浅谈比例阀与伺服阀的区别
浅谈比例阀与伺服阀的区别
作者：郑瑶
来源：《科学与财富》2018年第10期
摘要：比例阀与伺服阀作为液压系统中常用的两种阀类元件，广泛应用于各个液压系统中。为了更好的选择和使用适合于液压系统的阀类原件，需要对二者的工作特性进行了解和研究。本文首先阐述了比例阀和伺服阀性能的区别，并分别介绍了伺服阀与比例阀的结构特点和控制特点，为阀类元件的选型和使用提供了基础，并论述了比例阀与伺服阀的发展趋势。
关键词：伺服阀；比例阀；液压系统；性能；结构；控制；发展
伺服阀与比例阀作为放大转换元件，可以将偏差信号放大、转换成液压信号（流量或压力），从而完成对执行机构的控制。在典型的油缸控制系统中，油缸的运动可以通过阀在不同的位置而使得油路切换而实现，这样的阀可以采用普通换向阀。而伺服阀和比例阀不仅能够控制油缸的运动方向，还可以精确的控制阀门开度从而在工作状态保持不变的情况下精确控制流量。
1比例阀和伺服阀性能区别分析
电液比例阀是阀内比例电磁铁根据输入的电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力、流量输出的元件。阀芯位移也可以以机械、液压或电的形式进行反馈。对应于普通的液压阀都能够找到一种与之对应的电液比例阀。电液比例阀可以用于开环系统中实现随液压参数的遥控，也可以作为信号转换与放大元件用于闭环控制系统。
电液伺服阀是闭环控制系统中最重要的一种伺服控制元件，它能将微弱的电信号转换成大功率的液压信号（流量和压力）。用它作转换元件组成的闭环系统称为电液伺服系统。对整个系统来说，电液伺服阀是信号转换和功率放大元件；对系统中的液压执行机构来说，电液伺服阀是控制元件；阀本身也是个多级放大的闭环电液伺服系统，提高了伺服阀的控制性能。电液伺服系统是液压伺服系统和电子技术相结合的产物，由于它具有更快的响应速度，更高的控制精度，在军事、航空、航天、机床等领域中得到广泛的应用。目前液压伺服系统特别是电液伺服系统己经成为武器自动化和工业自动化中应用非常广泛。
电液比例阀与伺服控制系统中的伺服阀相比，在某些方面还有一定的性能差距，但它显著的优点是抗污染能力强，大大地减少了因污染所造成的工作故障，提高了液压系统的工作稳定性和可靠性。并且比例阀的成本比伺服阀低，结构也简单，己在许多场合获得广泛应用。
电液伺服阀具有体积小、功率放大率高、直线性好、死区小、响应速度快、运动平稳可靠，能适应模拟量和数字量调制等优点，所以在各种电液伺服系统中得到了极广泛的应用。
在液压系统中，电液伺服阀虽然有以上所列优点，但是由于其对油液介质条件要求高，价格昂贵等的限制与电液伺服阀相比，电液比例阀的出现使这些限制条件都有所减低。与电液伺服阀相比，电液比例换向阀优点：（1）加工精度没有电液伺服阀要求高，因此其价格较低；（2）相对于电液伺服阀来讲，对液压油的要求较低，抗污染能力较强；（3）由于存在不灵敏区和滞环，在其不带电时的安全稳定性好。
2比例阀和伺服阀的结构特点
比例阀多为电气反馈，当有信号输入时，主阀芯带动与之相连的位移传感器运动，当反馈的位移信号与给定信号相等时，主阀芯停止运动，比例阀达到一个新的平衡位置，此时比例阀保持一定的输出，液压缸也就保持一定的位置不变。伺服阀有机械反馈和电气反馈两种，一般电气反馈的伺服阀的频响高，机械反馈的频响稍低，其动作过程基本与比例阀相同；一般比例阀的输入功率较大，基本在几百毫安到一安以上，而伺服阀的输入功率相对较小，基本在几十毫安范围内；比例阀的控制精度稍低，滞环较伺服阀大，伺服阀的控制精度高，但其对油液的要求也相对较高。
从结构上理解比例阀的阀芯是靠电磁力和液压力及弹簧力来实现平衡的，而伺服阀是靠液压力来平衡的，所以比例阀在控制大流量高压力上没有优势；在应用上，伺服阀的使用更为广泛，不仅能够用于精确的位置、速度、载荷等控制，还具有随动作用，例如汽车的助力转向就是一个随动伺服系统，这是比例阀难以实现的。
3比例阀与伺服阀的控制特点
比例阀与伺服阀的控制信号一般为4-20mA，0-10V，-10V-+10V等，其中电流信号的抗干扰能力较强，但价格稍贵。其内部线圈可以为一个或者两个，很多三位阀只用一个线圈，靠电压反向控制两边位置，三位阀更多的是两个线圈布置在阀的两边，但线圈可以是单独控制，也可以是串联或并联控制。从控制方式上讲，比例阀与伺服阀很难区分，唯一的差别是二者的驱动方式。伺服阀靠力矩马达来驱动而比例阀则是靠比例线圈驱动。伺服阀是喷嘴挡板，响应较高。但从控制精度上来讲，比例阀或许更高，特别实在两极反馈阀中，因为先导极的比例阀反馈是电位移传感器，而伺服阀是机械式反馈杆，所以在重复精度、滞环、线性度上高于伺服阀。
比例阀和伺服阀输入控制信号如果通过电位器输入，很多是0-5V或-5V-+5V，通过改变放大器上的比例增益调整使其到0-10V。比例阀和伺服阀可以是内反馈也可以是外反馈，在一些控制要求不是很高的场合可以采用内反馈阀，如果要使用外闭环，那么比例阀需要增加一块PID控制板，这样就提高了比例阀的成本。
4比例阀与伺服阀的发展趋势
1、电液比例阀发展趋势。主要表现为：第一、提高控制性能，适应机电液一体化主机的发展。提高电液比例阀及远控多路阀的性能，使之适应野外工作条件。并发展低成本比例阀，其主要零件与标准阀通用。第二、比例技术与一通和二通插装技术相结合，形成比例插装技术，特点是结构简单，性能可靠，流动阻力小，通油能力大，易于集成；此外出现比例容积控制为中、大功率控制系统节能提供新手段。第三、由于传感器和电子器件的小型化，出现了传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合一体化的元件，极大地提高了比例阀（电反馈）的工作频宽。
2、电液伺服阀的发展趋势。主要表现为：（1）虚拟化。利用CAD技术全面支持伺服阀从概念设计、外观设计、性能设计、可靠性设计到零部件详细设计的全过程，并把计算机辅助设计、计算机辅助分析、计算机辅助工艺规划、计算机辅助检验、计算机辅助测试和现代管理系统集成在一起，建立计算机制造系统（CIMS）使设计与制造技术有一个突破性的发展。（2）智能化。发展内藏式传感器和带有计算机、自我管理机能故障诊断、故障排除）的智能化伺服阀，进一步开发故障诊断专家系统通用工具软件，实现自动测量和诊断。还应开发自补偿系统，包括自调整、自润滑、自校正，这是液压行业努力的方向。另外，借助现场总线），实现高水平的信急系统，从而简化伺服阀的使用、调节和维护。（3）微型化。随着液压技术的进步及竞争的加剧，微型伺服阀的技术以体积小、重量轻、单位功率大等优点而越来越受到重视。如铸造流道在阀体和集成块中的广泛使用，可优化元件内部流动，实现元件小型化。
5小结
长期以来，液压行业内都认为伺服阀代表了液压界的最高水平，无论是从控制死区和控制精度等方面都优于比例阀。但是随着液压技术和制造水平的不断提高，比例阀已经可以实现阀芯与阀体的零遮盖从而消除了控制死区。同样，带LVDT位移传感器的比例阀精度更是高于伺服阀的传统机械反馈杆。无论是伺服阀还是比例阀都有其优缺点，并不能说伺服阀就一定优于比例阀，因此在实际应用中，只需要根据流量增益、压力增益和其他性能参数来选择合适的阀类元件。
参考文献：
[1]王春行.液压控制系统[M].北京：机械工业出版社，1999.5
[2]杨智，范正平等.自动控制原理[M].北京：清华大学出版社，2014.8
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