高精度电气比例阀的研制

刘 勇 倪志升 胡英标 孙驰凯

（浙江亿太诺气动科技有限公司，奉化 315504）

1 高精度电气比例阀产品研制的必要性

自动控制可分为断续控制和连续控制两种。断续控制即开关控制。气动控制系统中使用动作频率较低的开关式（ON-OFF）换向阀来控制气路的通断，靠减压阀来调节所需要的压力，靠节流阀来调节所需要的流量。传统的气动控制系统如果要配置有多个输出力和多个运动速度，需要多个减压阀、节流阀及换向阀，造成系统不仅元件多、成本高以及结构复杂，而且许多元件需要预先进行人工调节。电气比例阀控制属于连续控制，其输出量随输入量的变化而变化，即输出量与输入量之间存在一定的比例关系。电气比例阀通过电信号控制气压力，可以实现气压力的连续和无级调节，且能实现远程控制和自动化 控制。

压力是现代工业生产过程中最常用的控制参数。能否精确控制压力，直接关系到工业生产质量和生产成本等。随着电子、材料、控制理论以及传感器等科学技术的发展，电气比例控制技术也得到了快速发展。以比例控制阀为核心的电气比例闭环控制系统，可高精度控制压力和流量，能够满足自动化设备的柔性生产要求。利用电气比例阀构成的压力控制系统，能实现高精度调节压力比例，具有智能控制性强、精度高、响应快和成本低等优点。

国内生产电气比例阀的厂家较少，价格高昂，且质量不稳定。目前，以日本SMC为首的国外厂家占据着国内该产品的大部分市场。随着我国鼓励“机器换人”政策的实施，国内企业对自动化设备的需求量日益增多，对高精度压力控制产品的需求也越来越高，因此研发高精度QPV电气比例阀意义重大。

2 高精度电气比例阀的主要研究内容与关键技术

2.1 电气比例阀的快速响应和精准控制技术

2.1.1 采用高速开关电磁阀型电气比例阀

高精度电气比例阀内置高精度压力传感器，并采用PWM与闭环反馈控制相结合的方式。闭环反馈控制是按偏差信号进行控制的方法。PWM可与闭环反馈控制相结合。高速开关电磁阀和PWM脉冲调制器的配合，使高精度电气比例阀能够达到较高的控制精度。

电控调压装置由进排气调整开关电磁阀、压力检测传感器和控制电路构成。当比例阀的出口压力值（由出口传感器测得）与给定压力值不相等时，单片机由输出压力值与给定压力值的偏差给出信号。当有输入信号时，进气电磁阀打开，排气电磁阀关闭，主阀向先导腔供气，主阀芯下移，输出二次压力。同理，二次压力值由压力传感器检测，并反馈到控制电路。控制电路以输入信号与输出二次压力的偏差为基础，用PWM控制方式驱动进、排气电磁阀，实现对先导腔压力的调节，直到偏差为零。进、排气电磁阀关闭，主阀芯在新的位置上达到平衡，最终得到一个与输入信号成比例的输出压力。

2.1.2 采用特殊的闭环控制算法

电气比例阀内置高精度压力传感器，可实现比例阀的快速响应和精准控制，控制精度在±0.5%。与开环控制技术相比，本项目研发的电气比例阀所使用的闭环控制技术稳定时间更短、偏差更小、稳定性更好，能有效实现比例阀的快速响应和精准控制。针对电气比例阀气压控制的情况，本项目采用模糊PID控制算法来控制气压。

2.2 自诊断和故障报警

在诊断与监测系统中，传感器收集并反馈感知的外界信息。上位机系统和可编程控制器用来处理各种信息并发出动作执行指令，其中驱动器执行上位机系统的指令动作。用户通过产品的操作界面和操作软件进行系统操作。第一，初级功能检测。通过LED状态指示灯直观判断设备的运行状态。通过压力传感器检测系统的压力，并进行错误报警。第二，故障定位。通过第一层的检测功能，快速定位故障发生的区域，判定故障系统或者子系统。第三，在子系统内部确定故障。

2.3 集成设计与防水技术

该电气比例阀采用高速开关阀、压力调节阀和控制系统等进行集成设计。各类阀体采用铝合金型材加工，保证其高强度与密封性达到使用要求。开发的防水快插电气连接器，既可防脱落又可防水。防水接线盒采用自收缩压紧结构。电缆与接线盒橡胶密封圈紧密配合，能有效防止电缆脱落，且密封性较好。防水垫片配合接线盒上的凸起，可有效防止水渗入接线盒。欧式垫片与接线盒外壳配合紧密，可有效防止水进入线圈和接线盒。设备防护等级达IP65，可以适应各种恶劣的工控环境。

2.4 电气比例阀的可靠性测试技术

2.4.1 测试原理

上位机软件系统是在中文Windows支持下的多窗口图形界面专用测试系统。下位机软件可在脱离上位机支持的情况下，独立完成全部测试及试验。通过高速的通信接口与上位机构成集散式系统，提高了整机的可靠性。整个软件系统主要包括基础软件支持系统、主体监控系统、测试程序系统、绘图及显示系统、数据库管理系统、测试标准维护及智能识别系统、打印输出系统、通信及其他接口程序系统8个部分。

2.4.2 具有功能

该测试技术主要包括6个方面的功能：自动测试并适时显示电气比例阀的压力调节特性P2-P1曲线和流量调节特性P2-P1曲线；自动测试并适时显示电气比例阀产品技术条件规定的各项特征参数指标；识别判定各项特征参数指标是否合格；适时在线调整、检测产品的各项性能参数和特性曲线；从产品装夹到各项测试结果的存储、打印和查询，均可自动完成，亦可按主菜单提示选择某一项进行自动测试；设置产品技术标准文件库和产品测试数据库，可存储10万多个电气比例阀的测试数据、曲线、编号和日期等，为产品的生产、开发和技术质量管理提供准确可靠的依据，并可随时重演指定编号电气比例阀的测试过程。

2.5 电气比例阀型号

本项目研发的电气比例阀具有10/20/30共3款不同的型号，分别对应不同客户的流量需求和从最小压力输出（0～0.1MPa）到最大压力输出（0～0.9MPa）的多个范围段的压力输出。接管口径有G1/8、G1/4、G3/8和G1/2共4种。研发的此种电磁阀功率低、发热少、噪声低，消耗功率在3W以下。

3 电气比例阀部分技术指标

电气比例阀部分技术指标如表1所示。

表1 电气比例阀部分技术指标

4 结语

通过组建项目研发小组，研制出一种高精度电气比例阀，应用于系统可以进行连续控制，大大减少了气动元件，简化了管路，且安装方便，使用和维修成本低，显著提高了控制性能。设计的高精度电气比例阀将压力调整由原来的阶跃式变为比例阀控制的缓变式，可以避免由压力调整引起的气压冲击和振动，提高工作稳定性，具有精度高、响应快、功耗低和尺寸小等优点，可以应用于印刷包装、研磨、焊接和机械设备制造等工业自动化控制领域。