高精度電氣比例閥的研制

劉 勇 倪志升 胡英標 孫馳凱

（浙江億太諾氣動科技有限公司，奉化 315504）

1 高精度電氣比例閥產品研制的必要性

自動控制可分為斷續控制和連續控制兩種。斷續控制即開關控制。氣動控制系統中使用動作頻率較低的開關式（ON-OFF）換向閥來控制氣路的通斷，靠減壓閥來調節所需要的壓力，靠節流閥來調節所需要的流量。傳統的氣動控制系統如果要配置有多個輸出力和多個運動速度，需要多個減壓閥、節流閥及換向閥，造成系統不僅元件多、成本高以及結構復雜，而且許多元件需要預先進行人工調節。電氣比例閥控制屬于連續控制，其輸出量隨輸入量的變化而變化，即輸出量與輸入量之間存在一定的比例關系。電氣比例閥通過電信號控制氣壓力，可以實現氣壓力的連續和無級調節，且能實現遠程控制和自動化 控制。

壓力是現代工業生產過程中最常用的控制參數。能否精確控制壓力，直接關系到工業生產質量和生產成本等。隨著電子、材料、控制理論以及傳感器等科學技術的發展，電氣比例控制技術也得到了快速發展。以比例控制閥為核心的電氣比例閉環控制系統，可高精度控制壓力和流量，能夠滿足自動化設備的柔性生產要求。利用電氣比例閥構成的壓力控制系統，能實現高精度調節壓力比例，具有智能控制性強、精度高、響應快和成本低等優點。

國內生產電氣比例閥的廠家較少，價格高昂，且質量不穩定。目前，以日本SMC為首的國外廠家占據著國內該產品的大部分市場。隨著我國鼓勵“機器換人”政策的實施，國內企業對自動化設備的需求量日益增多，對高精度壓力控制產品的需求也越來越高，因此研發高精度QPV電氣比例閥意義重大。

2 高精度電氣比例閥的主要研究內容與關鍵技術

2.1 電氣比例閥的快速響應和精準控制技術

2.1.1 采用高速開關電磁閥型電氣比例閥

高精度電氣比例閥內置高精度壓力傳感器，并采用PWM與閉環反饋控制相結合的方式。閉環反饋控制是按偏差信號進行控制的方法。PWM可與閉環反饋控制相結合。高速開關電磁閥和PWM脈沖調制器的配合，使高精度電氣比例閥能夠達到較高的控制精度。

電控調壓裝置由進排氣調整開關電磁閥、壓力檢測傳感器和控制電路構成。當比例閥的出口壓力值（由出口傳感器測得）與給定壓力值不相等時，單片機由輸出壓力值與給定壓力值的偏差給出信號。當有輸入信號時，進氣電磁閥打開，排氣電磁閥關閉，主閥向先導腔供氣，主閥芯下移，輸出二次壓力。同理，二次壓力值由壓力傳感器檢測，并反饋到控制電路。控制電路以輸入信號與輸出二次壓力的偏差為基礎，用PWM控制方式驅動進、排氣電磁閥，實現對先導腔壓力的調節，直到偏差為零。進、排氣電磁閥關閉，主閥芯在新的位置上達到平衡，最終得到一個與輸入信號成比例的輸出壓力。

2.1.2 采用特殊的閉環控制算法

電氣比例閥內置高精度壓力傳感器，可實現比例閥的快速響應和精準控制，控制精度在±0.5%。與開環控制技術相比，本項目研發的電氣比例閥所使用的閉環控制技術穩定時間更短、偏差更小、穩定性更好，能有效實現比例閥的快速響應和精準控制。針對電氣比例閥氣壓控制的情況，本項目采用模糊PID控制算法來控制氣壓。

2.2 自診斷和故障報警

在診斷與監測系統中，傳感器收集并反饋感知的外界信息。上位機系統和可編程控制器用來處理各種信息并發出動作執行指令，其中驅動器執行上位機系統的指令動作。用戶通過產品的操作界面和操作軟件進行系統操作。第一，初級功能檢測。通過LED狀態指示燈直觀判斷設備的運行狀態。通過壓力傳感器檢測系統的壓力，并進行錯誤報警。第二，故障定位。通過第一層的檢測功能，快速定位故障發生的區域，判定故障系統或者子系統。第三，在子系統內部確定故障。

2.3 集成設計與防水技術

該電氣比例閥采用高速開關閥、壓力調節閥和控制系統等進行集成設計。各類閥體采用鋁合金型材加工，保證其高強度與密封性達到使用要求。開發的防水快插電氣連接器，既可防脫落又可防水。防水接線盒采用自收縮壓緊結構。電纜與接線盒橡膠密封圈緊密配合，能有效防止電纜脫落，且密封性較好。防水墊片配合接線盒上的凸起，可有效防止水滲入接線盒。歐式墊片與接線盒外殼配合緊密，可有效防止水進入線圈和接線盒。設備防護等級達IP65，可以適應各種惡劣的工控環境。

2.4 電氣比例閥的可靠性測試技術

2.4.1 測試原理

上位機軟件系統是在中文Windows支持下的多窗口圖形界面專用測試系統。下位機軟件可在脫離上位機支持的情況下，獨立完成全部測試及試驗。通過高速的通信接口與上位機構成集散式系統，提高了整機的可靠性。整個軟件系統主要包括基礎軟件支持系統、主體監控系統、測試程序系統、繪圖及顯示系統、數據庫管理系統、測試標準維護及智能識別系統、打印輸出系統、通信及其他接口程序系統8個部分。

2.4.2 具有功能

該測試技術主要包括6個方面的功能：自動測試并適時顯示電氣比例閥的壓力調節特性P2-P1曲線和流量調節特性P2-P1曲線；自動測試并適時顯示電氣比例閥產品技術條件規定的各項特征參數指標；識別判定各項特征參數指標是否合格；適時在線調整、檢測產品的各項性能參數和特性曲線；從產品裝夾到各項測試結果的存儲、打印和查詢，均可自動完成，亦可按主菜單提示選擇某一項進行自動測試；設置產品技術標準文件庫和產品測試數據庫，可存儲10萬多個電氣比例閥的測試數據、曲線、編號和日期等，為產品的生產、開發和技術質量管理提供準確可靠的依據，并可隨時重演指定編號電氣比例閥的測試過程。

2.5 電氣比例閥型號

本項目研發的電氣比例閥具有10/20/30共3款不同的型號，分別對應不同客戶的流量需求和從最小壓力輸出（0～0.1MPa）到最大壓力輸出（0～0.9MPa）的多個范圍段的壓力輸出。接管口徑有G1/8、G1/4、G3/8和G1/2共4種。研發的此種電磁閥功率低、發熱少、噪聲低，消耗功率在3W以下。

3 電氣比例閥部分技術指標

電氣比例閥部分技術指標如表1所示。

表1 電氣比例閥部分技術指標

4 結語

通過組建項目研發小組，研制出一種高精度電氣比例閥，應用于系統可以進行連續控制，大大減少了氣動元件，簡化了管路，且安裝方便，使用和維修成本低，顯著提高了控制性能。設計的高精度電氣比例閥將壓力調整由原來的階躍式變為比例閥控制的緩變式，可以避免由壓力調整引起的氣壓沖擊和振動，提高工作穩定性，具有精度高、響應快、功耗低和尺寸小等優點，可以應用于印刷包裝、研磨、焊接和機械設備制造等工業自動化控制領域。