电气比例阀在邦定机压力控制系统下的特性分析

张 鹏，刘建功

(中电科风华信息装备股份有限公司，山西 太原 030024)

气动技术作为当今工业设备的一种主流动力源，是以压缩空气作为工作介质，进行能量传递或信号传递的工程技术。相较于传统的机械齿轮传动技术，气动技术在布局简洁以及操控准确方面带来了机械传动不可比拟的优势，以空气为介质，比液压介质取材更为便捷，如若能设计回气通道则基本不会造成环境污染。也因为在易燃、易爆、多尘、辐射、强磁、振动、冲击等恶劣的工作环境中适应性强，气压传动的工作环境安全可靠，在各行各业的专用装备得到了更加广泛的应用。但是在当前市场需求尤其是一些精密行业的设备中，普通的气动技术已经无法满足像邦定生产线在LCD搬运、定位、夹紧、压接等工序中的精度要求，这样更高精度的气动技术就显得尤为重要，电气比例阀的出现也就应运而生。

1 机构原理

电气比例阀是一种通过持续性、无级调节性去改变阀体中电磁信号强弱从而精确控制输出压力的调节电磁阀，一般的电气比例阀主要包括电子控制器、进气控制电磁阀、排气控制电磁阀、压力传感器、排气阀芯以及主阀几个主要元器件构成。根据程序控制或远程控制设定的压力对比实际输出的压力值去改变电子控制器采集的信息进行自动补偿，控制阀口开关方向、开口量来实现一系列持续可控的动作完成调节。

我们以邦定机为例系统地分析电气比例阀所能展现的特性，邦定机是一种用于将TCP或FPC（柔性电路板）与ITO玻璃之间建立稳定的机械和电气连接的生产设备。生产工艺是通过与ACF胶粘合，并在一定的温度、压力和时间下热压而实现液晶玻璃与柔性线路板机械连接和电气导通的一种加工方式。为了达到邦定机压力输出连续稳定可调控，并且得到精准的压力控制精度。我们选用ITV0030先导式压力型电气比例阀进行分析。电气比例阀结构如图1所示。

图1 电气比例阀结构图

如图1所示，当电子控制器增大电流，进气控制阀处于开启状态，对应的排气控制阀处于关闭状态，则气体从SUP进气口通入阀体进入先导控制区，推动膜片向下运动，带动主阀开启，排气阀芯关闭，此时电磁阀内气压增大产生输出气压。此时输出的气压通过联通在输出OUT口的压力传感器产生压力信号反馈至电子控制器。在这里与目标设定值进行快速校准修正，当电磁比例阀输入的信号大于阀体内的气压时，气压持续向上升；如若小于阀体内气压时进气控制阀处于关闭状态，排气控制阀换向处于开启状态，进入到先导控制区的气压减小使膜片上升，连动主阀关闭，排气阀芯开启，EXH排气口开始排气，OUT输出口始终与压力传感器进行信号传递，从而得到输出压力与输入信号成比例的变换完成运行周期。

2 控制部分

邦定机压力控制系统由电气比例阀、压头输出气缸、横河模拟量模块以及触摸屏组成。压力部件的电路控制以及气路输出如图2所示。工作原理：从触摸屏上设置压头输出气缸的工作压力，通过PLC运算并转变为模拟输出模块所需要的量化数字，经由模拟输出模块输出相应的电压值至电气比例阀，电气比例阀通过输出气压经过阀体中的压力传感器检测后达到设置压力数值，即完成一个完整的调压工作流程。

图2 邦定机压力控制原理图

3 技术指标

在整个压力调节控制系统中，压力的精度不仅取决于电气比例阀调节的精度，所选择气缸活塞杆的摩擦阻力特性对其影响也很重要。标准气缸缸体在运动过程中摩擦阻力会随着工作环境、运动速度等因素而变化，对实现平稳压力控制造成的难度较大。所以实验过程中我们选择低速、恒摩擦阻力的气缸，压头输出气缸选用缸径20 mm，活塞杆直径8 mm的气缸驱动，气体压力的作用面积为628 mm2。

系统所需求的压力控制范围为10～200 N时，压力控制系统可满足的最大气压为：

并且气压的精准控制可以满足参数以及精度的需求，故选用控制精度较高的先导式压力型电气比例阀，同时必须满足不小于系统控制的最大气压0.32 MPa，选用型号为ITV0030-2BS的电气比例阀，设定压力范围0.001～0.5 MPa，最高供给压力为1.0 MPa，输入信号电压0～10 V，内部装有压力检测传感器输出信号为1～5 V。对应选用松下模拟量输出模块FP2-DA4，选择输出电压-10～+10 V。

4 闭环特性仿真测试

结合邦定机压力控制系统，通过输出气缸进行压力反馈，采用ITV0030-2BS电气比例阀对设定压力和反馈压力的偏差信号进行修正。设定气源输入压力为0.5 MPa。压力设定值的不同在闭环特性中与相应的响应时间进行对比，如图3所示。

图3 不同设定值的闭环响应

通过邦定机压力控制系统的仿真结果可以看出，系统终端气缸输出压力都可以快速平稳的达到不同的设定压力值，稳态误差较小，同时证明了电气比例阀对邦定机压力输出的稳定性起到决定性作用。

保持其他参数不变，设定终端气缸输出压力为0.2 MPa，分别接入总气源压力为0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa检测气源压力对电气比例阀修正稳态性的影响，如图4所示，可以发现气源总压力在0.5MPa上下有明显的响应滞后，但是当大于0.5 MPa后响应时间几乎没有变化，且可以发现气源压力的高低偏差对终端气缸出口压力的稳态值基本没有影响，也证明了电气比例阀修正速度以及时效的可靠性。

图4 不同气源压力对阀体的修正速度影响

5 结 论

本文介绍了先导式电气比例阀整体结构和工作原理，并结合邦定机压力控制系统通过分析对输出终端气缸缸径以及工作面积进行匹配，选取了不小于系统控制最大压力0.32 MPa型号为ITV0030-2BS的电气比例阀进行特性分析。在建立以邦定机为基础的压力控制系统模型的基础上，基于实验数据得出，通过电气比例阀的介入，可以让邦定机的压力控制系统得到更为稳定更加时效的终端压力，在保证精度的同时增加其稳定性。

[1] 庞新明.电气比例阀及其应用[J].液压与气动，1991，(01)：46-47.

[2] 郭向东.基于贴片式弯振模态超声电机驱动电气比例阀的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[3] SMC公司.现代实用气动技术[Z].2008.

[4] SMC公司.气动元件手册[Z].2013.