4WRE6E型電液比例方向閥特性的測(cè)試分析

比例方向閥是以常規(guī)電磁方向閥為基礎(chǔ)，采用比例電磁鐵進(jìn)行改型，逐步發(fā)展并完善起來(lái)的。與伺服閥相比，它具有抗污染性強(qiáng)、工作可靠、無(wú)零漂、價(jià)廉和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。隨著比例方向閥設(shè)計(jì)原理的進(jìn)一步完善，并與比例放大器和數(shù)字控制技術(shù)的結(jié)合發(fā)展，采用位移電反饋和電校正等技術(shù)手段，使比例方向閥靜、動(dòng)態(tài)性能都有了相當(dāng)大的提高。至今，高性能的比例方向閥與流量形電液伺服閥一樣，除控制流量的方向外，在閥壓降一定的條件下，也能精確、線性地控制流量大小。在以比例方向閥作為電液轉(zhuǎn)換和功率放大控制元件的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，比例方向閥作為系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，其靜、動(dòng)態(tài)特性對(duì)系統(tǒng)的控制性能有很大影響。通過(guò)對(duì)比例方向閥靜、動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)研究，證明比例方向閥與伺服閥一樣，可以在大多數(shù)的工業(yè)電液伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

1．工作原理

4WRE6E型帶閥心位移電反饋的四通比例方向閥及與之相配套的VT5005比例放大器工作原理框圖如圖34所示。

比例方向閥和比例控制放大器相結(jié)合組成了一個(gè)由控制信號(hào)電壓U。來(lái)控制四通閥心位移x_v，的電子一液壓機(jī)械反饋控制系統(tǒng)。外輸入信號(hào)U_c經(jīng)過(guò)斜坡發(fā)生器、補(bǔ)償部分閥死區(qū)的階躍突跳發(fā)生器后，轉(zhuǎn)換成閥心閉環(huán)系統(tǒng)的輸入電壓U_a，與閥心位移x_v的反饋信號(hào)電壓U_t相比較，即組成了閑心位移Xv的電氣機(jī)械閉環(huán)控制系統(tǒng)。該比例方向閥的基本參數(shù)為額定流量：10L/min(閥壓降為1MPa)；輸入電壓：10V。

2．實(shí)驗(yàn)

(1)實(shí)驗(yàn)油路。比例方向閥的靜、動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要由1170頻響分析儀（兼作信號(hào)發(fā)生器）、1180繪圖儀、X-Y函數(shù)記錄儀、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、計(jì)量馬達(dá)和恒壓油源等組成，實(shí)驗(yàn)油路如圖35所示。

(2)靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)。電液比例方向閥的靜態(tài)特性可采用流量形電液伺服閥靜態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)研究方法，即根據(jù)測(cè)試空載流量特性、負(fù)載流量特性、壓力增益特性等曲線和所得的相應(yīng)參數(shù)加以評(píng)定。由于比例閥不采用噴嘴、擋板前置級(jí)，因而不測(cè)試零位流量特性，而只對(duì)反映其主要靜態(tài)特性的空載流量特性進(jìn)行測(cè)試。

采用1170頻響分析儀輸出控制電壓U_c，以低頻三角波作全周期連續(xù)重復(fù)掃描，在不同供油壓力p_s下，把比例放大器的輸入控制電壓U_c和測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U₀通過(guò)XY記錄儀連續(xù)描繪，即得到空載流量Q_L與控制電壓U_c之間的靜態(tài)特性曲線Q_L-U_c，如圖36所示。

由特性曲線可得比例閥主要的靜態(tài)指標(biāo)：線性度≤6%、滯回≤2%、對(duì)稱度≤6%（補(bǔ)償零偏后）、死區(qū)±5%、零偏5%、零漂=0。

1)零偏值5%可用比例放大器的零偏調(diào)節(jié)電位器完全調(diào)整到0V。

2)死區(qū)士5%是比例方向閥為降低工藝成本、價(jià)廉的需要而固有的，但在數(shù)字控制系統(tǒng)中可通過(guò)數(shù)字補(bǔ)償而基本消除。

3)零漂為零是比例方向閥的突出優(yōu)點(diǎn)之一。

4)線性度在（消除死區(qū)后的）-4～1V內(nèi)其流量增益較低，這是比例閥不如電液伺服閥的特性，但對(duì)一般工業(yè)閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的影響不大。

5)由于采用了閥心位移電反饋閉環(huán)控制技術(shù)，其靜態(tài)性能指標(biāo)線性度、滯回、對(duì)稱度都比較好。

(3)動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)。比例方向閥的動(dòng)態(tài)特性可以用控制電壓U_c和閥心位移反饋電壓U_f之間的頻率響應(yīng)特性來(lái)表示。

在供油壓力p_s=7.0MPa和空載的條件下，頻率特性輸入控制電壓U_c的中點(diǎn)U_cc取在額定值的中間，即+5V的“A”繞組和-5V的“B”繞組兩組，U_cc的峰峰值U_cvv取額定值的50%，即U_cvv=5V。用1170頻響分析儀作不同頻率的正弦掃描，用1180描繪出波德圖。圖37所示為“B"繞組的幅頻L和相頻Ф特性實(shí)驗(yàn)曲線。

從特性曲線可知：-3dB幅頻為9.7Hz，-90°相頻為21Hz。與一般伺服閥相比，已占伺服閥固有頻率的一半，何況試驗(yàn)的峰峰值占額定值的50%，而伺服閥動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的峰峰值一般僅占額定電流的30%。

近20Hz頻寬的二階環(huán)節(jié)足以滿足多數(shù)工程閉環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

3．總結(jié)

(1)由于工藝、廉價(jià)原因而造成比例閥死區(qū)較大是客觀存在的，但應(yīng)用于控制系統(tǒng)時(shí)，可應(yīng)用數(shù)字控制系統(tǒng)的數(shù)字補(bǔ)償方法加以消除。

(2)靜態(tài)特性指標(biāo)線性度、滯回、對(duì)稱度和重復(fù)精度等可以和一般的工業(yè)電液伺服閥相比。

(3)動(dòng)態(tài)特性固有頻率達(dá)20Hz左右，至少可達(dá)到工業(yè)伺服系統(tǒng)中動(dòng)圈式電液伺服閥的要求，因而可以滿足多數(shù)工業(yè)主機(jī)對(duì)電液比例伺服系統(tǒng)的特性要求。

(4)電子液壓機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸入功率較大，通常要比電液伺服閥大一個(gè)數(shù)量級(jí)，這是保證其工作可靠的技術(shù)措施之一。

(5)電液比例方向閥是基于常規(guī)電磁方向閥的滑閥式結(jié)構(gòu)原理，因此，對(duì)液壓油的過(guò)濾精度要求比電液伺服閥低。

(6)電液比例方向閥工作時(shí)的單口閥壓降約為1MPa，比電液伺服閥3.5MPa的單口閥壓降低。因此，采用電液比例方向閥系統(tǒng)的能耗和溫升將遠(yuǎn)比采用電液伺服閥的系統(tǒng)要低。