí)輸出的電流大小不同。伺服放大器功率級(jí)輸出的電流為10mA到幾百毫安，比例放大器功率級(jí)輸出的電流為幾十毫安到數(shù)千毫安。
(2)控制元件的性能參數(shù)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(yōu)，伺服比例閥的靜態(tài)特性與伺服閥基本相同，但響應(yīng)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(qū)大，滯環(huán)大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)低。
比例閥與伺服閥的性能比較
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特性 類別 |
伺服閥 |
比例閥 |
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伺服比例閥 |
無點(diǎn)反饋比例閥 |
帶電反饋比例閥 |
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滯環(huán)(%) |
0.1～0.5 |
0.2～0.5 |
3～7 |
0.3～1 |
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中位死區(qū)(%) |
理論上為零 |
理論上為零 |
±5～20 |
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頻寬/Hz |
100～500 |
50～150 |
10～50 |
10～70 |
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過濾精度(ISO4406) |
13/9～15/11 |
16/13～18/14 |
16/13～18/14 |
16/13～18/14 |
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應(yīng)用場(chǎng)合 |
閉環(huán)控制系統(tǒng) |
開環(huán)控制系統(tǒng)及閉環(huán)速度控制系統(tǒng) |
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電液伺服閥幾乎沒有零位死區(qū)，通常工作在零位附近，零位特性只應(yīng)用在閉環(huán)控制系統(tǒng)[含位置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、力（或壓力）控制系統(tǒng)]。這類系統(tǒng)對(duì)控制精度和響應(yīng)要求特別高，應(yīng)用在如軍事裝備等對(duì)系統(tǒng)快速性有特別高要求的場(chǎng)合。
伺服比例閥基本沒有零位死區(qū)，既可以在零位附近工作，也可以在大開口（大流量工況）下運(yùn)行。
因此伺服比例閥要考慮整個(gè)閥心工作行程內(nèi)的特性。伺服比例閥主要用于對(duì)性能要求通常不是特別高的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
普通的比例閥對(duì)零位特性沒有特殊要求，它工作于開環(huán)系統(tǒng)中時(shí)，必須在比例放大器中采用快速越過死區(qū)的措施來減小死區(qū)的影響，并使之工作在大開口狀態(tài)。
(3)閥心結(jié)構(gòu)及加工精度不同。普通比例閥閥心采用閥心十閥體的結(jié)構(gòu)，閥體兼做閥套。由于死區(qū)大，閥心與閥體允許的配合間隙較大，閥口臺(tái)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)和加工精度的這些區(qū)別，直接導(dǎo)致價(jià)格上的差異，也是對(duì)油液過濾精度要求不同的原因。而過濾精度的不同，導(dǎo)致系統(tǒng)維護(hù)的難易程度和維護(hù)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(jī)械轉(zhuǎn)換器，而功率級(jí)滑閥又采用伺服閥的加工工藝，是比例和伺服技術(shù)緊密結(jié)合的結(jié)果。伺服比例閥閥心采用伺服閥的結(jié)構(gòu)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(dāng)），解決了閉環(huán)控制要求死區(qū)小的問題。它的性能介于伺服閥和普通比例閥之間，但它對(duì)油的清潔度要求低于電液伺服閥，特別適用于各種工業(yè)的閉環(huán)控制。
3．伺服比例閻在電站的應(yīng)用
某電站調(diào)速器系統(tǒng)，采用德國BOSCH公司生產(chǎn)的伺服比例閥作為調(diào)速器液壓系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換元件。每套調(diào)速器采用兩個(gè)伺服比例閥，兩個(gè)伺服比例閥工作時(shí)是熱備用的關(guān)系，一個(gè)為主用、一個(gè)為備用。當(dāng)主通道故障后會(huì)自動(dòng)切換到備用通道，而備用通道故障時(shí)不能自動(dòng)切換到主用通道，必須手動(dòng)切換。
伺服比例閥有四個(gè)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(lì)磁時(shí)處于第四工位，第四工位是保護(hù)位。根據(jù)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(hào)，經(jīng)其放大后輸出相應(yīng)的電流信號(hào)，電流信號(hào)在伺服比例閥線圈中產(chǎn)生的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵移動(dòng)相應(yīng)的位移量，從而帶動(dòng)伺服比例閥的閥心移動(dòng)，輸出相應(yīng)的流量，輸出流量與輸入控制信號(hào)成比例線性關(guān)系。閥心移動(dòng)的同時(shí)，內(nèi)置差動(dòng)變壓器式位移傳感器檢測(cè)閥心位置，并將其信號(hào)反饋到比例放大器，與比例電磁鐵形成閉環(huán)位置控制。
伺服比例閥的主要特點(diǎn)是：
(1)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。階躍信號(hào)的調(diào)節(jié)時(shí)間＜25ms，-3dB頻寬約40～70Hz。
(2)靜態(tài)精度高。其滯環(huán)，重復(fù)精度為0.1%～0.2%。
(3)采用強(qiáng)電流信號(hào)控制，功率大，提高了伺服比例閥的操作力，加上結(jié)構(gòu)簡單，無阻尼孔，因此抗油污能力強(qiáng)，提高了伺服比例閥工作的可靠性。
(4)精確制造的硬質(zhì)閥心和硬質(zhì)閥套。其軸向配合精度達(dá)到0.002mm，保證了其液壓功率級(jí)達(dá)到伺服閥所要求的零開口工作狀態(tài)，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(dāng)ΔT=40℃時(shí)，其輸出變化小于1%。
(6)內(nèi)置差動(dòng)變壓器式位移傳感器檢測(cè)閥心位置，并將其信號(hào)反饋到比例放大器，與比例電磁鐵形成閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，大大提高了比例電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性。
(7) DC/DC位置檢測(cè)方式，提高了差動(dòng)變壓器的響應(yīng)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(diào)制驅(qū)動(dòng)電路，配合小電感電磁線圈，提高了伺服比例閥的響應(yīng)速度，并且使電磁線圈中電流升高和降低的延時(shí)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(shè)置均具有PID調(diào)節(jié)功能的電流和位置兩個(gè)閉環(huán)控制回路，使伺服比例閥達(dá)到了最佳特性。