淺談比例閥與伺服閥的區別

鄭瑤

摘 要：比例閥與伺服閥作為液壓系統中常用的兩種閥類元件，廣泛應用于各個液壓系統中。為了更好的選擇和使用適合于液壓系統的閥類原件，需要對二者的工作特性進行了解和研究。本文首先闡述了比例閥和伺服閥性能的區別，并分別介紹了伺服閥與比例閥的結構特點和控制特點，為閥類元件的選型和使用提供了基礎，并論述了比例閥與伺服閥的發展趨勢。

關鍵詞：伺服閥；比例閥；液壓系統；性能；結構；控制；發展

伺服閥與比例閥作為放大轉換元件，可以將偏差信號放大、轉換成液壓信號（流量或壓力），從而完成對執行機構的控制。在典型的油缸控制系統中，油缸的運動可以通過閥在不同的位置而使得油路切換而實現，這樣的閥可以采用普通換向閥。而伺服閥和比例閥不僅能夠控制油缸的運動方向，還可以精確的控制閥門開度從而在工作狀態保持不變的情況下精確控制流量。

1比例閥和伺服閥性能區別分析

電液比例閥是閥內比例電磁鐵根據輸入的電壓信號產生相應動作，使工作閥閥芯產生位移，閥口尺寸發生改變并以此完成與輸入電壓成比例的壓力、流量輸出的元件。閥芯位移也可以以機械、液壓或電的形式進行反饋。對應于普通的液壓閥都能夠找到一種與之對應的電液比例閥。電液比例閥可以用于開環系統中實現隨液壓參數的遙控，也可以作為信號轉換與放大元件用于閉環控制系統。

電液伺服閥是閉環控制系統中最重要的一種伺服控制元件，它能將微弱的電信號轉換成大功率的液壓信號（流量和壓力）。用它作轉換元件組成的閉環系統稱為電液伺服系統。對整個系統來說，電液伺服閥是信號轉換和功率放大元件；對系統中的液壓執行機構來說，電液伺服閥是控制元件；閥本身也是個多級放大的閉環電液伺服系統，提高了伺服閥的控制性能。電液伺服系統是液壓伺服系統和電子技術相結合的產物，由于它具有更快的響應速度，更高的控制精度，在軍事、航空、航天、機床等領域中得到廣泛的應用。目前液壓伺服系統特別是電液伺服系統己經成為武器自動化和工業自動化中應用非常廣泛。

電液比例閥與伺服控制系統中的伺服閥相比，在某些方面還有一定的性能差距，但它顯著的優點是抗污染能力強，大大地減少了因污染所造成的工作故障，提高了液壓系統的工作穩定性和可靠性。并且比例閥的成本比伺服閥低，結構也簡單，己在許多場合獲得廣泛應用。

電液伺服閥具有體積小、功率放大率高、直線性好、死區小、響應速度快、運動平穩可靠，能適應模擬量和數字量調制等優點，所以在各種電液伺服系統中得到了極廣泛的應用。

在液壓系統中，電液伺服閥雖然有以上所列優點，但是由于其對油液介質條件要求高，價格昂貴等的限制與電液伺服閥相比，電液比例閥的出現使這些限制條件都有所減低。與電液伺服閥相比，電液比例換向閥優點：（1）加工精度沒有電液伺服閥要求高，因此其價格較低；（2）相對于電液伺服閥來講，對液壓油的要求較低，抗污染能力較強；（3）由于存在不靈敏區和滯環，在其不帶電時的安全穩定性好。

2比例閥和伺服閥的結構特點

比例閥多為電氣反饋，當有信號輸入時，主閥芯帶動與之相連的位移傳感器運動，當反饋的位移信號與給定信號相等時，主閥芯停止運動，比例閥達到一個新的平衡位置，此時比例閥保持一定的輸出，液壓缸也就保持一定的位置不變。伺服閥有機械反饋和電氣反饋兩種，一般電氣反饋的伺服閥的頻響高，機械反饋的頻響稍低，其動作過程基本與比例閥相同；一般比例閥的輸入功率較大，基本在幾百毫安到一安以上，而伺服閥的輸入功率相對較小，基本在幾十毫安范圍內；比例閥的控制精度稍低，滯環較伺服閥大，伺服閥的控制精度高，但其對油液的要求也相對較高。

從結構上理解比例閥的閥芯是靠電磁力和液壓力及彈簧力來實現平衡的，而伺服閥是靠液壓力來平衡的，所以比例閥在控制大流量高壓力上沒有優勢；在應用上，伺服閥的使用更為廣泛，不僅能夠用于精確的位置、速度、載荷等控制，還具有隨動作用，例如汽車的助力轉向就是一個隨動伺服系統，這是比例閥難以實現的。

3比例閥與伺服閥的控制特點

比例閥與伺服閥的控制信號一般為4-20mA，0-10V，-10V-+10V等，其中電流信號的抗干擾能力較強，但價格稍貴。其內部線圈可以為一個或者兩個，很多三位閥只用一個線圈，靠電壓反向控制兩邊位置，三位閥更多的是兩個線圈布置在閥的兩邊，但線圈可以是單獨控制，也可以是串聯或并聯控制。從控制方式上講，比例閥與伺服閥很難區分，唯一的差別是二者的驅動方式。伺服閥靠力矩馬達來驅動而比例閥則是靠比例線圈驅動。伺服閥是噴嘴擋板，響應較高。但從控制精度上來講，比例閥或許更高，特別實在兩極反饋閥中，因為先導極的比例閥反饋是電位移傳感器，而伺服閥是機械式反饋桿，所以在重復精度、滯環、線性度上高于伺服閥。

比例閥和伺服閥輸入控制信號如果通過電位器輸入，很多是0-5V或-5V-+5V，通過改變放大器上的比例增益調整使其到0-10V。比例閥和伺服閥可以是內反饋也可以是外反饋，在一些控制要求不是很高的場合可以采用內反饋閥，如果要使用外閉環，那么比例閥需要增加一塊PID控制板，這樣就提高了比例閥的成本。

4比例閥與伺服閥的發展趨勢

1、電液比例閥發展趨勢。主要表現為：第一、提高控制性能，適應機電液一體化主機的發展。提高電液比例閥及遠控多路閥的性能，使之適應野外工作條件。并發展低成本比例閥，其主要零件與標準閥通用。第二、比例技術與一通和二通插裝技術相結合，形成比例插裝技術，特點是結構簡單，性能可靠，流動阻力小，通油能力大，易于集成；此外出現比例容積控制為中、大功率控制系統節能提供新手段。第三、由于傳感器和電子器件的小型化，出現了傳感器、測量放大器、控制放大器和閥復合一體化的元件，極大地提高了比例閥（電反饋）的工作頻寬。

2、電液伺服閥的發展趨勢。主要表現為：（1）虛擬化。利用CAD技術全面支持伺服閥從概念設計、外觀設計、性能設計、可靠性設計到零部件詳細設計的全過程，并把計算機輔助設計、計算機輔助分析、計算機輔助工藝規劃、計算機輔助檢驗、計算機輔助測試和現代管理系統集成在一起，建立計算機制造系統（CIMS）使設計與制造技術有一個突破性的發展。（2）智能化。發展內藏式傳感器和帶有計算機、自我管理機能故障診斷、故障排除）的智能化伺服閥，進一步開發故障診斷專家系統通用工具軟件，實現自動測量和診斷。還應開發自補償系統，包括自調整、自潤滑、自校正，這是液壓行業努力的方向。另外，借助現場總線），實現高水平的信急系統，從而簡化伺服閥的使用、調節和維護。（3）微型化。隨著液壓技術的進步及競爭的加劇，微型伺服閥的技術以體積小、重量輕、單位功率大等優點而越來越受到重視。如鑄造流道在閥體和集成塊中的廣泛使用，可優化元件內部流動，實現元件小型化。

5小結

長期以來，液壓行業內都認為伺服閥代表了液壓界的最高水平，無論是從控制死區和控制精度等方面都優于比例閥。但是隨著液壓技術和制造水平的不斷提高，比例閥已經可以實現閥芯與閥體的零遮蓋從而消除了控制死區。同樣，帶LVDT位移傳感器的比例閥精度更是高于伺服閥的傳統機械反饋桿。無論是伺服閥還是比例閥都有其優缺點，并不能說伺服閥就一定優于比例閥，因此在實際應用中，只需要根據流量增益、壓力增益和其他性能參數來選擇合適的閥類元件。

參考文獻：

[1]王春行.液壓控制系統[M].北京：機械工業出版社，1999.5

[2]楊智，范正平等.自動控制原理[M].北京：清華大學出版社，2014.8

[3]劉松林.比例閥和伺服閥在圓盤澆鑄系統中的應用[J].銅業工程，2015（06）