3.2 电液控制阀
电液伺服阀、电液比例阀和电液数字阀统称为电液控制阀，是液压技术与电子技术相结合发展的一类液压阀，是电液控制系统的心脏。电液控制阀既是系统中电气控制部分与液压执行部分之间的接口，又是小信号控制大功率的放大元件。电液控制阀的特性直接影响甚至决定这整个系统的特性，因此了解与掌握电液控制阀的类型、性能和特点，是正确分析、设计和使用电液控制系统的前提。
3.2.1 电液比例控制阀
1. 功用与特点
电液比例控制阀（简称电液比例阀或比例阀）是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压控制阀。
电液比例阀多用于开环液压控制系统中，实现对液压参数的遥控，也可以作为信号转换与放大元件用于闭环控制系统。与手动调节和通断控制的普通液压阀相比，它能显著地简化液压系统，实现复杂程序和运动规律的控制，便于机电一体化，通过电信号实现远距离控制，大大提高液压系统的控制水平；与电液伺服阀相比，尽管其动态、静态性能有些逊色，但在结构与成本上具有明显优势，能够满足多数对动静态性能要求不高的场合。但随着电液伺服比例阀（亦称高性能或高频响比例阀）的出现，电液比例阀的性能已接近甚至超过了伺服阀，体现了电液比例控制技术的生命力。
2 . 组成
电液比例阀通常是由电气-机械转换器、液压放大器（先导级阀和功率级主阀）和检测反馈机构三部分组成。若是单级阀，则无先导级阀。
（1）比例电磁铁
电液比例阀中的电气-机械转换器通常是比例电磁铁，它是电子与液压的耦合环节，用于将输入电信号通过比例放大器放大后（通常为24V直流，800mA直流，800mA的或更大的额定电流）转换为力或位移，以产生驱动先导级阀运动的位移或转角。
比例电磁铁具有结构简单、成本低廉、输出推力和位移大、对油质要求不高、维护方便等特点。比例电磁铁的特性及工作可靠性，对电液比例控制系统和原件具有十分重要的影响。对比例电磁铁的主要技术要求有：①水平的唯一-力特性，即在比例电磁铁有效工作行程内，当线圈电流一定时，其输出力保持恒定，与位移无关。②稳态电流-力特性具有良好的线性度，较小的死区及滞回。③动态特性阶跃响应快，频响高。
按照输出位移的形式，比例电磁铁有单向和双向两种，而单向比例电磁铁较常用。
①单向比例电磁铁：典型的耐高压单向比例电磁铁结构由推杆、衔铁、导向套、壳体、轭铁等部分组成。导向套前后两段为导磁材料（工业纯铁），导向套前段有特殊设计的锥形盆口。两段之间用非导磁材料（隔磁环）焊接成整体。筒状结构的导向套具有足够的耐压强度，可乘受35MPa的液压力，耐高压电磁铁因此而得名。壳体与导向套之间配置同心螺线管式控制线圈。衔铁前端所装的推杆，用以输出力或位移，后端所装的调节螺钉和弹簧组成凋零机构，可在一定范围内对比比例电磁铁乃至整个比例阀的稳态控制特性进行调整，以增强其通用性(几种阀共用一个电磁铁)。衔铁支撑在轴承上，以减小黏滞摩擦力。比例电磁铁通常为湿式直流控制(内腔要充入液压油)，使其成为衔铁移动的一个阻尼器，以保证比例元件具有足够的动态稳定性。
工作时，线圈通电后形成的磁路经壳体、导向套、衔铁后分为两路，一路由导向套前端到轭铁而产生斜面吸力，另一路直接由衔铁断面到轭铁而产生表面吸力，二者的合成力即为比例电磁铁的输出力。比例电磁铁在整个行程区内，可以分为吸合区、有效行程区和空行程区三个区段：在吸合区，工作气隙接近于零，输出力急剧上升，由于这一区段不能正常工作，因此结构上用加不导磁的限位片的方法将其排除，行程；表面力；使衔铁不能移动到该区段内；在空行程区工作气隙合成力；斜面力较大，电磁铁输出力明显下降，这一区段虽然也不能单向电磁铁的正常工作，但有时是需要的，例如用于直接控制式比位移一吸力特性例方向阀的两个比例电磁铁中，当通电的比例电磁铁工作在工作行程区时，另一端不通电的比例电磁铁则处于空行程区；在有效行程区(工作行程区)，比例电磁铁具有基本水平的位移一力特性，工作区的长度与电磁铁的类型等有关。
由于比例电磁铁具有与位移无关的水平的位移-力特性，所以一定的控制电流对应一定的输出力，即输出力与输入电流成比例，改变电流即可成比例改变输出力。当电磁铁输入电流往复变化，相同电流对应的吸力不同，一般将相同电流对应的往复输人电流差的最大值与额定电流的百分比称为滞环。引起滞环的主要原因有电磁铁中软磁材料的磁化特性及摩擦力等因素。为了提高比例阀等比例元件的稳态性能，比例电磁铁的滞环越小越好，还希望比例电磁铁的零位死区比例电磁铁输出力为零时的最大输入电流l与额定电流的百分比)小且线性度(直线性)好。
②双向比例电磁铁：耐高压双向极化式比例电磁铁的结构原理采用了左、右对称的平头一盆Ⅵ形动铁式结构。左、右线圈中各有一个励磁线圈和控制线圈。当励磁线圈通以恒定的励磁电比例电磁阀的硫后，在左右两侧产生极化磁场。仅有励磁电流时，由电流-力特性于电磁铁左右结构及线圈的对称性，左右两端吸力相等、方向相反时，衔铁处于平衡状态，输出力为零。当控制线圈通人差动控制电流后，左右两端总磁通分别发生变化，衔铁两端受力不相等而产生与控制电流数值、方相对应的输出力。
该比例电磁铁把极化原理与合理的平头一盆口动铁式结构结合起来，使其具有良好的位移=力水平特性以及良好的电流-输出力比例特性滞环小，动态响应特性好。不但用于组成比例阀，伺服阀，且无零位死区、线性度好，还可作为动铁式力电机，用于组成工业用伺服阀。
比例电磁铁的端面外形尺寸和螺孔安装尺寸基本上已经实现标准化，但同一规格的比例电磁铁产品的结构、参数却因不同制造商而异，这是在比例电磁铁选择使用中特别应当注意的。
（2）液压放大器及检测反馈机构
①先导级阀的结构形式及特点：电液比例阀的先导级阀用于接受小功率的电气-机械转换器输入的位移或转角信号，将机械量转换为液压力驱动主阀。先导级阀主要有锥阀式、滑阀式、喷嘴挡板式等结构形式，采用锥阀作先导级的占大多数。传统的锥阀优点是加工方便，关闭时密封性好，效率高，抗污染能力强。为了改善锥阀阀芯的导向性和阻尼特性或降低噪声等，有时增加圆柱导向阻尼或减振活塞部分，但往往增大了阀芯尺寸和重量。
②功率级主阀的结构形式及特点：电液比例阀的功率级主阀用于将先导级阀的液压力转换为流量或压力输出。主阀通常是滑阀式、锥阀式或插装式，其结构与普通液压阀的滑阀、锥阀或插装阀结构类同，可参阅相关文献，此处从略。
③反馈检测机构：设在阀内部的机械、液压及电气式检测反馈机构将主阀控制口或先导级阀口的压力、流量或阀芯的位移反馈到先导级阀的输入端或比例放大器，实现输入输出的平衡。
1. 典型结构与工作原理
电液比例压力阀、流量阀和方向阀均有直动式和先导式之分，并各有普通型(不带位移反馈)和位移反馈型两种结构形式。
(1)电液比例压力阀
不带电反馈的直动式电液比例压力阀，它由比例电磁铁和直动式压力阀两部分组成。直动式压力阀的结构与普通压力阀的先导阀相似，所不同的是阀的调压弹簧换为传力弹簧，手动调节螺钉部分换装为比例电磁铁。锥阀芯与阀座间的弹簧主要用于防止阀芯的振动撞击。阀体为方向阀式阀体。当比例磁铁输入控制电流时，衔铁推杆输出的推力通过传力弹簧作用在锥阀芯上，与作用在锥芯上的液压力相平衡，决定了锥阀芯与阀座间的开口量。由于开口量变化微小，故传力弹簧变形量的变化也很小，若忽略液顽力的影响，则可认为在平衡条件下，所控制的压力与比例电磁铁的输出电磁力成正比，从而与输入比例电磁铁的控制电流近似成正比。这种压力阀除了在小流量场合作为元件单独使用外，更多的作为先导阀与普通溢流阀、减压阀的主阀组合，构成不反馈的先导式电液比例溢流阀、先导式电液比例减压阀，改变输入电流大小，即可改变电磁力，从而改变导阀前腔(即主阀上腔)压力，实现对主阀的进口或出口压力的控制。
位移电反馈型直动式电液比例压力阀与不带电反馈的直动式电液比例压力阀所不同的是，比例电磁铁带有位移传感器，工作时，给定设定值电压，比例放大器输出相应控制电流，比例电磁铁推杆输出的与设定值成比例的电磁力，通过传力弹簧作用在锥阀芯上；同时，电感式位移传感器检测电磁铁衔铁推杆的实际位置(即弹簧座的位置，并反馈至比例放大器，利用反馈电压与设定电压比较的误差信号去控制衔铁的位移，即在阀内形成衔铁位置闭环控制。利用位移闭环控制可以消除摩擦力等干扰的影响，保证弹簧座能有一个与输入信号成正比的确定位置，得到一个精确的弹簧压缩量，从而得到精确的压力阀控制压力。电磁力的大小在最大吸力之内由负载需要决定。当系统对重复精度、滞环等有较高要求时，可采用这种带电反馈的比例压力阀。
带手调安全阀的先导式电液比例溢流阀。它的上部为先导级，是一个直动式比例压力阀，下部为功率级主阀组件（带锥度的锥阀结构），中部配置了手调限压阀，用于防止系统过载。该阀的工作原理，除先导级采用比例压力阀之外与普通先导式溢流阀基本相同。手调限压阀与主阀一起构成一个普通的先导式溢流阀，当电气或液压系统发生意外故障时，它能立即开启使系统卸压，以保证液压系统的安全。
（2）电液比例流量阀
直动式电液比例节流阀结构简单、价廉，滑阀机能除了常闭式外，还有敞开式；但由于没有压力或其他检测补偿措施，工作时受摩擦力及液动力的影响，故控制精度不高，适宜低压小流量液压系统采用。
位移电反馈型直动式电液比例调速阀由节流阀、作为压力补偿器的定差减压阀及单向阀和电感式位移传感器等组成。节流阀芯的位置通过位移传感器检测并反馈至比例放大器。这种比例调速阀可以克服干扰力的影响，静态、动态特性较好，主要用于较小流量的系统。
（3）电液比比例方向阀
电液比例方向控制阀能按输入电信号的极性和福值大小，同时对液压系统液流方向和流量进行控制，从而实现对执行器运动方向和速度的控制。在压差恒定条件下，通过电液比例方向阀的流量与输入电信号的福值成比例，而流动方向取决于比例电磁铁是否受到激励。
普通型直动式电液比例方向节流阀主要由两个比例电磁铁、阀体、阀芯、对中弹簧组成。与伺服阀不同的是，这种阀的四个控制便有较大的遮盖量，端弹簧具有一定的安装预压压缩量。阀的稳态控制特性由较大的中位死区。另外，由于受摩擦力及阀口液动力等干扰的影响，这种直动式电液比例方向节流阀的阀芯定位度不高，尤其是在高压大流量工况下，稳态液动力的影响更加突出。为了提高电液例方向阀的控制精度，可以采用位移电反馈型直动式电液比例方向节流阀。
减压型先导级+主阀弹簧定位型电液比例方向节流阀的先导阀能输出与输入电信号成比例的控制压力，与输入信号极性相对应的两个出口压力，分别被引至主阀芯的两端，利用它在两个端面上所产生的液压力与对中弹簧的弹簧力平衡，使主阀芯与输入信号成比例定位。采用减压型先导级后不必像原理相似的先导溢流型那样，持续不断地耗费先导控制油。先导控制油既可内供，也可外供，如果先导控制油压力超过规定值，可用先导减压阀块将先导压力降下来。主阀采用单弹簧对中形式，弹簧有预压缩量，当先导阀无输入信号时，主阀芯对中。单弹簧既简化了阀的结构，又使阀的对称性好。
2. 主要特性及性能参数
(1)静态特性
电液比例阀的静态特性是指稳定工作条件下，比例阀的各静态参数(流量、压力、输入电流或电压)之间的相互关系。这些关系可用相关特性方程或在稳定工况下输入电流信号由0增加至额定值l，又从额定值减小到0的整个过程中，被控参数(P或q)的变化曲线(简称特性曲线)来描述。
电液比例阀的理想静态特性曲线应为通过坐标原点的一条直线，以保证被控参数与输入信号完全成同一比例。但因为阀内存在摩擦、磁滞及机械死区等因素，故阀的实际静态特性曲线是一条封闭的回线。此回线与通过两端平均直线之间的差别反映了稳态工况下比例阀的控制精度和性能，这些差别主要由非线性度、滞环、分辨率、重复精度等静态性能指标参数进行描述。
①非线性度：比例阀实际特性曲线上各点与平均斜线间的最大电流偏差与额定输入电流的百分比，称为电液比例阀的非线性度。非线性度越小比例阀的静态特性越好。电液比例阀的非线性度通常小于10%。
②滞环：电液比例阀的输入电流在作一次往复循环中，同一输出压力或流量对应的输入电流的最大差值与额定输入电流的百分比，称为电液比例阀的滞环误差，简称滞环。滞环越小，比例阀的静态性能越好。电液比例阀的滞环通常小于7%，性能良好的比例阀滞环小于3%。
③分辨率：使比例阀的流量或压力产生变化(增加或减少)所需输入电流的最小增量值与额定输入电流的百分比，称为电液比例阀的分辨率。分辨率小时静态性能好，但分辨率过小会使阀的工作不稳定。
④重复精度：在某一输出参数(压力或流量)下从一个方向多次重复输入电流，多次输入电流的最大差值lm与额定输入电流的百分比，称为电液比例阀的重复精度，一般要求重复精度越小越好。
需要说明的是，由于电液比例阀一般不在零位附近工作，而且对它的工作性能要求也不像电液伺服阀那样高，因此比例阀的死区以及由于油温和进出口压力变化引起的特性零位漂移等，对阀的工作影响不太显著，一般不作为电液比例阀的主要性能指标。
（2）动态特性
电液比例阀的动态特性用频率响应（频域特性)和瞬态响应表示。电液比例阀的频率响应特性用波德图表示。并以比例阀的幅值比为-3dB(即输出流量为基准频率时输出流量的70.7%)时的频率定义为幅频宽，将相位滞后达到-90°时的频率定义为相频宽。应取幅频宽和相频宽中较小者作为阀的频宽值。频宽是比例阀动态响应速度的度量，频宽过低会影响系统的响应速度，过高会使高频传到负载上去。一般电液比例阀的在1Hz~10Hz之间，而高性能的电液伺服比例阀的频宽可达120Hz，甚至更高。
电液比例阀的瞬态响应特性也是指通过对阀施加一个典型输入信号(通常为阶跃信号)，阀的输出流量在阶跃输入电流的跟踪过程中所表现出的振荡衰减特性。反映电液比例阀瞬态响应快速性的时域性能主要指标有超调量、些指标的定义与电液何服阀的相同。
3.2.2电液数字控制阀
1. 功用与特点
用数字信号直接控制液流的压力、流量和方向的阀，称为电液数字阀(简称数字阀)。与电液伺服阀和比例阀相比，数字阀的突出特点是：可直接与计算机接口，不需D/A转换器，结构简单、价廉，抗污染能力强，操作维护更简单，数字阀的输出量准确、可靠地由脉冲频率或宽度调节控制，抗干扰能力强，可得到较高的开环控制精度等，所以得到了较快发展。在计算机实时控制的电液系统中，已部分取代伺服阀或比例阀。根据控制方式不同，电液数字阀可分为增量式和高速开关式两大类，这两类阀的工作原理、控制方法及性能特点均有较大不同。
2. 基本工作原理
(1)增量式电液数字阀
增量式数字阀是采用由脉冲数字调制演变而成的增量控制方式，以步进电动机作为电气-机械转换器，驱动液压阀芯工作，因此又称步进式数字阀。微型计算机(下简称微机)发出脉冲序列经驱动器放大后使步进电动机工作。步进电动机是一个数字元件，根据增量控制方式工作增量控制方式是由脉冲数字调制法演变而成的一种数字控制方法。是在脉冲数字信号的基础上，使每个采样周期的步数在前一采样周期的步数上增加或减少一些步数，从而达到需要的幅值。步进电动机转角与输入的脉冲数成比例，步进电动机每得到一个脉冲信号，步进电动机的转子便沿给定方向转动一固定的步距角，再通过机械转换器(丝杄-螺母或凸轮机构)使转角转换为轴向位移，使阀口获得一相应开度，从而获得与输入脉冲数成比例的压力、流量。有时，阀中还设置用以提高阀重复精度的零位传感器和用以显示被控量的显示装置。
增量式数字阀阌的输出量与输入脉冲数成正比，输出响应速度与输入脉冲频率成正比。对应于步进电动机的步距角的输出量有一定的分辨率，它直接决定了阀的最高控制精度。
步进电动机是电液数字阀的重要组成部分，它是一种数字式的回转运动电气-机械换器，利用电磁作用原理工作，它将电脉冲信号转换成相应的角位移。步进电动机由专用的驱动电源(控制器)供给电脉冲，每输入一个脉冲，电动机输出轴就转动一个步距角，实现步进式运动。
按工作原理不同，步进电动机有反应式(转子为软磁材料)、永磁式(转子材料为永久磁铁)和混合式(铃子中既有永久磁铁又有软磁体)等，各式步进电动机的具体工作原理可参阅相关文献资料。其中反应式步进电动机结构简单，应用普遍；永磁式步进电动机步距角大，不适宜控制；混合式步进电动机自定位能力强且步距角较小。研究实践表明，混合式步进电动机用作电液数字流量阀和电液数字压力阀的电气一机械转换器，控制性能和效果良好。
当决定采用步进电动机作为液压阀的电气-机械转换器时，应根据实际使用要求的负载力矩、运行频率、控制精度等依据制造商的产品型录(或样本)及使用指南提供的运行参数和矩频特性曲线选择合适的步进电动机型号及其配套的驱动电源。步进电动机在使用中应注意合理确定运行频率，否则将导致带载能力降低而产生丢步甚至停转现象，使步进电动机工作失常。
(2)高速开关式数字阀
高速开关式数字阀的数字信号控制方式为脉宽调制式，即控制液压阀的信号是一系列幅值相等、在每一周期内宽度不同的脉冲信号，因此又称脉宽调制式数字阀。微机输出的数字信号通过脉宽调制放大器调制放大后使电气-机械转换器工作，从而驱动液压阀工作。由于作用阀上的信号为一系列脉冲，因此液压阀只有与之相对应的快速切换的开和关两种状态，从而以开启时间的长短来控制流量或压力。高速开关式数字阀中液压阀的结构与其阀不同，它是一个快速切换的开关，只有全开、全闭两种工作状态；电气-机械转换器主要是力矩电机和各种电磁铁。
3. 典型结构与工作原理
（1）增量式数字阀
增量式数字流量阀的步进电动机的转动通过滚珠丝杆转化为轴向位移，带动节流阀阀芯移动，控制阀口的开度，从而实现流量调节。该阀的阀口由相对运动的阀芯和阀套组成，阀套上有两个通流孔口，左边为全周开口，右边为非全周开关，阀芯移动时先打开右边的节流口，得到较小的控制流量；阀芯继续移动，则打开左边阀口，流量增大，这种结构使阀的控制流量可达3600L/min。阀的液流流入方向为轴向，流出方向可与轴线垂直，这样可抵消一部分阀开口流量引起的液动力，并使结构紧凑。连杆的热膨胀可起温度补偿作用，减小温度变化引起的流量不稳定。阀上的零位移传感器用于在每个控制周期终了时控制阀芯回到零位，以保证每个工作周期有相同的起始位置，提高阀的重复精度。
增量式电液数字方向流量阀是一种复合阀，其方向与流量控制融为一体。若假设进入液压执行器的流量为正，流出流量为负，则执行器换向意味着流量由正变为负，反之亦然。带压力补偿的先导式增量数字方向流量阀，该阀的动作原理可以看成是由挡板阀控制的差动活塞(主阀芯)缸。压力为的先导压力油从口进入腔，经节流孔(阻尼孔)后降为，再从挡板缝隙处流出，平衡状态时有腔的压力受缝隙控制，挡板向前时，减小，上升，迫使主阀后退，直至再次满足，时挡板与喷嘴的间隙恢复为平衡状态时的，反之亦然。可见该阀的动作原理可以看成是由挡板阀控制主阀的位置伺服系统，执行元件为主阀芯。主阀芯的位移也可以以这一微小增量变化，从而实现对流量的微小调节。为了使阀芯节流口前后压差不受负载影响，保持恒定，阀的内部可以设有定差减压阀或定差溢流阀。定差溢流阀是一个先导式定差溢流阀，弹簧腔通过阀芯的内部通道，实现双向进口节流压力补偿。
(2)高速开关式数字阈
高速开关式数字阀有二位二通和二位三通两种，两者又各有常开和常闭两类。为了减少泄漏和提高压力，其阀芯一般采用球阀或锥阀结构，但也有采用喷嘴挡板阀的。
力矩电机-球阀型二位三通高速开关式数字阀，其驱动部分为力矩电机，根据线圈通电方向不同，衔铁顺时针或逆时针方向摆动，输出力矩和转角。液压部分有先导级球阀和功率级球阀。若脉冲信号使力矩电机通电时，衔铁顺时针偏转，先导级球阀向下运动，关闭压力油口腔与回油腔接通，功率级球阀在液压力作用下向上运动。这种阀的额定流量仅1.2L/min工作压力可达20MPa，最短切换时间为0.8ms。
4. 技术性能
电液数字阀的性能指标既与阀本身的性能有关，也与控制信号、放大器的结构以及与主机的匹配有关，是一项综合指标。
(1)静态特性
数字阀的静态特性可用输入的脉冲数或脉宽占空比与输出流量或压力之间的关系式或曲线表示。数字阀的优点之一是重复性好，重复精度高，滞环很小(<0.1%)。增量式数字阀的静态特性(控制特性)实际由两只数字阀组成。选用步距角较小的步进电动机或采取分频等措施可提高阀的辨率，从而提高阀的控制精度。
脉宽调制式数字阀的静态特性(控制特性)的控制信号太小时不足以驱动阀芯，太大时又使阀始终处于吸合状态，因而有起始脉宽和终止脉宽限制。起始脉宽对应死区，终止脉宽对应饱和区，两者决定了数字阀实际的工作区域；必要时可以用控制软件或放大器的硬件结构消除死区或饱和区。当采样周期较小时，最大可控流量也小，相当于分辨率提高。
(2)动态特性
增量式数字阀的动态特性与输入信号的控制规律密切相关。增量式数字压力阀用程序优化控制时可得到良好的动态性能。
脉宽调制式数字阀的动态特性可用它的切换时间来衡量。由于阀芯的位移较难测量，可用控制电流波形的转折点得到阀芯的切换时间。
为了提高数字阀的动态响应，对于增量式发可采用高压、低压过激驱动和抑制电路以提高其开和关的速度；对于脉宽调制式阀可采用压电晶体电气-机械转换器，但它的输出流量更小，而电控功率要求更大。
未完待续！
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