VICKERS柱塞泵原理作用

動(dòng)圈式壓力伺服閥

    一種壓力伺服閥，其功用是將電信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)換為氣體壓力輸出。主要組成局部有：動(dòng)圈式力馬達(dá)1、噴嘴2、擋板3、固定節(jié)流口4、閥芯5、閥體6、復(fù)位彈簧7、租尼孔8等。

    初始狀態(tài)時(shí)，力馬達(dá)無(wú)電流輸入，噴嘴與擋板處在全開(kāi)位置，控制腔內(nèi)的壓力與大氣壓簡(jiǎn)直相等。滑閥閥芯在復(fù)位彈簧推力的作用下處在右位，美國(guó)威格士VICKERS柱塞泵 這時(shí)輸出口A與排氣口通，與氣源口P斷開(kāi)。當(dāng)力馬達(dá)有電流I輸入時(shí)，力馬達(dá)產(chǎn)生推力Fm（=KiI），將擋板推向噴嘴，控制腔內(nèi)的氣壓P9升高。P9的升高使擋板產(chǎn)生反推力，直至與電磁力Fm相均衡時(shí)P9才穩(wěn)定，這時(shí)Fm=Iki=P9Ay+Yksy式中   Ay----噴嘴噴口面積；Y----擋板位移；Ksy----力馬達(dá)復(fù)位彈簧剛度。

    VICKERS柱塞泵原理作用另一方面，P9升高使閥芯左依，翻開(kāi)A口與P口，A口的輸出壓力P10升高，而P10經(jīng)過(guò)阻尼孔8被引到閥芯左腔，該腔內(nèi)的壓力P11也隨之升高。P11作用于閥芯左端面阻止閥芯挪動(dòng)，直至閥芯受力均衡，這時(shí)（P9-P11）Ax=（X+X0）Ksx式中   A x----閥芯斷面積X----閥芯位移；X0----滑閥復(fù)位彈簧的預(yù)緊縮量；Ksx----滑閥復(fù)位彈簧剛度。

由以上兩式可得到

P11=[P9Ax-（X+X0）Ksx]/Ax=（Iki-Yksy）/Ay-（X+X0）Ksx/Ax

    由設(shè)計(jì)保證，使工作時(shí)閥芯有效行程X與彈簧預(yù)緊縮量X0相比小得多，可疏忽不計(jì)，同時(shí)擋板位移量Y在調(diào)理過(guò)程中變化很小，可近似為一常數(shù)，則上式簡(jiǎn)化為

P11=KI+C

    其中K=Ki/Ay,稱為電-氣伺服閥的電流—壓力增益，而C=（X0Ksx/Ax+Yksy/Ay）是一常數(shù)。

由上式可見(jiàn)，P11與輸入電流成線性關(guān)系。閥芯處于均衡時(shí)，P10=P11，因而伺服閥的輸出壓力與輸入電流成線性關(guān)系。

脈寬調(diào)制伺服閥

    與模仿式伺服閥不同，脈寬調(diào)制氣動(dòng)美國(guó)穆格MOOG伺服閥控制是一種數(shù)字式伺服控制，采用的控制閥是開(kāi)關(guān)式氣動(dòng)電磁閥。脈寬調(diào)制氣動(dòng)伺服系統(tǒng)如圖所示。輸入的模仿信號(hào)經(jīng)脈寬調(diào)制器調(diào)制成具有一定頻率和一定幅值的脈沖信號(hào)，經(jīng)數(shù)字放大后控制氣動(dòng)電磁閥。電磁閥輸出的是具有一定壓力和流量的氣動(dòng)脈沖信號(hào)，但已具有足夠的功率，能借助氣動(dòng)執(zhí)行元件對(duì)負(fù)載做功。脈沖信號(hào)必需經(jīng)過(guò)低通濾波器復(fù)原成模仿信號(hào)去控制負(fù)載。低通濾波器能夠是氣動(dòng)執(zhí)行元件，也能夠是負(fù)載自身。采用前者濾波方式的稱脈寬調(diào)制線性化系統(tǒng)，采用后者濾波的是依托負(fù)載的較大慣性，它不能響應(yīng)高頻的脈沖信號(hào)，只能響應(yīng)脈寬調(diào)制信號(hào)的均勻效果。

   負(fù)載響應(yīng)的均勻效果是與脈寬調(diào)制信號(hào)的調(diào)制量成正比的，其控制機(jī)理是：關(guān)于一個(gè)周期的脈沖波，設(shè)正脈沖和負(fù)脈沖的時(shí)間分別為T1和T2，周期為T，脈沖幅值為Ym ,則一個(gè)周期內(nèi)的均勻輸出Ya為

     Ya=Ym（T1-T2）/T=YmKm

   式中Km=（T1-T2）/T稱調(diào)制量（也稱調(diào)制系數(shù)）。一個(gè)周期的脈沖涉及調(diào)制量與均勻輸出的關(guān)系如下圖。由于調(diào)制量Km與輸入的模仿信號(hào)U成正比美國(guó)威格士VICKERS柱塞泵（這正是控制系統(tǒng)所請(qǐng)求的），因而均勻輸出與輸入的模仿信號(hào)之間存在線性關(guān)系。

   在脈寬調(diào)制氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中，脈寬調(diào)制伺服閥完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大作用，其常見(jiàn)的構(gòu)造有四通滑閥型和三通球閥型。下圖所示為滑閥式脈寬調(diào)制伺服閥的構(gòu)造原理圖。滑閥兩端各有一個(gè)電磁鐵，脈沖信號(hào)電流加在兩個(gè)電磁鐵上，控制閥芯按脈沖信號(hào)的頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

    脈寬調(diào)制伺服閥的性能主要是動(dòng)態(tài)響應(yīng)和對(duì)稱性請(qǐng)求。假定加在電磁鐵上的是方波脈沖信號(hào)，從電磁鐵接到信號(hào)到執(zhí)行元件開(kāi)端動(dòng)作這段時(shí)間稱信號(hào)的延遲時(shí)間。延遲時(shí)間包括三局部，一是電磁線圈中電流由零逐步增大到銜鐵開(kāi)端運(yùn)動(dòng)的電流增長(zhǎng)時(shí)間；二是銜鐵與閥芯一同運(yùn)動(dòng)的時(shí)間；三是從節(jié)流口翻開(kāi)、執(zhí)行元件工作腔停止放氣到執(zhí)行元件開(kāi)端動(dòng)作的固定容器充放時(shí)間。前兩局部時(shí)間是由脈寬調(diào)制伺服閥決議。脈寬調(diào)制氣動(dòng)伺服的工作頻率普通是十幾赫茲到二三十赫茲。為了滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特性，請(qǐng)求延遲時(shí)間越短越好，普通控制在1~2ms以內(nèi)。

   所謂對(duì)稱性請(qǐng)求，對(duì)四通滑閥，閥芯往復(fù)運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)要分歧，即加在兩個(gè)電磁鐵上的脈沖信號(hào)在傳送過(guò)程中延遲時(shí)間應(yīng)根本相同，兩輸出口的壓力與流量應(yīng)根本相同；對(duì)三通球閥，對(duì)應(yīng)脈沖信號(hào)上升沿降落沿的延遲時(shí)間應(yīng)根本相同，球閥的充氣過(guò)程和排氣過(guò)程應(yīng)根本相同。由于三通球閥與差動(dòng)氣缸匹配，其對(duì)稱性不如四通滑閥好。

   為了進(jìn)步四通滑閥的快速響應(yīng)，常采用力反應(yīng)來(lái)進(jìn)步閥芯反向運(yùn)動(dòng)的速度。圖所采用的是彈簧反應(yīng)的方式。當(dāng)信號(hào)反向時(shí)，彈簧力協(xié)助閥芯反向運(yùn)動(dòng)，美國(guó)穆格MOOG伺服閥當(dāng)閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)了中位，彈簧力改動(dòng)，起阻止閥芯運(yùn)動(dòng)的作用，并能減輕閥芯到位的沖擊力，降低噪聲。也有采用氣壓反應(yīng)的方式，其作用原理是一樣的。

   脈寬調(diào)制控制與模仿控制相比有很多優(yōu)點(diǎn)：控制閥在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作，能消弭死區(qū)、干摩擦等非線性要素；控制閥加工精度請(qǐng)求不高，降低了控制系統(tǒng)本錢；控制閥節(jié)流口經(jīng)常處于全開(kāi)狀態(tài)，抗污染才能強(qiáng)，工作牢靠。缺陷是功率輸出小，機(jī)械振動(dòng)和噪聲較。

電—氣比例伺服系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

柔性定位伺服氣缸

   柔性定位氣缸（又稱位置伺服控制系統(tǒng)）。該系統(tǒng)能夠依據(jù)輸給的電信號(hào)使氣缸活塞在恣意位置定位。

    位置伺服控制系統(tǒng)由電—氣方向比例閥由氣缸1、2、位移傳感器3、控制放大器4等組成。該系統(tǒng)的根本原理是經(jīng)過(guò)控制放大器、電—氣比例閥、氣缸的調(diào)理作用，使輸入電壓信號(hào)Ue與氣缸位移反應(yīng)信號(hào)Uf（Uf與氣缸位移之間是線性關(guān)系）之差   U減小并趨于零，以完成氣缸位移對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤。

    調(diào)理過(guò)程如下：若給定的輸入信號(hào)Uf大于反應(yīng)信號(hào)Uf，U＞0，控制放大器輸出電流I增大，使-電—氣比例閥的閥芯左移，氣源口與A口之間的節(jié)流面積增大，氣缸A腔的壓力Pa升高并推進(jìn)活塞右移。氣缸活塞的右移又使反應(yīng)電壓信號(hào)Uf增大，因而電壓偏向U減小，直至U簡(jiǎn)直為零（采用PID調(diào)理的控制放大器可將穩(wěn)態(tài)偏向調(diào)理至零）。當(dāng)給定的輸入信號(hào)小于反應(yīng)信號(hào)Uf時(shí)， U＜0，同樣經(jīng)過(guò)相似于上述的調(diào)理過(guò)程使偏向趨于零。因而在穩(wěn)定時(shí)，U=0即

     Ue=Uf=KX（K為常數(shù)）

    這就完成了輸入信號(hào)Uf對(duì)氣缸活塞位移X的比例控制。上述的調(diào)理過(guò)程是在一段很短的時(shí)間內(nèi)完成的，故只需輸入信號(hào)Ue的主要頻率重量在系統(tǒng)的頻寬之內(nèi)，氣缸活塞位移就能夠跟蹤Ue的變化。

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