劉 勇 倪志升 胡英標(biāo) 孫馳凱

（浙江億太諾氣動(dòng)科技有限公司，奉化 315504）

1 高精度電氣比例閥產(chǎn)品研制的必要性

自動(dòng)控制可分為斷續(xù)控制和連續(xù)控制兩種。斷續(xù)控制即開(kāi)關(guān)控制。氣動(dòng)控制系統(tǒng)中使用動(dòng)作頻率較低的開(kāi)關(guān)式（ON-OFF）換向閥來(lái)控制氣路的通斷，靠減壓閥來(lái)調(diào)節(jié)所需要的壓力，靠節(jié)流閥來(lái)調(diào)節(jié)所需要的流量。傳統(tǒng)的氣動(dòng)控制系統(tǒng)如果要配置有多個(gè)輸出力和多個(gè)運(yùn)動(dòng)速度，需要多個(gè)減壓閥、節(jié)流閥及換向閥，造成系統(tǒng)不僅元件多、成本高以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且許多元件需要預(yù)先進(jìn)行人工調(diào)節(jié)。電氣比例閥控制屬于連續(xù)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(guān)系。電氣比例閥通過(guò)電信號(hào)控制氣壓力，可以實(shí)現(xiàn)氣壓力的連續(xù)和無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化 控制。

壓力是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常用的控制參數(shù)。能否精確控制壓力，直接關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)成本等。隨著電子、材料、控制理論以及傳感器等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電氣比例控制技術(shù)也得到了快速發(fā)展。以比例控制閥為核心的電氣比例閉環(huán)控制系統(tǒng)，可高精度控制壓力和流量，能夠滿(mǎn)足自動(dòng)化設(shè)備的柔性生產(chǎn)要求。利用電氣比例閥構(gòu)成的壓力控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)節(jié)壓力比例，具有智能控制性強(qiáng)、精度高、響應(yīng)快和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)電氣比例閥的廠(chǎng)家較少，價(jià)格高昂，且質(zhì)量不穩(wěn)定。目前，以日本SMC為首的國(guó)外廠(chǎng)家占據(jù)著國(guó)內(nèi)該產(chǎn)品的大部分市場(chǎng)。隨著我國(guó)鼓勵(lì)“機(jī)器換人”政策的實(shí)施，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的需求量日益增多，對(duì)高精度壓力控制產(chǎn)品的需求也越來(lái)越高，因此研發(fā)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?jī)?nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電氣比例閥的快速響應(yīng)和精準(zhǔn)控制技術(shù)

2.1.1 采用高速開(kāi)關(guān)電磁閥型電氣比例閥

高精度電氣比例閥內(nèi)置高精度壓力傳感器，并采用PWM與閉環(huán)反饋控制相結(jié)合的方式。閉環(huán)反饋控制是按偏差信號(hào)進(jìn)行控制的方法。PWM可與閉環(huán)反饋控制相結(jié)合。高速開(kāi)關(guān)電磁閥和PWM脈沖調(diào)制器的配合，使高精度電氣比例閥能夠達(dá)到較高的控制精度。

電控調(diào)壓裝置由進(jìn)排氣調(diào)整開(kāi)關(guān)電磁閥、壓力檢測(cè)傳感器和控制電路構(gòu)成。當(dāng)比例閥的出口壓力值（由出口傳感器測(cè)得）與給定壓力值不相等時(shí)，單片機(jī)由輸出壓力值與給定壓力值的偏差給出信號(hào)。當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，進(jìn)氣電磁閥打開(kāi)，排氣電磁閥關(guān)閉，主閥向先導(dǎo)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(cè)，并反饋到控制電路。控制電路以輸入信號(hào)與輸出二次壓力的偏差為基礎(chǔ)，用PWM控制方式驅(qū)動(dòng)進(jìn)、排氣電磁閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)先導(dǎo)腔壓力的調(diào)節(jié)，直到偏差為零。進(jìn)、排氣電磁閥關(guān)閉，主閥芯在新的位置上達(dá)到平衡，最終得到一個(gè)與輸入信號(hào)成比例的輸出壓力。

2.1.2 采用特殊的閉環(huán)控制算法

電氣比例閥內(nèi)置高精度壓力傳感器，可實(shí)現(xiàn)比例閥的快速響應(yīng)和精準(zhǔn)控制，控制精度在±0.5%。與開(kāi)環(huán)控制技術(shù)相比，本項(xiàng)目研發(fā)的電氣比例閥所使用的閉環(huán)控制技術(shù)穩(wěn)定時(shí)間更短、偏差更小、穩(wěn)定性更好，能有效實(shí)現(xiàn)比例閥的快速響應(yīng)和精準(zhǔn)控制。針對(duì)電氣比例閥氣壓控制的情況，本項(xiàng)目采用模糊PID控制算法來(lái)控制氣壓。

2.2 自診斷和故障報(bào)警

在診斷與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器收集并反饋感知的外界信息。上位機(jī)系統(tǒng)和可編程控制器用來(lái)處理各種信息并發(fā)出動(dòng)作執(zhí)行指令，其中驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行上位機(jī)系統(tǒng)的指令動(dòng)作。用戶(hù)通過(guò)產(chǎn)品的操作界面和操作軟件進(jìn)行系統(tǒng)操作。第一，初級(jí)功能檢測(cè)。通過(guò)LED狀態(tài)指示燈直觀(guān)判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的壓力，并進(jìn)行錯(cuò)誤報(bào)警。第二，故障定位。通過(guò)第一層的檢測(cè)功能，快速定位故障發(fā)生的區(qū)域，判定故障系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。第三，在子系統(tǒng)內(nèi)部確定故障。

2.3 集成設(shè)計(jì)與防水技術(shù)

該電氣比例閥采用高速開(kāi)關(guān)閥、壓力調(diào)節(jié)閥和控制系統(tǒng)等進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。各類(lèi)閥體采用鋁合金型材加工，保證其高強(qiáng)度與密封性達(dá)到使用要求。開(kāi)發(fā)的防水快插電氣連接器，既可防脫落又可防水。防水接線(xiàn)盒采用自收縮壓緊結(jié)構(gòu)。電纜與接線(xiàn)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(xiàn)盒上的凸起，可有效防止水滲入接線(xiàn)盒。歐式墊片與接線(xiàn)盒外殼配合緊密，可有效防止水進(jìn)入線(xiàn)圈和接線(xiàn)盒。設(shè)備防護(hù)等級(jí)達(dá)IP65，可以適應(yīng)各種惡劣的工控環(huán)境。

2.4 電氣比例閥的可靠性測(cè)試技術(shù)

2.4.1 測(cè)試原理

上位機(jī)軟件系統(tǒng)是在中文Windows支持下的多窗口圖形界面專(zhuān)用測(cè)試系統(tǒng)。下位機(jī)軟件可在脫離上位機(jī)支持的情況下，獨(dú)立完成全部測(cè)試及試驗(yàn)。通過(guò)高速的通信接口與上位機(jī)構(gòu)成集散式系統(tǒng)，提高了整機(jī)的可靠性。整個(gè)軟件系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)軟件支持系統(tǒng)、主體監(jiān)控系統(tǒng)、測(cè)試程序系統(tǒng)、繪圖及顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)及智能識(shí)別系統(tǒng)、打印輸出系統(tǒng)、通信及其他接口程序系統(tǒng)8個(gè)部分。

2.4.2 具有功能

該測(cè)試技術(shù)主要包括6個(gè)方面的功能：自動(dòng)測(cè)試并適時(shí)顯示電氣比例閥的壓力調(diào)節(jié)特性P2-P1曲線(xiàn)和流量調(diào)節(jié)特性P2-P1曲線(xiàn)；自動(dòng)測(cè)試并適時(shí)顯示電氣比例閥產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的各項(xiàng)特征參數(shù)指標(biāo)；識(shí)別判定各項(xiàng)特征參數(shù)指標(biāo)是否合格；適時(shí)在線(xiàn)調(diào)整、檢測(cè)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能參數(shù)和特性曲線(xiàn)；從產(chǎn)品裝夾到各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果的存儲(chǔ)、打印和查詢(xún)，均可自動(dòng)完成，亦可按主菜單提示選擇某一項(xiàng)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試；設(shè)置產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)文件庫(kù)和產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)，可存儲(chǔ)10萬(wàn)多個(gè)電氣比例閥的測(cè)試數(shù)據(jù)、曲線(xiàn)、編號(hào)和日期等，為產(chǎn)品的生產(chǎn)、開(kāi)發(fā)和技術(shù)質(zhì)量管理提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)，并可隨時(shí)重演指定編號(hào)電氣比例閥的測(cè)試過(guò)程。

2.5 電氣比例閥型號(hào)

本項(xiàng)目研發(fā)的電氣比例閥具有10/20/30共3款不同的型號(hào)，分別對(duì)應(yīng)不同客戶(hù)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(gè)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(fā)的此種電磁閥功率低、發(fā)熱少、噪聲低，消耗功率在3W以下。

3 電氣比例閥部分技術(shù)指標(biāo)

電氣比例閥部分技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 電氣比例閥部分技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)組建項(xiàng)目研發(fā)小組，研制出一種高精度電氣比例閥，應(yīng)用于系統(tǒng)可以進(jìn)行連續(xù)控制，大大減少了氣動(dòng)元件，簡(jiǎn)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(shè)計(jì)的高精度電氣比例閥將壓力調(diào)整由原來(lái)的階躍式變?yōu)楸壤y控制的緩變式，可以避免由壓力調(diào)整引起的氣壓沖擊和振動(dòng)，提高工作穩(wěn)定性，具有精度高、響應(yīng)快、功耗低和尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于印刷包裝、研磨、焊接和機(jī)械設(shè)備制造等工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域。