前言现代工业的不断发展对液压阀在自动化、精度、响应速度方面提出了愈来愈高的要求，传统的开关型或定值控制型液压阀已不能满足要求，电液伺服阀因此而发展起来，其具有控制灵活、精度高、快速性好等优点。而电液比例阀是在电液伺服技术的基础上，对伺服阀进行简化而发展起来的。电液比例阀与伺服阀相比虽在性能方面还有一定差距, 但其抗污染能力强，结构简单，形式多样，制造和维护成本都比伺服阀低，因此在液压设备的液压控制系统应用越来越广泛。今天，一个国家的电液比例技术发展程度将从一个侧面反映该国的液压工业技术水平，因此各发达国家都非常重视发展电液比例技术。我国在电液比例技术方面，目前已有几十种品种、规格的产品，年生产规模不断扩大，但总的看，我国电液比例技术与国际水平比有较大差距，主要表现在：缺乏主导系列产品，现有产品型号规格杂乱，品种规格不全，并缺乏足够的工业性试验研究，性能水平较低，质量不稳定，可靠性较差，以及存在二次配套件的问题等，都有碍于该项技术进一步地扩大应用，急待尽快提高。
电液比例阀概述电液比例阀是以传统的工业用液压控制阀为基础，采用模拟式电气-机械转换装置将电信号转换为位移信号，连续地控制液压系统中工作介质的压力、方向或流量的一种液压元件。此种阀工作时，阀内电气-机械转换装置根据输入的电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力、流量输出。阀芯位移可以以机械、液压或电的形式进行反馈。当前，电液比例阀在工业生产中获得了广泛的应用。电液比例阀的特点与分类比例阀把电的快速性、灵活性等优点与液压传动力量大的优点结合起来，能连续地、按比例地控制液压系统中执行元件运动的力、速度和方向，简化了系统，减少了元件的使用量，并能防止压力或速度变换时的冲击现象。比例阀主要用在没有反馈的回路中，对有些场合，如进行位置控制或需要提高系统的性能时，电液比例阀也可作为信号转换与放大元件组成闭环控制系统。比例阀与开关阀相比，比例阀可简单地对油液压力、流量和方向进行远距离的自动连续控制或程序控制，响应快, 工作平稳，自动化程度高，容易实现编程控制，控制精度高，能大 大提高液压系统的控制水平。
与伺服阀相比，电液比例阀虽然动静态性能有些逊，但使用元件较少，结构简单，制造较电液伺服阀容易，价格低，效率也比伺服高(伺服控制系统的负载压力仅为供油压力的2／3)，系统的节能效果好，使用条件、保养和维护与一般液压阀相同，大大地减少了由污染而造成的工作故障，提高了液压系统的工作稳定性和可靠性。
下面是开关阀、比例阀和伺服阀几种阀的特性比较：
表1-1 电液比例元件和伺服、数字、开关元件的特性比较
性能 比例阀 伺服阀 开关阀
过滤精度( )
25 3 25～50
阀内压降( )
0.5～2 7 0.25～50
滞环(%) 1～3 1～3 －
重复精度(%) 0.5～1 0.5～ －
频宽(Hz/3dB) 25 20～200 －
中位死区 有 无 有
价格比 1 3 0.5
比例控制元件的种类繁多，性能各异，有多种不同的分类方法。
(1) 按其控制功能来分类，可分为比例压力控制阀，比例流量控制阀、比例方向阀（比例方向流量阀）和比例复合阀。前两者为单参数控制阀，后两种为多参数控制阀。比例方向阀能同时控制流体运动的方向和流量，是一种两参数控制阀，因此有的书上称之为比例方向流量阀。还有一种被称作比例压力流量阀的两参数控制阀，能同时对压力和流量进行比例控制。有些复合阀能对单个执行器或多个执行器实现压力、流量和方向的同时控制，这种分类方法是最常见的分类方法。
(2) 按液压放大级的级数来分，又可分为直动式和先导式。直动式是由电一机械转换元件直接推动液压功率级。由于受电一机械转换元件的输出力的限制，直动式比例阀能控制的功率有限，一般控制流量都在15L/min以下。先导控制式比例阀由直动式比例阀与能输出较大功率的主阀级构成。前者称为先导阀或先导级，后者称主阀功率放大级。根据功率输出的需要，它可以是二级或三级的比例阀。二级比例阀可以控制的流量通常在500L/min以下。比例插装阀可以控制的流量达1600L/min.
(3) 按比例控制阀的内含的级间反馈参数或反馈物理量的形式来分可分为带反馈或不带反馈型。不带反馈型一类，是从开关式或定值控制型的传统阀上加以改进，用比例电磁铁代替手轮调节部分而成；带反馈型一类，是借鉴伺服阀的各种反馈控制发展起来的。它保留了伺服阀的控制部分，降低了液压部分的精度要求，或对液压部分重新设计而构成。因此，有时也被称作廉价伺服阀。反馈型又分为流量反馈、位移反馈和力反馈。也可以把上述量转换成相应的其它量或电量再进行级间反馈，又可构成多种形式的反馈型比例阀。例如，有流量一位移一力反馈、位移电反馈、流量电反馈等。凡带有电反馈的比例阀，控制它的电控器需要带能对反馈电信号进行放大和处理的附加电子电路。
(4) 按比例阀主阀芯的型式来分，又可分为滑阀式和插装式。滑阀式是在传统的三类阀的基础上发展起来的；而插装式是在二通或三通插装元件的基础上，配以适当的比例先导控制级和级间反馈联系组合而成。由于它具有动态性能良好，集成化程度高，流通量大等优点，是一种很有发展前途的比例元件。
(5) 按其生产过程还可分为两类：一类是在电液伺服阀的基础上简化结构、降低制造精度，从而以低频宽和低静态指标换得成本的低廉，用于对频宽和控制精度要求不高的场合。另一类是在传统的液压阀基础上，配上廉价的螺管式比例电磁铁进行控制。
尽管上面己列举了几种不同的分类方法，但并未能把不同的比例阀的性能、特征都详尽无遗地反映出来。例如，还可按控制信号的形式来分，它又分为模拟信号控制式，脉宽调制信号控制式和数字信号控制式。特别是在机电一体化方面的需要，很多新型的比例元件不断出现，为比例阀的家族增添新成员。
3 电液比例阀的发展阶段
比例控制技术产生于打印机芯20世纪60年代末，当时，电液伺服技术已日趋完善，由于伺服阀的快速响应及较高的控制精度，以及明显的技术优势，迅速在高精度、快速响应的领域中，如航天、航空、轧钢设备及实验设备等中取代了传统的机电控制方式，但电液伺服阀成本高、应用和维护条件苛刻，难以被工业界接受。在很多工业应用场合并不要求太高的控制精度或响应性，而要求发展一种廉价、节能、维护方便、适应大功率控制及具有一定控制精度的控制技术。这种需求背景导致了比例技术的诞生与发展。而现代电子技术和测试技术的发展为工程界提供了可靠而廉价的检测、校正技术。这些正为电液比例技术的发展提供了有利的条件。
1967年瑞士Beringer公司生产的KL比例复合阀标志着比例控制技术在液压系统中应用的正式开始，主要是将比例型的电- 机械转换器(比例电磁铁) 应用于工业液压阀。比例技术的发
展由此往下大致可分为三个阶段：
(1) 从1967年瑞士Beringer公司生产Kl比例复合阀起，到70年代初日本油研公司申请了压力和流量两项比例阀专利为止，标志着比例技术的诞生时期。这一阶段的比例阀，仅仅是将比例型的电一机械转换器(如比例电磁铁)用于工业液压阀，以代替开关电磁铁或调节手柄。阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，大多不含受控参数的反馈闭环。其工作频宽仅在1-5Hz之间，稳态滞环在4-7%之间，多用于开环控制。
(2) 1975年到1980年间，可以认为比例技术的发展进入了第二阶段。采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟。比例元件的工作频宽己达5-15Hz,稳态滞环亦减小到3%左右。其应用领域日渐扩大，不仅用于开环控制，也被应用于闭环控制。
(3) 80年代，比例技术的发展进入了第三阶段。比例元件的设计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移内反馈、动压反馈及电校正等手段，使阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一步的提高，频宽达到3-50Hz，滞环在19/6-3%之间。除了因制造成本所限，比例阀在中位仍保留死区外，它的稳态和动态特性均己和工业伺服阀无异。另一项重大进展是，比例技术开始和插装阀相结合，己开发出各种不同功能和规格的二通、三通型比例
插装阀，形成了电液比例插装技术。同时，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了电液一体化的比例元件，电液比例技术逐步形成了80年代的集成化趋势。第三个值得指出的进展是电液比例容积元件，各类比例控制泵和执行元件相继出现，为大功率工程控制系统的节能提供了技术基础，而且计算机技术同液压比例技术相结合已成为必然趋势。
近年来比例阀出现了复合化趋势，极大地提高了比例阀(电反馈) 的工作频宽。在基础阀的基础上，发展出先导式电反馈比例方向阀系列，它与定差减压阀或溢流阀的压力补偿功能块组合，构成电反馈比例方向流量复合阀，可进一步取得与负载协调和节能效果。
今天，随着微电子技术和数学理论的发展，比例阀技术已达到比较完善的程度，已形成完整的产品品种、规格系列，并对已成熟的产品，为进一步扩大应用，在保持原基本性能与技术指标的前提下，向着简化结构、提高可靠性、降低制造成本及“四化”（通用化、模块化、组合化、集成化）的方向发展，以实现规模经济生产，降低制造成本。
在工业发达国家，由电液伺服阀、电液比例阀，以及配用的专用电子控制器和相应的液压元件，组合集成电液伺服比例控制系统的相互支撑发展，已综合形成液压工程技术，它的应用与发展被认为是衡量一个国家工业水平的重要标志，是液压工业又一个新的技术热点和增长点。
电解抛光
比例放大器
比例放大器是电液比例阀的控制和驱动装置，比例阀的基本电控单元，能够根据比例阀和比例泵的控制需要对控制电信号进行处理、运算和功率放大。闭环控制阀和控制泵使用的放大器可完成对整个比例元件的控制。
电液比例控制系统既有液压元件传递功率大，响应快的优势，又有电器元件处理和运算信号方便，易于实现信号远距离传输（遥控）的优势。发挥二者的技术优势在很大程度上依赖于比例放大器。
比例放大器要具有断电保护功能；控制信号中要迭加高频小振幅的颤振信号，以克服摩擦力,保证控制灵活；要有斜坡信号发生器，以便控制压力变化、速度或位移部件的加速度，有效防止惯性冲击；要有函数发生器,以补偿死区特性。
系统设计者的任务除了根据确定的比例阀选用配套的比例放大器外，还要设计或选用比例放大器供电电路、系统控制信号及系统控制电路。
比例放大器的分类
(1) 按放大器输出控制电流的通路数可将比例放大器分为单通路和双通路两种类型。单通路比例放大器用于控制单个电磁铁的比例元件，例如比例压力阀或比例流量阀，以及单电
磁铁驱动的比例方向阀等；双通路比例放大器用于控制三位比例方向阀、压力――流量复合控制阀（称pq阀））等带有两个比例电磁铁的比例元件。需要注意的是，双通路比例放大器工作时，只有其中一个比例电磁铁起实质性的控制作用：当控制三位比例方向阀时，比例放大器根据信号的极性选通一个起作用的比例电磁铁。当对压力――流量复合控制阀进行压力控制时，压力阀电磁铁起作用，流量阀电磁铁的控制信号是一个定值。
(2) 按放大器内是否带反馈通路可将比例放大器分为开环控制和闭环控制两种类型。开环控制比例放大器没有测量电路，反馈单元和反馈通路PID开关信号调节器，通常带有颤振信号发生器；闭环放大器用来控制带电反馈比例阀，设置有测量放大电路，反馈比较环节和信号调节器。
(3) 按放大器内运算信号的类型，可将比例放大器分为数字式和模拟式。模拟式比例放大器按连续信号的方式工作，加在比例电磁铁线圈两端的信号为连续直流电压，功耗较大；数字式比例放大器又分为数字信号放大器和开关式放大器。开关式放大器的功放管工作在截止或饱和区，即开关状态，加在比例电磁铁线圈两端信号为脉冲电压，功耗小。开关式比例放大器以PWM式为主。数字信号放大器内部采用数字芯片完成信号运算。
此外，根据所控制比例电磁铁的类型还有单向和双向比例放大器。单向放大器用来控制单
向比例电磁铁，双向放大器用来控制双向比例电磁铁，两者采用不同的放大电路。
电液比例控制元件对比例放大器的要求
(1) 管理ip实现从电压信号到电流信号的转换，并提供与输入电压成比例且功率足够的控制电流。因为比例电磁铁需要输出力去控制发生的运动，而磁场中衔铁的输出力又与电流成比例。比例放大器中，输出电流的单元称为功率放大级，处理和运算电压信号的单元称为控制级或前置级。为克服比例电磁铁线圈电感反电动势对频宽的影响，比例放大器中大多采用带深度电流负反馈的恒流源作为功率放大级。
(2) 具有足够的功率驱动比例电磁铁中衔铁上的负载其输入阻抗大，输出阻抗与比例电磁铁线圈阻抗匹配。
(3) 输入端有各种标准信号的接口，易于实现与不同信号发生装置的连接采用标准电源供电。 (4) 信号的波形、幅值、频率符合电液比例阀的静态和动态性能要求。
(5) 易于检测控制信号和反馈信号，具有基本的故障诊断和元件保护功能。
(6) 能产生正确有效的控制信号（含手动控制信号）。这意味着除了有信号发生装置外，还必须有逻辑控制与信号处理装置。如为了减小比例元件死区的影响，放大器因能够提供幅值可调的初始电流；为减小滞环（含磁滞）的影响，放大器的输出电流因含有一定
频率和幅值的颤振电流分量。为减小系统过度过程产生的冲击，对阶越输入信号能自动生成速率可调的斜坡信号，等等。
生产比例阀和比例泵的厂家均生产了配套的比例放大器，可随比例阀和比例泵一起供货。不同厂家之间，或同一厂家不同型号的比例阀，其比例放大器没有互换性。
比例放大器的基本控制电路
不同控制元件组成的比例放大器，其具有的电路形式和参数不同，但它们都是由基本的控制电路组成的。集成运算放大器组成的电路具有温漂小、体积小、可靠性高、设计和使用方便的优点，比例放大器都采用集成运算放大器来组成基本的控制电路。
需要指出的是，微电子技术的快速发展加速了比例放大器的更新换代，也使其基本的控制电路具有多种多样的形式。 下面将对比例放大器常用的基本控制电路的工作原理进行分析。
一个完整的比例阀或比例泵电控系统包含的基本电路如下图所示：
图 比例元件电控系统基本电路框图
由图可见，比例放大器包括稳压电源电路、信号发生电路、信号处理电路、功率放大电路、反馈检测与处理电路、逻辑控制电路等。
六氢吡啶比例电磁铁
前面多次提到过在比例阀中占很重要地位的驱动控制部分??如何自制纳米胶将电信号转换为位移信号的电- 机械转换器。那么此节将对它作一个详细的介绍。
液压控制系统中最主要的被控参数是压力与流量，而控制上述两个参数的最基本手段是对流阻 进行控制。一种控制流阻的技术途径是直接的电液转换。它是利用一种对电信号有粘性敏感的流体介质一电粘性液压油，实现电液粘度转换，从而达到控制流阻、实现对系统的压力和流量控制的目的。显然，这种流阻控制方式更为简便，它无需电－机转换元件。但是目前这种技术还未达到实用阶段和要求。
目前生产技术上能实现的可控流阻结构形式是通过电-机械转换器实现间接的电-液转换。将输入的电信号转换成机械量。这种电-机械转换器是电液比例阀的关键组件之一，它的作用是把经过放大后的输入信号电流成比例的转换成机械量。
根据控制的对象或液压参数的不同，这个力或者传给压力阀的一根弹簧，对它进行预压缩，或者输出的力、力矩与弹簧力相比较，产生一个与电流成比例的小位移或转角，操纵阀芯动作，从而改变可控流阻的液阻。可见，电一机转换器是电液比例阀的驱动装置。它的静态，动态特性对整个比例阀的设计和性能起着重要的作用。
电- 机械转换器分类
a. 按其作用原理和磁系统的特征分，主要有：电磁式、感应式、电动力式、电磁铁式、永磁式、极化式；动圈式、动铁式；直流、交流。
b. 按其结构形式和性能分，主要有：开关型电磁铁、比例电磁铁、动圈式马达、力矩马达、步进电动机等。
比例电磁铁
本设计属于电液比例阀一大类，顾名思义其应用的电- 机械转换器应是比例电磁铁。
比例电磁铁的功能是将比例控制放大器输出的电信号转换成力或位移。比例电磁铁推力大，结构简单，对油液清洁度要求不高，维护方便，成本低，衔铁腔可做成耐高压结构，是电液比例控制元件中广泛应用的电- 机械转换器件。比例电磁铁的特性及工作可靠性，对电液比例控制系统和元件的性能具有十分重要的影响，是电液比例控制系统的关键部件之一。
比例电磁铁的分类
比例电磁铁的类型按照工作原理主要分为如下几类:
(1)力控制型
这类电磁铁的行程短, 输出力与输入电流成正比, 常用在比例阀的先导控制级上；
(2)行程控制型
由力控制型加负载弹簧共同组成, 电磁铁输出的力先通过弹簧转换成输出位移, 输出位移与输入电流成正比, 工作行程达3mm, 线性好, 可以用在直控式比例阀上；
(3)位置调节型
衔铁的位置由传感器检测后, 发出一个阀内反馈信号, 在阀内进行比较后重新调节衔铁的位置。在阀内形成闭环控制, 精度高, 衔铁的位置与力无关。精度高的比例阀如德国的博世、意大利的阿托斯等都采用这种结构。
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