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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
14、，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2400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。
15、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。（圖6-2.14） Wiper10V0V（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)一樣，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)。由振盪器發出一脈波電壓信號，輸入線圈1與線圈2，當電樞在兩
16、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6-2.17)。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
17、體上的電磁線圈發出糾正信號，以補償誤差。 電樞 圖 6-2.16變換器Demodulator 振盪器信號輸出Test point 1Coil 1Coil 2滑軸+U+US1+US+US20-U S2-U S-U S1-U圖 6-2.176.3 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須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
18、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兩條信號線必須同時接上或拆除，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，
19、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Ua(0V6V)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一脈波信號，去控制功
20、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X1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:一是由系統電源供應器(7)提供一+9V之穩定電壓到20c位
21、置及-9V的穩定電壓到26ac的位置，再由20c位置或26ac位置，將電壓一同送入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一電位計，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)產生一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16
22、c的信號線必須同時接上或拆除。 若控制信號輸入的方式為第一種時，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(0V9V)經斜坡產生器(1)，對其輸入的控制(階梯電壓信號)轉換後，得到一隨時間成比例變化的電壓uA(0V6V)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為一可變電阻，經由R8的調整可改變R
23、amp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 100mV時，則階梯產生器就會輸出一正常數電壓到加法器，若-100mV ub 100mV時，則階梯產生器以OV輸出，若uA -100mV時，則階梯產生器輸出一負常數電壓。之所以要裝一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(Posltive 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(4)內
24、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)。251