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伺服比例阀及其在水电站的应用
1．比例技术与伺服技术的比较
比例技术和伺服技术的主要区别是液压控制系统中采用的控制元件不同。电液比例控制系统（含开环控制和闭环控制）采用的控制元件为比例阀和比例泵，液压伺服控制系统（只含闭环控制）采用的控制元件为伺服阀。主要区别表现在以下几个方面：
(1)控制元件采用的驱动装置（电-机械转换器）不同。比例控制元件采用的驱动装置为比例电磁铁（动铁式电-机械转换器），它的输入电信号通常为几十到几千毫安，且为了提高工作可靠性和输出力，还有采用大电流的趋势，衔铁输出的电磁力大小为几十至几百牛顿。比例电磁铁的特点是感性负载大、电阻小、电流大、驱动力大，但响应低。
伺服控制元件采用的驱动装置为力矩电动机（动圈式电-机械转换器），其输入电信号一般为10mA到几百毫安，相对于比例阀而言，其电机械转换器的输出功率较小、感抗小、驱动力小，但响应快。
不同的驱动装置配用的电放大器采用不同的称呼：驱动比例电磁铁的控制装置称为比例放大器，驱动力矩电动机的控制装置称为伺服放大器。二者的信号调整部分是相似的，主要是功率级输出的电流大小不同。伺服放大器功率级输出的电流为10mA到几百毫安，比例放大器功率级输出的电流为几十毫安到数千毫安。
(2)控制元件的性能参数不同。比例阀与伺服阀的性能比较，见下表。从下表中可以看出，伺服阀的性能最优，伺服比例阀的静态特性与伺服阀基本相同，但响应偏低（介于普通比例阀和伺服阀之间），普通比例阀（含无电反馈比例阀和带电反馈比例阀）的死区大，滞环大，动态响应低。
比例阀与伺服阀的性能比较
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特性
类别
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伺服阀
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比例阀
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伺服比例阀
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无点反馈比例阀
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带电反馈比例阀
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滞环(%)
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0.1～0.5
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0.2～0.5
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3～7
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0.3～1
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中位死区(%)
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理论上为零
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理论上为零
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±5～20
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频宽/Hz
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100～500
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50～150
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10～50
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10～70
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过滤精度(ISO4406)
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13/9～15/11
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16/13～18/14
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16/13～18/14
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16/13～18/14
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应用场合
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闭环控制系统
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开环控制系统及闭环速度控制系统
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电液伺服阀几乎没有零位死区，通常工作在零位附近，零位特性只应用在闭环控制系统[含位置控制系统、速度控制系统、力（或压力）控制系统]。这类系统对控制精度和响应要求特别高，应用在如军事装备等对系统快速性有特别高要求的场合。
伺服比例阀基本没有零位死区，既可以在零位附近工作，也可以在大开口（大流量工况）下运行。
因此伺服比例阀要考虑整个阀心工作行程内的特性。伺服比例阀主要用于对性能要求通常不是特别高的闭环控制系统。
普通的比例阀对零位特性没有特殊要求，它工作于开环系统中时，必须在比例放大器中采用快速越过死区的措施来减小死区的影响，并使之工作在大开口状态。
(3)阀心结构及加工精度不同。普通比例阀阀心采用阀心十阀体的结构，阀体兼做阀套。由于死区大，阀心与阀体允许的配合间隙较大，阀口台阶之间的尺寸公差也比较大，一般具有互换性。伺服阀和伺服比例阀采用阀心十阀体的结构，或者配做成组件，加工精度要求极高，不具备互换性。比例阀与伺服比例阀在结构和加工精度的这些区别，直接导致价格上的差异，也是对油液过滤精度要求不同的原因。而过滤精度的不同，导致系统维护的难易程度和维护成本不同。
2．伺服比例阀的特性
伺服比例阀是采用比例电磁铁作为电机械转换器，而功率级滑阀又采用伺服阀的加工工艺，是比例和伺服技术紧密结合的结果。伺服比例阀阀心采用伺服阀的结构和加工工艺（零遮盖阀口、阀心与阀套之间的配合精度与伺服阀相当），解决了闭环控制要求死区小的问题。它的性能介于伺服阀和普通比例阀之间，但它对油的清洁度要求低于电液伺服阀，特别适用于各种工业的闭环控制。
3．伺服比例阎在电站的应用
某电站调速器系统，采用德国BOSCH公司生产的伺服比例阀作为调速器液压系统的电液转换元件。每套调速器采用两个伺服比例阀，两个伺服比例阀工作时是热备用的关系，一个为主用、一个为备用。当主通道故障后会自动切换到备用通道，而备用通道故障时不能自动切换到主用通道，必须手动切换。
 伺服比例阀有四个工位，其原理如图55所示（从右到左分别是第一工位到第四工位）。线圈不励磁时处于第四工位，第四工位是保护位。根据伺服比例阀的输入、输出特性，伺服比例阀功放板接受土10V的控制信号，经其放大后输出相应的电流信号，电流信号在伺服比例阀线圈中产生的磁场驱动比例电磁铁移动相应的位移量，从而带动伺服比例阀的阀心移动，输出相应的流量，输出流量与输入控制信号成比例线性关系。阀心移动的同时，内置差动变压器式位移传感器检测阀心位置，并将其信号反馈到比例放大器，与比例电磁铁形成闭环位置控制。
伺服比例阀的主要特点是：
(1)动态响应好。阶跃信号的调节时间＜25ms，-3dB频宽约40～70Hz。
(2)静态精度高。其滞环，重复精度为0.1%～0.2%。
(3)采用强电流信号控制，功率大，提高了伺服比例阀的操作力，加上结构简单，无阻尼孔，因此抗油污能力强，提高了伺服比例阀工作的可靠性。
(4)精确制造的硬质阀心和硬质阀套。其轴向配合精度达到0.002mm，保证了其液压功率级达到伺服阀所要求的零开口工作状态，以及陡峭的压力增益特性和平直的流量增益特性。
(5)零位耗油量小，公称流量100L/min。在10MPa压力下泄漏量＜2L/min。温漂小，当ΔT=40℃时，其输出变化小于1%。
(6)内置差动变压器式位移传感器检测阀心位置，并将其信号反馈到比例放大器，与比例电磁铁形成闭环位置控制系统，大大提高了比例电磁铁的动态特性。
(7) DC/DC位置检测方式，提高了差动变压器的响应特性和抗干扰能力。
(8)与之配套的比例放大器采用桥式双控高频脉宽调制驱动电路，配合小电感电磁线圈，提高了伺服比例阀的响应速度，并且使电磁线圈中电流升高和降低的延时基本相同，在电路上为提高伺服比例阀的频响提供了条件。比例放大器所设置均具有PID调节功能的电流和位置两个闭环控制回路，使伺服比例阀达到了最佳特性。
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