CN1241688A - 电空比例压差控制阀 - Google Patents

Abstract

可使两个信号压力孔口的压力差向目标值靠近的电空比例压差控制阀中,经由2位3通的第1开关电磁阀和第2开关电磁阀实现压力流体向/自第1流体压力操作机构和第2流体压力操作机构的各控制室供给/排放。以一定频率的脉冲串驱动第1开关电磁阀和第2开关电磁阀,脉冲串的脉冲幅度可相应于目标值和当前值之差而变化。

Description

电空比例压差控制阀

本发明属于向流体压力执行元件的两个孔口、例如分别与流体压力缸活塞两侧的腔室连通的两个孔口供给压差，而使流体压力执行元件输出既定的力的电空比例压差控制阀。

作为使执行元件在行程终端保持一定作用力的电空比例阀，有已公知的特公平3-1553号。该电空比例阀这样构成，即在阀芯的一方作用有复位弹簧，阀芯的另一方作用有比例螺线管的输出，在阀芯的两侧作用有反馈压力。将电空比例阀的A孔口和B孔口的压差设定为设定值(目标值)，并通过流体压力执行元件的一对输出孔口向流体压力执行元件的相向的压力室供给。

该电空比例阀中，由于是以螺线管和动铁心驱动阀芯，故对反馈信号的响应性不太好。此外，该电空比例阀，在比例螺线管输入电流为0～25％的范围内，B孔口的压力与电流成比例地降低，而在比例螺线管输入电流为25～100％的范围内，A孔口的压力与电流成比例地升高。因而是在电流为25％的位置上从B孔口的压力变化转换为A孔口的压力变化，故差压变化的平滑性不够好。

本发明的第1个目的是，作为电空比例压差控制阀，改善其对反馈信号的响应性，本发明的第2个目的是，使电空比例压差控制阀的A孔口与B孔口的压差输出能够在希望的范围内与电压输入成比例地、线性地变化。

本发明为实现上述目的，在控制阀本体上设置有压力供给孔口、排放孔口、以及信号压力孔口A和B、靠第1流体压力操作机构和第2流体压力操作机构移动控制阀本体内的阀芯，从而使两个信号压力孔口A和B的压力差向目标值靠近的电空比例压差控制阀中，将下述结构作为第1结构，即经由2位3通的第1开关电磁阀和第2开关电磁阀实现压力流体向/自第1流体压力操作机构和第2流体压力操作机构的各控制室的供给/排放，以一定频率的脉冲串驱动第1开关电磁阀和第2开关电磁阀，脉冲串的脉冲幅度可相应于目标值和当前值二者之差而变化。

本发明的第1结构中，将下述结构作为第2结构，即以两个压力传感器检测信号压力孔口A和B的各压力，计算出对应于各压力传感器检测的压差当前值与目标值二者之差的负载比，使得第1开关电磁阀和第2开关电磁阀中的、使流体压力源同第1流体压力操作机构和第2流体压力操作机构的各控制室相连通的开口面积与负载比成比例。

本发明的第1和第2结构中，将下述结构作为第3结构，即在第1流体压力操作机构和第2流体压力操作机构的各缸孔中配设有可自如滑动的活塞，各活塞与阀芯连结，各活塞的外侧室作为控制室，各活塞的内侧室作为反馈室，第1流体压力操作机构的反馈室与信号压力孔口A连通，并且第2流体压力操作机构的反馈室与信号压力孔口B连通。

本发明中，所说电空比例压差控制阀的“电空”，不仅是指将电信号转换为空气压力信号，而且还意味着将电信号转换为空气压力、液体压力等流体压力信号。

图1是本发明电空比例压差控制阀的实施形式；

图2是本发明电空比例压差控制阀实施形式的流程图；

图3的曲线图示出目标值的电压输入V1与压差输出PL之间的关系；

图4的曲线图示出以-0.2MPa和0.2MPa为目标值时的步骤响应的实验结果；

图5的曲线图示出供给压力设定为0.22MPa、Va＝0.15L、Vb＝0.15L，并以0.2MPa为目标值时的步骤响应的实验结果；

图6的曲线图示出供给压力设定为0.3MPa、Va＝0.15L、Vb＝0.15L，并以0.2MPa为目标值时的步骤响应的实验结果。

图1示出电空比例压差控制阀的本发明实施形式。本发明实施形式的电空比例压差控制阀由控制阀本体1、第1开关电磁阀2、第2开关电磁阀3、第1压力传感器4、第2压力传感器5、中央处理装置7以及空气压力源(流体压力源)8构成。具有对控制阀本体1的阀芯19进行操作的第1流体压力操作机构和第2流体压力操作机构，通过2位3通的第1开关电磁阀2和第2开关电磁阀3实现压力流体向/自第1流体压力操作机构和第2流体压力操作机构的各控制室46、47的供给/排放，以一定频率的脉冲串驱动第1开关电磁阀2和第2开关电磁阀3，使脉冲串的脉冲幅度相应于目标值和当前值二者之差而变化。

控制阀本体1是将第1外罩10、阀体11以及第2外罩12按顺序连结而构成。在阀体11上，形成有沿长度方向(图1中为左右方向)延伸的带台阶的中央孔，该中央孔自左为第1缸孔14、插入孔15和第2缸孔16，第1缸孔14和第2缸孔16直径相同，而插入孔15比它们直径小。套18插在插入孔15中而固定，套18内可自如滑动地插入有阀芯19。插入孔15上有5个环形沟槽21～25自左按顺序形成，而在套18上形成有将内表面与外表面连接的5个通孔31～35，各环形沟槽21～25分别与通孔31～35如图所示地连通。套18的外表面上，于通孔31～35之间及通孔31、35的外侧形成有图所示的环形沟槽，各环形沟槽中装有O型环，将套18的外表面与插入孔15的内表面之间密封。

阀芯19上形成有第1台肩27、中间台肩28以及第2台肩29，当阀芯19位于图示的中间位置时，第1台肩27、中间台肩28以及第2台肩29分别将通孔31、通孔33以及通孔35关闭。阀芯19的两端有小直径部，在左右的小直径部上分别嵌合有第1活塞44和第2活塞45，在各小直径部上嵌合垫圈并拧上螺母而将第1活塞44和第2活塞45固定在预定的位置上。第1外罩10和第2外罩12上分别形成有弹簧室39和40，弹簧室39和40分别与第1缸孔14和第2缸孔16连通。在弹簧室39的端面与第1活塞44之间装有弹簧41，弹簧室40的端面与第2活塞45之间装有弹簧42，阀芯19被向中间位置推压。

底板37接触并连结在阀体11的下端面上，在底板37的一面上从左按顺序开有排气孔口R1、信号压力孔口A、压力供给孔口P、信号压力孔口B以及排气孔口R2。通过图示的通路，排气孔口R1、信号压力孔口A、压力供给孔口P、信号压力孔口B以及排气孔口R2分别与环形沟槽21～25连通。将第1活塞44外侧(左侧)的室叫做第1控制室46，将第2活塞45外侧(右侧)的室叫做第2控制室47。而将第1活塞44内侧(右侧)的室叫做第1反馈室48，将45内侧(左侧)的室叫做第2反馈室49。信号压力孔口A还与第1反馈室48连通，而信号压力孔口B还与第2反馈室49连通。

第1开关电磁阀2和第2开关电磁阀3均为高速3通2位阀，分别有压力供给孔口p、信号压力孔口a和排气孔口r。第1开关电磁阀2的信号压力孔口a与第1控制室46连通，第2开关电磁阀3的信号压力孔口a与第2控制室47连通。第1开关电磁阀2和第2开关电磁阀3的压力供给孔口p分别与空气压力源8连通，第1开关电磁阀2和第2开关电磁阀3的排气孔口r分别与大气连通。

阀体11的上表面上载置有第1压力传感器4和第2压力传感器5，第1压力传感器4和第2压力传感器5的压力感知部分别经通路51、52、环形沟槽22、24与信号压力孔口A和信号压力孔口B连通。第1压力传感器4和第2压力传感器5的输出信号分别输入中央处理装置7中，中央处理装置7发出的开关电磁阀操作信号通过导线53、54输入第1开关电磁阀2和第2开关电磁阀3的操作部(单动螺线管)。信号压力孔口A与信号压力孔口B通过管路与气压(流体压)缸55的活塞侧给排孔口和活塞杆侧给排孔口连通。

下面，对本发明实施形式的电空比例压差控制阀的工作原理进行说明。将信号压力孔口A和信号压力孔口B的压力设为Pa和Pb时，电空比例压差控制阀的当前输出为压差PL＝Pa-Pb。第1活塞44的第1控制室46侧的受压面积和第2活塞45的第2控制室47的受压面积均设为A1，第1活塞44的第1反馈室48侧的受压面积和第2活塞45的第2反馈室49的受压面积均设为A2。此外，设弹簧41和42弹簧常数分别为K，而第1控制室46和第2控制室47的作用压力分别为P1、P2，阀芯19的位移为dX，于是，根据力的平衡可得到下式。

(P1-P2)·A1+2K·dX＝(Pa-Pb)·A2

即

PL＝Pa-Pb＝((P1-P2)·A1+2K·dX)/A2

在这里，设T1/T和1-T1/T分别为第1开关电磁阀2和第2开关电磁阀3的阀打开时间比(负载比)，以PWM法(脉冲调幅调制法)进行控制。即由中央处理装置7产生与第1和第2压力传感器4、5检测的压差当前值(Pa-Pb)与目标值二者之差相对应的、对第1开关电磁阀2和第2开关电磁阀3进行操作的操作信号。压差P1-P2随着T1/T的变化而变化。因此，可以只调整T1/T而通过压差P1-P2来控制输出压力PL。当阀芯19从中间位置向左侧移动时，压力供给孔口P与信号压力孔口B之间连通而使压力流体从气压缸55的活塞杆侧流入，信号压力孔口A与排放孔口R1之间连通而使气压缸55的活塞侧的流体自排放孔口R1排出，气压缸55的活塞杆后退。当阀芯19向右侧移动时，流体向相反的方向流动，气压缸55的活塞杆前进。

图2是利用电空比例压差控制阀以PWM法对输出PL进行控制的流程图。在步骤S1判断PWM周期是否开始，若判断为PWM周期已开始，则在步骤S2使第1开关电磁阀2和第2开关电磁阀3动作，进入步骤S3。若在步骤S1判断为PWM未开始，则进入步骤S3。

在步骤S3，判断是否到达采样时刻，若判断为到达采样时刻，则在步骤S4对输入信号(目标压力差)和控制对象压力差(压差的当前值：Pa-Pb)进行采样。接下来进入步骤S5，计算与压差当前值与目标值之差相应的负载比，进而进入步骤S6并根据负载比操作第1·第2开关电磁阀。即计算出的阀打开(ON)时间比T1/T和1-T1/T的操作信号，自中央处理装置7经导线53、54向第1开关电磁阀2和第2开关电磁阀3的单动螺线管传送。在第1开关电磁阀2和第2开关电磁阀3中产生与负载比T1/T和1-T1/T相应的信号压力P1、P2(使第1开关电磁阀2和第2开关电磁阀3中的、将空气压力源8同第1流体压力操作机构的控制室46和第2流体压力操作机构的控制室47连通的开口面积与负载比成比例)，并分别导入第1控制室46和第2控制室47。阀芯19根据第1控制室46和第2控制室47的信号压力P1、P2移动位置，以消除上述的二者之差。

完成步骤S5的动作后返回步骤S1，在步骤S3未判断出到达采样时刻时也返回步骤SL。

当通过上述控制使得例如当前的压差PL大于目标值时，操作第1开关电磁阀2和第2开关电磁阀3，从而使第1流体压力操作机构的控制室46的压力降低，第2流体压力操作机构的控制室47的压力升高。而情况与之相反时，操作第1开关电磁阀2和第2开关电磁阀3使得压差PL增大。

下面，对实验结果进行说明。首先，将供给压力设为0.4MPa，以频率50赫兹的脉冲串驱动第1开关电磁阀2和第2开关电磁阀3。与信号压力孔口A、B连通的管路、执行元件等的容积分别为Va＝5L、Vb＝5L。控制方式为PID方式，经过大量的实验，绘出图3所示的目标值电压输入V1和压差输出PL之间的关系曲线。可以看出，在目标值电压输入V1为1～5V的范围内，压差输出PL与电压输入成比例地、线性地变化。

图4的曲线图是在上述相同的条件下，以-0.2MPa、0.2MPa为目标值时的步骤响应的实验结果。由该曲线图可知，响应时间为2～2.5秒，对目标值和当前值二者之差的判断以及对反馈信号的响应性均良好。

图5的曲线图是供给压力设定为0.22MPa、Va＝0.15L、Vb＝0.15L，并以0.2MPa为目标值时的步骤响应的实验结果。而图6的曲线图是供给压力设定为0.3MPa、Va＝0.15L、Vb＝0.15L，并以0.2MPa为目标值时的步骤响应的实验结果。如图5·图6所示，当与信号压力孔口A、B连通的管路、执行元件等的容积减小时，电空比例压差控制阀的响应变快，平衡状态下的振动加剧。另外，供给压力高时响应快，会产生超程。

作为权利要求1所说的电空比例压差控制阀，对第1开关电磁阀和第2开关电磁阀以一定频率的脉冲串进行驱动，脉冲串的脉冲幅度随着目标值与当前值二者之差的大小而变化，通过2位3通的第1开关电磁阀和第2开关电磁阀实现压力流体向/自第1流体压力操作机构和第2流体压力操作机构的各控制室供给/排放而使阀芯移动。因此，与使用比例螺线管和动铁心的现有技术相比，本发明对反馈信号的响应性极为优异。此外，能够在所希望的范围内实现压差与电压输入成比例地、线性地变化。

Claims (3)

1.一种电空比例压差控制阀，在控制阀本体上设置有压力供给孔口、排放孔口、以及信号压力孔口A和B、靠第1流体压力操作机构和第2流体压力操作机构移动控制阀本体内的阀芯，从而使两个信号压力孔口A和B的压力差向目标值靠近，其特征是，经由2位3通的第1开关电磁阀和第2开关电磁阀实现压力流体向/自第1流体压力操作机构和第2流体压力操作机构的各控制室的供给/排放，以一定频率的脉冲串驱动第1开关电磁阀和第2开关电磁阀，脉冲串的脉冲幅度可相应于目标值和当前值二者之差而改变。

2.如权利要求1的电空比例压差控制阀，其特征是，以两个压力传感器检测信号压力孔口A和B的各压力，计算出对应于各压力传感器检测的压差当前值与目标值二者之差的负载比，使得第1开关电磁阀和第2开关电磁阀中的、使流体压力源同第1流体压力操作机构和第2流体压力操作机构的各控制室相连通的开口面积与负载比成比例。

3.如权利要求1或2的电空比例压差控制阀，其特征是，在第1流体压力操作机构和第2流体压力操作机构的各缸孔中配设有可自如滑动的活塞，各活塞与阀芯连结，各活塞的外侧室作为控制室，各活塞的内侧室作为反馈室，第1流体压力操作机构的反馈室与信号压力孔口A连通，并且第2流体压力操作机构的反馈室与信号压力孔口B连通。

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