液压系统比例阀控制器

A/t； 第六章液壓系統比例閥控制器6.1 前 言比 例 控 制 閥 主 要 用 於 開 迴 路 控 制 （open loop control）; 比 例 控 制 閥的輸出量與輸入信號成比例關係，且比例控制閥內電磁線圈所 產生的磁力大小與電流成正比。在傳統型式的液壓控制閥中，只能對液壓進行定值控制，例如: 壓力閥在某個設定壓力下作動，流量閥保持通過所設定的流量， 方 向閥 對 於 液流 方 向 通/斷 的切 換。因 此 這些 控制 閥 組成 的 系統 功 能都受到一些限制，隨著技術的進步，許多液壓系統要求流量和 壓力能連續或按比例地隨控制閥輸入信號的改變而變化（圖 6-1.1） 。液壓伺服系統雖能滿足其要求，而 且精度很高，但 對於大 部分的工業來說，他們並不要求系統有如此高的品質，而希望在 保證一定控制性能的條件下，同時價格低廉，工作可靠，維護簡 單，所以比例控制閥就是在這種背景下發展起來的。比例控制閥可分為壓力控制閥，流量控制及方向控制閥三類 （如 圖 6-1.2 所 示 ）。1. 壓力控制閥 :用比 例電磁閥取代引 導式溢流閥的手調裝置便成為 引導式比例溢流閥，其輸出的液壓壓力由輸入信號連續 或按比例控制。2. 流量控制閥 :用比 例電磁閥取代節 流閥或調速閥的手調裝置而以 輸入信號控制節流閥或調速閥之節流口開度，可連續或 按比例地控制其輸出流量。故節流口的開度便可由輸入 信號的電壓大小決定。3. 方向控制閥 :比例 電磁閥取代方向 閥的一般電磁閥構成直動式比 例方向閥，其滑軸不但可以換位，而且換位的行程可以 連續或按比例地變化，因而連通油口間的通油面積也可 以連續或按比例地變化，所以比例方向控制閥不但能控 制執行元件的運動方向外，還能控制其速度。以上各種比例閥所作動的液壓元件為液壓缸或液壓馬達。6.2 比例 閥 控 制器 內 部 方塊 之 意 義與 功 能 比例閥控制器內部包含各種電路模組，每一個模組有其特定功能 及用途並以符號來代表，此處就每一個模組的功能及原理來說明之。1. 斜坡產生器(Ramp Generator)圖 6-2.1 為 斜 坡 產 生 器 之 符 號 圖，斜 坡 產 生 器 (Ramp Generator)主要是將瞬間的電壓變化量轉換成帶有時間延遲的電壓變化，也 就是說當輸入電壓改變時，斜坡產生器會將原先的階梯式電壓變 化量緩慢地改變到改變後之電壓，而在原先電壓與改變後電壓之 間 就 會 得 到 一 隨 時 間 上 升 或 下 降 的 斜 坡 (Ramp) ， 所 以 Ramp Generator 斜坡產生的原理跟積分器作用的原理是一樣的。當輸入 信號改 變時(圖 6-2.2) ，其輸入信號 的波型有如階梯形狀 。若 系統 無 Ramp Generator 時， 其 閥 體控 制 油 壓的 變 化 亦與 輸 入 信號 階 梯 式的變化一樣，則使每個相鄰的油壓壓差變化很大，結果使整個 控 制 油 壓 的 變 化 不 準 確 及 元 件 作 動 不 圓 滑 順 暢，而 Ramp Generator 就 是 為 了 解 決 此 項 的 困 擾。當 階 梯 式 的 控 制 信 號 經 Ramp Generator 時(圖 6-2.3) ， Ramp Generator 會 將 電 壓變 化 的 時間 延 遲 ，而 輸 出 一隨時間上升或下降的斜坡信號，使油壓變化順著斜坡方向作變 化，這樣的結果使整個油壓的變化更為圓滑順暢。圖 6-2.1 斜坡產生器之符 號無 ramp generator 時有 ramp generator 時控制信號 控制器 .壓力控制信號 控制器 _壓力 :斗坡產生器 壓力PressureCommandSig naltt輸入訊號輸出油壓CommandSig Ramp Generator Pressure nalttt輸入訊號輸出油壓（圖 6-2.3）（圖 6-2.2）2. 脈波輸出信號(Pulsed Output Stage)圖 6-2.4 為 脈 波 產 生 器 之 符 號 圖 。 由 脈 波 產 生 器 (PulseGenerator)發出一脈波信號與控制信號(command voltage)起輸入 到電壓-電流轉換器(converter),將電壓信號轉換成脈波電流信號 輸出 到 比例控 制 閥的電 磁線圈上使電磁線圈產生磁力， 來控 制 比 例閥閥軸的移動量。經由控制 電流脈波之工作周期( Duty cycle ) 的大小， 來控 制 供應至電磁線圈的電流大小， 而脈波產生器的輸 出頻率隨各種閥體型式而不同。產生的脈波電流，主要是使作用在電磁閥驅動電路的功率損失 降到 最小， 因為若使用類比信號控 制 ， 其在電磁線圈驅動電 路上 產所生的功率(P=V XL)損失將會很大，而以脈波電流控制時，只要 控 制 電流脈波的 工作周期之大小， 即可控 制 電磁閥之平均電 流大 小， 並且可以將在電磁線圈驅動電路上所產生的 功 率損失降到 最 小 。(圖 6-2.5)脈波產生器3. 電源供應器(Power Supply )將 110V 或 220V 的交流電壓，由變壓器降壓經橋式整流濾波， 得 到 一 未 經 穩 壓 的 24V 直 流 電 壓 ， 因 變 壓 器 是 由 漆 包 銅 線 所 繞 成 的，有其繞線電阻存在rc ,當二極體導通時，亦有其電阻rON存 在， 所以在全負載時， rc 與 rON 都會產生相當的壓降， 因此負載 實際承受的電壓為 VL=VS-IL(rc+rON)， 若拿來當系統電壓供給的 話，會受到系統負載電流(IL )的影嚮而變動，則在控制上會有失真 的產生， 這不是穩定直流電源所希望的現象， 所以頇要有穩壓階 段(圖 6-2.5) 將未穩壓之電壓作穩壓的動作， 減少系統在控制上及 作業上誤差的產生， 在控制器( VT2000 及 VT3000) 系統中， 若使 用 24V 做為供給電源時， 在系統的最初輸入端頇裝一個電源穩壓 轉換器， 24V 在穩壓轉換後， 提供系統內部操作所頇之電壓及輸 出一9V直流電壓去當作控制信號(Commend signal)的供給源。( 圖 6-2.6 為 電 源 供 應 器 之 符 號 圖 )e24V（圖6-2.6 電源供應器之符號）4. 階梯信號產生器(Step Generator)控制信號輸入階梯信號產生器(Step Generator),經階梯信號產 生器判別後， 送出一階 梯信號產生器所設定之電壓， 若控制 信號 (Commend signal)二100mV時，階梯信號產生器就會輸出一個正常 數電壓，若 -100mV控制電壓100mV時，階梯信號產生器輸出 0V，若控制信號兰-100mV時，階梯信號產生器產生一個負常數 電壓輸出(圖 6-2.7) 。階 梯 信 號 產 生 器 常 被 使 用在 比 例 方向 控 制 閥上 面，一 般 比 例 方 向控 制 閥在製造技術上及性能的考量上， 其閥軸在換位時， 都會 有重疊現象的產生(Positive overlap),圖6-2.8為比例控制閥的特 性曲線圖，在X。一0的區域稱為磁滯(Deadband),這種現象在系 統的控制上是不被允許的，為了使輸入(I)與輸出(Q)更線性化，通 常都會加一額外電壓(bias)給比例方向控制閥，使滑軸移動換位 時， 能快速越過 X00 這個區域， 以減小磁滯現象。而階梯信號 產生器的主要功用就是提供一額外電壓給電磁閥 ， 使重疊現 象減 至最小。(圖 6-2.9 為階梯信號產生器之符圖)Out+UA丰+100+100%-0.1V+100In-UE0.1+U-100-UA(圖 6-2.8 比例方 向 控制閥 之特性 曲線 圖 )( 圖 6-2.9 )5. 比較器(Regulator on Proportional Amplifier Cards)在 一般 開回 路控制 (Open loop control) 系統 裡， 輸入 多少 電 壓，其閥體作動相對產生多少油壓，也就是電壓與壓力成比例關 係，但是若使用在控制液壓流量上面時，因閥體製造時所產生的 誤差及長期使用下所產生的摩損，都會使在液流的控制上產生偏 差，而導致致動器實際的作動情形，超出預期的結果，為了減少 偏差產生，所以就在控制系統內加一個比較器，來作誤差補償(圖 6-2.10) 。當滑軸移動時，方 向軸上的位置感測器，將 所測得的滑軸移動 物理量轉換成實際的電壓信號送回比較器，此時比較器將控制信 號與實際信號作比較後，送出一補償信號至電磁閥，作補償調整 工 作 ，來 控 制 閥口 的 開 口面 積 ， 進而 控 制 液壓 的 流 量 。 （圖 6-2.11 為比較器之符號圖）控制信號（圖 6-2.10）6. 加 法 器（summator） 加法器算是一個算術運算元件，它是將各個的輸入信號相加 後， 再將其相加後的總和反向輸入，（正變負;負變正）。在 VT3000 的系統中，加法器接收到從積分器及階梯產生器送 來的控制信號後，將其兩個控制信號相加，得到另一信號值，再 將其值反向輸出到電流調整器。（圖 6-2.12 為加法器之符圖）A(圖 6-2.12)-(UE1例: UE1= +4V ; UE2= +2VUA=- (4V+2V) =- 6V7. 反向器(Inverter)反向器的輸出是輸入的反向，也就是將正數輸入變成負數輸 出，或是負數輸入變成正數輸出，而在數位邏輯運算中，反向器 的 功 用是 將 1 的 輸 入 變成 0 的 輸 出 ，或 是 將 0 的 輸 入變 成 1 的 輸 出，由此可見反向器只有一個輸入端和一個輸出端，在控制器 ( VT2000 或 VT3000 ) 的系統中，反向器的功用只是用來當做信號 極性的改變，使控制器的輸入與輸出變化做同向或反向的變化。(圖 6-2.13 為反向器之符號圖)(圖 6-2.13 )8. 電 位 計 (Potentiometer)電位計是最常用的電力轉換器，其目的為將機械運動變成電氣 變動信號，電 位計最主要的特性為線性度，所 謂線性度即為轉臂每 轉動一距離，產生一比例於距離之電阻變化，而與轉臂的位置無關，也就是說電位計之電阻是平均分配的。電 位計的線性度在某些 應用上相當重要，因此廠商對於所產生之電位計均附有線性度百分 比之說明，而線性度百分比可以簡稱為線性度。在完全線性之下，不 論轉軸角度如何，電 位計之電阻值改變量 與轉軸旋轉角度成正比例關係;例如:轉軸由 00轉到 600時，電阻值 改變 20% ，同理，由 1800轉到 240 0時，也 只有 20%的電阻值變化 量 (圖 6-2.14) 。在控制器 ( VT2000 及 VT3000 ) 系統中， 若我們將電位計一 端接10V，另一端接0V,便可得到010V的電壓範圍(圖6-2.15), 經電位計上旋鈕的改變， 可得到不同的電壓輸出。所以， 若我們 將電位計拿來當作系統控制信號(command signal)供給源的話,則 轉動電位計上的旋鈕， 就可改變輸入的控制信號。060120180240360轉軸角（度）（圖 6-2.14）Vnu0%阻電總1086420Potentiometer setting in %10V n WipeV0V圖 6-2.15 ）9. 位移轉換器(Inductive Positional Transducer on the Valves)位移轉換器是用來偵測閥體滑軸的位置，它 分為二大部分，一 為軸桿部分，由滑軸與磁化的電樞所組成，二是感測器部分，由 兩組線圈所組成。其作動原理與線性可變差動變壓器(LVDT) 樣，是一種可以輸出一比例於機械位移之 AC 輸出電壓信號(圖 6-2.16) 。由振盪器發出脈波電壓信號，輸入線圈 1 與線圈 2，當電樞 在兩線圈的中間位置時，線圈 1 與線圈 2 分別感應出 V1 電壓與 V2 電壓,因此在 Test Point 1 點上的輸出電壓為 Us=V1-V2( 圖 s6-2.17) 。 當電樞往上移動時，線圈 1 之磁場強度愈強，線圈 2 之 磁場強度變弱，因此線圈 1 之 V1 電壓，大於線圈 2 之 V2 電壓， 因而產生 Us1 之電壓，而且 Us1 之電壓會隨著電樞愈往上移而愈 大，同理當電樞往下移時，線圈 2 之磁場強度變強，線圈 1 之磁 場強度變弱，而產生 Us2 電壓，所以 Us2 之電壓會隨著電樞下移位 置的增大而變小。輸出之交流電壓信號，經變換器( Demodulator )轉成直流電壓 信號(實際信號)，傳回給系統內的比較器，經 比較器將其輸入信號 與實際信號作比較後，再向閥體上的電磁線圈發出糾正信號，以 補償誤差。電樞圖 6-2.166.3 應用 於 TBM 系 統 中 之比 例 閥 控制 器1. VT2000如電路圖1,以24V DC當控制器(VT2000)的電源供應(24ac位 置)，經系統電源供應器(5)穩壓轉換後， 提供系統內部作業所頇之電 壓以及內部或外部電位計之電源供給,在 VT2000 系統中控制信號的 輸入方式有三種:第一種是從 28C 位置與 30ac 位置輸入電壓,經差值 放大器(7) 產生一差值電壓輸出當控制信號, 而 28C 位置之電壓為 0V10V , 30ac 位置的電壓為 28C 位置的參考電壓, 這裡特別要注意 的 是 當 使 用差 值 放 大器 做 輸 入信 號 時 , 28C 與 30ac 兩條 信 號 線必 頇 同時接上或拆除,第二種是從系統電源供應器送出 9V 到 10ac 位置, 再由 10ac 位置送入 12ac 的位置當控制信號, 其中 MO(14ac 位置)為 參考電壓(0V),所以10ac所送出的電壓為最大電壓9V,第三種是在 10ac 位置與 12ac 位置之間串接一電位計，經電位計上旋鈕的調變， 可在12ac的位置得到不同的控制電壓信號(0V9V)。控制 信號 Ub(0V9V) 經反向器，將其輸入信號極性反向後送到 R2 ，R2 為一可變電阻，若控制信號的輸入方式為第二種時， 經由 R2的調變，將可改變控制信號Ub的電壓值，若控制信號的輸入方式 為第一種或第三種時， 則 R2 可視為一個阻抗，被拿來當做比例壓 力控制閥內電磁線圈的限流器，控制信號經斜坡產生器(1) ，對其輸 入的控制信號(階梯電壓信號)轉換後，得 到一隨時間成比例變化的電 壓U(OV6V)輸出(Ramp信號)，其主要目的是當控制信號改變時， a系統油壓壓力的變化能順著經由斜坡產生器輸出之斜坡方向(Ramp) 與控制信號成比例的變化。其中 R3 與 R4 可調整 Ramp 的時間，進而 改變 Ramp 的斜度。信 號再送經電流調整器(2)內的電位計 R1 ，來當 作 R1 電位計的電壓值，經 與振盪器(4)調節後，再 由電流調整器輸出 脈波信號，去控制功率電晶體的工作周期(on/off)，當功率電晶體 on時，+UL從功率電晶體，經22ac位置到電磁閥上的電磁線圈，電 磁線圈產生磁力，來作動比例壓力控制閥，使得系統油壓與輸入信號 成比例關係，最後+UL再由20ac位置去搭鐵。而在X的位置可量得 控制電壓(0V6V),在X2的位置可量得電磁線圈的電流(0800mA)。2. VT3000如電路2,以24VDC當控制器(VT3000)的電源供應(32a位置), 經系統電 源 供 應 器 (7) 穩壓轉換後， 提供 系統內部作業所需之電 壓， 以及內部或外部電 位計之電 源供給，在 VT3000 系統中控 制 信號的 輸 入方式有三種:是由系統電源供應器提供一+9V之穩定電壓到20c位置及 -9V 的 穩 定電 壓到 26ac 的 位置， 再由 20c 位置或 26ac 位置， 將電 壓 同送入 12a 、8a、10a 、10c 等四個位置當 控 制 信號， 其中 MO(20a 位置)為這四個信號輸入端的參考電壓0V，所以這四個位置的電壓最 大為+9V或-9V。二是 由 系 統電 源 供應器或是 在系 統 外部使用 電 位計， 各別供應 這 四 個 信號 的 輸入端 (12a 、8a、10a 、10c) ， 其輸入 控 制 信號 範圍在 +9V-9V 之 間。三是 從 16a 及 16c 的 位置輸入電 壓，經 差值於大器(8) 產生 差值 電 壓輸出當 控 制 信號， 而 16a 位置之電 壓為 0V10V ， 16c 位置的 電 壓為 16a 位置的 參考電 壓，這裡特別要注意的 是 當 使用差值放大器做 輸入控 制 信號 時， 16a 與 16c 的 信號 線必頇同時接上或拆除。若控 制 信 號 輸入 的 方式為 第 種時， 要使這 四 個 位 置 (12a 、8a、 10a 、10c) 產生不同電 壓的 控 制 信號，可 藉由 R1R4 的 調變來獲得， 若控 制 信號輸入的 方式為 第二種時， 則 R1R4 可視為 這 四 個 輸入信 號的 各別阻抗， 所以 R1R4 均被拿來當 做比例方向控 制 閥內電 磁線 圈的 限流器。 控 制 信號 ub(0V 9V) 經斜坡產生器(1) ， 對其輸入的 控 制 (階梯電 壓信號 )轉換後， 得到 隨時間成比例變化的 電 壓 uA(0V 6V)輸出(Ramp信號)，其主要目的是當控制信號改變時，系統油壓壓 力的 變化能順著由 斜坡產生器 輸 出 之 斜坡方向 (Ramp) 與控 制 信 號 成 比例的 變化。 R8 為 可變電 阻，經由 R8 的 調整可改變 Ramp 的 時間， 進而改變 ramp 的 斜度。信 號 再 送 往 階 梯 產 生 器 (2) 及 加 法 器 (3) ， 其 中 送 入 階 梯 產 生 器 (Step Generator)的控制信號uA ,若uA二100mV時，則階梯產生器 就會輸出 正常數電 壓到 加法器，若 -100mV u b 100mV 時，則 階梯 產生器以OV輸出，若uA兰-100mV時，則階梯產生器輸出一負常 數電 壓。之所以要 裝 階 梯 產 生器的 主要 目 的 是 使滑軸在換位時， 減 少滑軸與閥體之間的重疊現象(Positive overlap),並能迅速通過比例 方向控制閥的磁滯區域(Deadband)。經由加法器將斜坡產生器及階梯 產生器所送來的信號相加反向後，輸出一電壓信號到兩邊電流調整器 內的R5與R6,來當作R5與R6的電壓值，再與脈波產生器調節 後， 由電流調整器輸出一脈波信號到功率放大器(6)，所產生的脈波 信號主要是使作用在電磁閥驅動電路的功率損失降到最小，而功率放 大器， 將輸入電流做電流放大後， 送至比例方向控制閥上的兩電磁 閥， 若加法器輸出的控制信號為正電壓時， 電磁線圈 B 將被作動去 控制滑軸的移動，進而控制系統油壓的流動方向及液流量，若加法器 輸出的控制信號為負時，則電磁線圈 A 將被作動去控制滑軸的移動， 進而控制系統油壓的流動方向及液流量，而電流經 24a 與 22a 的位置 去搭鐵。其中 K1K4 為 R1R4 的電磁閥， 當電磁閥 ON 時相對應之電阻 R(R1R4) 作動導通， 且相對應之 LED(H1H4) 燈亮， k5 為斜坡產生 器的電磁閥， k5 ON 時輸入信號不經斜坡產生器， K6 為 9V DC 的極 性變換電磁閥， BU1 可量測得供給線圈 A(0V6V) 或線圈 B(0V6V) 之電壓，BU3可量測得線圈A之線圈電流(20800mA)，BU2可量測 得線圈A之線圈電流(20800mA)。