1.6.5　气动比例/伺服控制技术

随着电子、材料、控制理论及传感器等技术的发展，气动比例/伺服控制技术得到了快速提高。以比例/伺服控制阀为核心组成的气动比例/伺服控制系统可实现压力、流量连续变化的高精度控制，能够满足自动化设备的柔性生产要求。

（1）比例控制阀

气动比例控制阀能够通过控制输入信号（电压或电流），实现对输出信号（压力或流量）的连续成比例控制。按输出信号的不同，可分为比例压力阀和比例流量阀两大类。其中比例压力阀按所使用的电控驱动装置的不同，又有喷嘴挡板型和比例电磁铁型之分。气动比例控制阀的类型如图1-98所示。

（2）比例压力阀

气控比例压力阀是一种比例元件，阀的输出压力与信号压力成比例，图1-99为气控比例压力阀的结构和图形符号。当有输入信号压力时，膜片6变形，推动硬芯使主阀芯2向下运动，打开主阀口，气源压力经过主阀芯节流后形成输出压力。膜片5起反馈作用，并使输出压力信号与信号压力之间保持比例。当输出压力小于信号压力时，膜片组向下运动。使主阀口开大，输出压力增大。当输出压力大于信号压力时，膜片6向上运动，溢流阀芯3开启，多余的气体排至大气。调节针阀的作用是使输出压力的一部分加到信号压力腔，形成正反馈，增加阀的工作稳定性。

图1-100所示为喷嘴挡板式电控比例压力阀的结构和图形符号。它由动圈式比例电磁铁、喷嘴挡板放大器、气控比例压力阀三部分组成，比例电磁铁由永久磁铁10、线圈9和片簧8构成。当电流输入时，线圈9带动挡板7产生微量位移，改变其与喷嘴6之间的距离，使喷嘴6的背压改变。膜片组4为比例压力阀的信号膜片及输出压力反馈膜片。背压的变化通过膜片4控制阀芯2的位置，从而控制输出压力。喷嘴6的压缩空气由气源节流阀5供给。

（3）比例流量阀

比例流量阀是通过控制比例电磁铁线圈中的电流来改变阀芯的开度（有效断面积），实现对输出流量的连续成比例控制。其外观和结构与压力型相似。所不同的是压力型的阀芯具自调压特性，靠二次压力与比例电磁力相平衡，来调节二次压力的大小；而流量型的阀芯具有节流特性，靠弹簧力与比例电磁力相平衡，来调节流量的大小和流通方向。按通数的不同，比例流量阀比例电磁铁型又有二通与三通之分。比例流量阀的工作原理如图1-101所示。在图1-101中，依靠F₁与F₂的平衡，来改变阀芯的开口面积和位置。随着输入电流的变化，三通阀的阀芯按①—②—③的顺序移动，二通阀的阀芯则按②—③的顺序移动。比例流量阀主要应用于气缸或气马达的位置或速度控制。

（4）伺服控制阀

气动伺服阀的工作原理与气动比例阀类似，它也是通过改变输入信号来对输出信号的参数进行连续、成比例的控制。它与电液比例控制阀相比，除了在结构上有差异外，主要在于伺服阀具有很高的动态响应和静态性能。但其价格较贵，使用维护较为困难。

气动伺服阀的控制信号均为电信号，故又称电-气伺服阀，是一种将电信号转换成气压信号的电气转换装置，它是电-气伺服系统中的核心部件。图1-102为力反馈式电-气伺服阀的结构和图形符号。其中第一级气压放大器为喷嘴挡板阀，由力矩马达控制，第二级气压放大器为滑阀。阀芯位移通过反馈杆5转换成机械力矩反馈到力矩马达上。其工作原理为：当有一电流输入力矩马达控制线圈时，力矩马达产生电磁力矩，使挡板偏离中位（假设其向左偏转），反馈杆变形。这时两个喷嘴挡板阀的喷嘴前腔产生压力差（左腔高于右腔），在此压力差的作用下，滑阀移动（向右），反馈杆端点随着一起移动，反馈杆进一步变形，变形产生的力矩与力矩马达的电磁力矩相平衡，使挡板停留在某个与控制电流相对应的偏转角上。反馈杆的进一步变形使挡板被部分拉回中位，反馈杆端点对阀芯的反作用力与阀芯两端的气动力相平衡，使阀芯停留在与控制电流相对应的位移上。这样，伺服阀就输出一个对应的流量，达到用电流控制流量的目的。

MPYE型气动伺服阀是FESTO公司开发的一种直动式气动伺服阀，其结构和图形符号如图1-103所示。主要由力马达、阀芯位移检测传感器、控制电路、主阀等构成。阀芯由力马达直接驱动，其位移由传感器检测，形成阀芯位移的局部负反馈，从而提高了响应速度和控制精度。

该阀为三位五通，O型中位机能。电源电压为DC24V，输入电压为0～10V。在图1-104的输入电压对应着不同的阀芯开口面积和位置，也即不同的流量和流动方向。电压为5V时，阀芯处于中位；0～5V时，P口与A口相通；5～10V时，P口与B口相通。突然停电时，结构上使阀芯返回到中位，气缸原位停止，提高了系统的安全性。该阀具有良好的静、动态特性，如表1-5所示。