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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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時斜坡產生器Ramp Generator控制器控制器控制信號CommandSignal控制信號CommandSignal壓力Pressure壓力PressureVPtttttPVV輸入訊號輸入訊號輸出油壓輸出油壓(圖6-2.2)(圖6-2.3)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(Pulse Generator)發出一脈波信號與控制信號(command
6、voltage)一起輸入到電壓-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=VIL)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
7、6-2.5)脈波產生器轉換器U I調節器 控制電壓信號圖6-2.43. 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，所以須要有穩壓階段(圖6-2.5)將未穩壓之電壓作穩壓的動作，減少系統在
8、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須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須之電壓及輸出一9V 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)220V24V24Veff ( a )24VefftU ( b )+18V+9V整流濾波穩壓0VMO9V24Veff ( c ) ( 圖6-2.5 )-9V +9V系統內部作業之電壓24V0V(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
9、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)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-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(Posltive overlap)，圖6-2.8為比例控制閥的特性曲線圖， 在X00的區域稱為磁滯(Deadband)，這種現象在系
10、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)+100%0.1V-0.1V+100%-100%+UE-UE+UA+100%-UAInOut( 圖9 )(圖6-2.8比例方向控制閥之特性曲線圖)+Q+XXX0X0QbiasUEUA( 圖6-2.9 ) 5. 比較器(Regulator on Proportional Amplifier Cards)在一般開回路控
11、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
12、符號圖) PIDValve液壓缸液壓馬達位置感測器物理量控制信號實際信號(圖6-2.10) PID控制信號實際信號輸出信號(圖6-2.11 ) 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)(圖6-2.12)UE1UE2UA= ( UE1 + UE2) 例: UE1= +4V ; UE2= +2V UA= (4V+2V) =6V7.
13、 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）UEUE8. 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0
