# 脈寬調變（PWM）控制數位氣動閥與氣缸 > Source: https://rodlesspneumatic.com/zh-hant/blog/pulse-width-modulation-pwm-control-for-digital-pneumatic-valves-and-cylinders/ > Language: zh-Hant ## Summary 區分線圈電流 PWM 與機械閥 PWM，透過反應時間、最小脈衝寬度、驅動器與實測流量，完成氣動氣缸的 PWM 驗證。 ## Page Content # 脈寬調變（PWM）控制數位氣動閥與氣缸 氣動閥的 PWM 控制 使用定時電脈衝，但脈衝可能有兩種完全不同的用途。電流控制器可以在閥門保持機械開啟時切換線圈電流；另一種方式則是讓快速開關閥在每個 PWM 週期實際開啟與關閉，以調節平均流量或壓力。混淆這兩種模式，會導致線圈過熱、可用工作週期範圍不存在，或閥門過早磨損。 SMC 對本文引用的兩位兩通 SY 閥型列出 5 或 10 Hz 的最高操作頻率。Festo 對選定的 MHJ9 快速切換閥則列出 500 或 1000 Hz，但前提是符合其電氣、壓力、安裝與溫度條件。因此，PWM 頻率是特定型號的工程限制，不是可套用於所有閥門的 50–200 Hz 設定（[SMC SY 目錄](https://www.smcworld.com/catalog/en/directional/SY-5-E/7-1-2-p0723-0963-SY3000_en/data/7-1-2-p0723-0963-SY3000_en.pdf)；[Festo MHJ9 資料表](https://www.festo.com/media/catalog/204694_documentation.pdf)）。 > 重點摘要 先判斷 PWM 是調節線圈電流，還是讓氣路進行機械循環。 命令工作週期不會自動等於閥位工作週期或流量百分比。 在每個頻率下，可用的工作週期範圍由開啟與關閉時間決定。 連續運轉前，確認驅動器電流、電壓箝位、線圈溫度、閥門壽命、壓力與回授。 在實際釋出的迴路上，用同步量測證明速度、出力、位置與耗氣量。 ## PWM 在氣動閥中實際控制的是什麼？ Texas Instruments 的 DRV110 先施加峰值電流，在設定時間內維持，再於使能訊號保持高電位時，以 PWM 調節較低的保持電流。這個程序控制的是電磁線圈電流與發熱，不是命令閥門在每個內部 PWM 週期開啟與關閉（[TI DRV110 資料表](https://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv110.pdf)）。 線圈電流 PWM 是電氣功率控制方法。驅動器先提供足夠電流吸合銜鐵或移動先導級，再把電流降至維持閥門動作所需的程度。切換發生在電流控制迴路內；在使能訊號改變前，機械閥通常會維持一個命令狀態。 機械閥 PWM 則命令相容的開關閥在每個控制週期內開啟與關閉。改變開啟所占的時間，就會改變平均質量流量或氣室壓力的演變。當一組數位閥要取代比例閥的部分功能時，使用的就是這種模式。 這個區分決定了工作週期的意義： | PWM 所在位置 | 每個 PWM 週期切換的對象 | 主要目標 | 主要限制 | | --- | --- | --- | --- | | 電磁線圈電流驅動器 | MOSFET 與線圈電流 | 降低保持功率與線圈溫度 | 峰值電流、保持電流、電感、箝位、驅動器額定值 | | 機械開關控制 | 閥芯、柱塞或滑閥及其氣路 | 調節平均流量或氣室壓力 | 開啟時間、關閉時間、額定頻率、壽命、壓力、溫度 | | 智慧閥的 PLC 命令 | 閥內電子裝置解讀數位輸入 | 依型號執行特定功率或流量功能 | 確切輸入規格與製造商設定 | 不要只從「PWM」這個詞推斷模式。應閱讀閥門與驅動器文件。接到普通方向閥的 PLC 脈衝列，不等同於峰值保持驅動器的內部電流 PWM；兩者也都不會自動等同於比例閥命令。 若要了解線圈、先導、滑閥與接口的基本動作，請參閱獨立的[氣動電磁閥指南](/zh-hant/blog/how-do-pneumatic-solenoid-valves-work-to-control-compressed-air-flow-in-industrial-systems/)。本文聚焦於 PWM 定時、電氣驅動與氣缸反應。 > Figure: TI 的 DRV110 說明峰值保持電流控制。機械 PWM 必須使用明確額定可在命令頻率下切換的閥門。 ## 為什麼不存在通用的 PWM 頻率？ SMC 對本文引用的 SY3000 兩位兩通閥規定最高 10 Hz，較大的 SY5000、SY7000 與 SY9000 則為 5 Hz。Festo 專用 MHJ9 型號列出 500 或 1000 Hz，並在選定條件下提供次毫秒級切換資料。正確的頻率必須從確切料號開始（[SMC](https://www.smcworld.com/catalog/en/directional/SY-5-E/7-1-2-p0723-0963-SY3000_en/data/7-1-2-p0723-0963-SY3000_en.pdf)；[Festo](https://www.festo.com/media/catalog/204694_documentation.pdf)）。 PWM 工作週期 D D 與頻率 f f 由開啟時間 t on t_{on} 、關閉時間 t off t_{off} 與週期 T T 定義： D = t on T f = 1 T D = \\frac{t_{\\mathrm{on}}}{T} \\qquad f = \\frac{1}{T} 若閥門必須在每個週期內到達兩個端點狀態，命令的開啟與關閉時間就必須大於經驗證的開啟與關閉時間： t on = D T ≥ t open t off = ( 1 − D ) T ≥ t close t_{on}=DT \\ge t_{open} \\qquad t_{off}=(1-D)T \\ge t_{close} 相應的第一輪可用範圍為： D min = t open T D max = 1 − t close T D_{min}=\\frac{t_{open}}{T} \\qquad D_{max}=1-\\frac{t_{close}}{T} 這些邊界只是篩選值，不是最終校準值。開啟延遲、銜鐵行程、先導壓力建立、閥芯動作與流量建立時間可能各不相同。關閉也有自己的延遲與行程時間。2023 年一項氣動壓力控制研究區分了命令工作週期與閥芯實際工作週期，並顯示閥門不對稱動態會改變平均流量表現（[de Carvalho 等人](https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ceat.202200410)）。 頻率選擇是三方定時問題：週期必須長到足以產生有用的閥門動作，又要短到讓受控氣室能平均化脈衝，並且避開機械共振或取樣假象。提高頻率可能降低壓力波動，同時縮小可用工作週期窗口並增加切換次數。 Festo 也指出，閥門或環境溫度升高時，可達的最高頻率會下降。其列出的數值要求指定的電纜電子裝置與操作條件。因此，資料表最高值不是每個歧管、壓力、安裝方式或環境溫度下都適合的連續設定。 ## 工作週期如何影響流量、壓力、速度與出力？ 2019 年一項電氣氣動力控制實驗使用四個開關閥，從實測壓差與流量計資料建立工作週期到流量的關係。這比假設 60% 命令會產生 60% 流量更可靠，因為傳遞函數包含閥門死區時間、壓力比與可壓縮流的非線性（[Energies 研究](https://www.mdpi.com/1996-1073/12/20/4011)）。 一個週期內的平均質量流量為： m ˙ avg = 1 T ∫ 0 T m ˙ ( t ) d t \\dot m_{avg}=\\frac{1}{T}\\int_0^T\\dot m(t)\\,dt 只有在很受限的條件下，這個關係才會簡化為單純的工作週期乘數。閥門必須到達可重複的狀態，開啟與關閉延遲必須可忽略或已補償，而且一個週期內的上游與下游壓力必須保持足夠穩定。氣動氣缸的氣室在整個行程中很少能同時滿足這些條件。 當氣室體積、質量、溫度、活塞位置、負載與排氣狀態改變時，壓力也會改變。速度接著取決於淨力以及完整的供氣與排氣路徑。較低的 PWM 工作週期可能降低運動期間的壓力建立，因此它不只影響速度，也會影響可用的加速出力。只有當氣室最終達到所需壓力且對側氣室能充分排氣時，理論最大出力才可能恢復。 | 量測量 | 為什麼不能只靠工作週期預測 | 需要的量測 | | --- | --- | --- | | 平均質量流量 | 閥門動態與壓力比會重塑每個脈衝 | 上游壓力、下游壓力、溫度、校準流量 | | 氣室壓力 | 活塞位置改變時，體積與淨質量流量也改變 | 與位置同步量測氣缸兩個接口的壓力 | | 氣缸速度 | 淨力、負載、摩擦、流量能力與排氣彼此作用 | 由位置推導的速度與壓力曲線 | | 輸出出力 | 充氣壓力與背壓同時作用於活塞面積 | 兩個氣室壓力、面積、加速度、外部負載 | | 耗氣量 | 脈衝流量與整個行程的充氣不是同一種計算 | 相同生產週期下計量的自由空氣消耗量 | ISO 6358-1 定義氣動元件流量特性的穩態測試，但其方法不適用於與流體交換能量的氣缸或蓄能器。應把選定閥門的 ISO 6358 資料作為輸入，再對組裝完成的 PWM 迴路進行動態驗證（[ISO 6358-1:2013](https://www.iso.org/standard/56612.html)）。 [氣動流量控制尺寸選擇指南](/zh-hant/blog/the-engineers-guide-to-pneumatic-flow-control-valve-sizing/)涵蓋閥門與氣路能力；另一篇[空氣可壓縮性控制指南](/zh-hant/blog/how-does-air-compressibility-affect-pneumatic-cylinder-control-performance/)則說明氣室為何不像不可壓縮的平均化元件那樣反應。 ## 需要哪種閥路與回授訊號？ 2022 年一項軟致動器研究使用一個 3/2 開關閥、蓄氣器與 40 Hz 壓力回授。另一個 2019 年力追蹤系統使用四個開關閥，並量測工作週期、壓差與流量的關係。這些是特定的控制架構，不能證明單一 PWM 輸出就能定位每一支雙作用氣缸（[Frontiers](https://www.frontiersin.org/journals/robotics-and-ai/articles/10.3389/frobt.2022.818187/full)；[Energies](https://www.mdpi.com/1996-1073/12/20/4011)）。 應根據受控變數與安全狀態選擇氣路拓撲： - 一個 3/2 閥： 適合對一個柔順容積充氣與排氣，前提是失電狀態提供所需的排氣行為。 - 每個氣室兩個 3/2 閥： 供氣與排氣可分開命令，但軟體必須避免意外同時形成兩條氣路。 - 四個開關閥： 對兩個氣室分別控制充氣與排氣，可支援更多控制模式，但配線、切換與故障複雜度也更高。 - 一個 5/2 閥： 可改變方向，但通常不能對每個氣室提供獨立的充氣與排氣脈衝控制。 - 一個 5/3 閥： 增加中位狀態，但中封不保證剛性位置保持，因為空氣仍可壓縮且仍有洩漏。 當負載、供氣、摩擦與溫度都受控時，開迴路 PWM 可以塑造可重複的行程。閉迴路速度、壓力、出力或位置控制需要對實際受控量使用感測器。閥門命令只能證明控制器發出了脈衝。 > Figure: 回授應量測命令所要達成的機器結果。閥門電子裝置、氣路拓撲與氣缸安裝仍是分開的驗證層。 在調校前先定義故障行為。確認控制器重置、感測器遺失、閥門卡住、導線斷裂、先導壓力不足、排氣受阻與急停時會發生什麼。PWM 不得繞過機器已核准的安全架構，也不能把方向閥變成未經驗證的負載保持裝置。 ## 電磁線圈驅動器與電壓箝位要求 TI 的 DRV110 會在設定的保持時間內調節峰值電流，之後降至保持電流。在另一項電磁線圈驅動器比較中，TI 在範例硬體測得，自由續流約需 10 ms 解除動作；較高電壓箝位約需 3.5 ms。抑制方式因此會影響釋放時間（[DRV110](https://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv110.pdf)；[TI 電磁線圈驅動說明](https://www.ti.com/lit/an/slvae59a/slvae59a.pdf)）。 除非輸出端已明確針對該負載與切換方式額定，PLC 或微控制器不應直接驅動閥門線圈。請確認： - 線圈電壓容許範圍與冷態／熱態電阻； - 峰值、保持、湧入與平均電流； - 電晶體輸出電流、電壓、切換速率與熱限制； - 電氣隔離與共用參考端要求； - MOSFET 電壓、電流、切換損耗與安全操作區； - 電纜長度、連接器額定值、EMC 與接地； - 抑制器或箝位電壓相對於驅動器與線圈絕緣額定值的關係； - 閥門專用的極性、LED、省電與突波抑制電子裝置。 直接並聯在直流線圈兩端的二極體會提供低電壓自由續流路徑，可保護開關，但低再循環電壓會讓電流緩慢衰減。TVS、齊納二極體、主動箝位或驅動器再循環模式，能允許較高且受控的電壓，使銜鐵更快釋放。較高的箝位電壓也會增加半導體與絕緣應力。應使用閥門與驅動器製造商核准的電路，不要只因為追求速度就自行選擇箝位。 線圈電流 PWM 需要電流回授或經驗證的驅動器設計。線圈電阻會隨溫度上升，供應電壓會變動，電感也會隨銜鐵位置改變。原始電壓工作週期無法保證在這些狀態下得到相同的吸合或保持電流。 若智慧閥內建突波抑制或省電電子裝置，在製造商確認相容前，不要再加裝外部箝位。例如 SMC SY 目錄顯示，在受測型號上，不同抑制選項的反應時間不同。配線變更可能改變控制策略所依賴的釋放時間。 ## PWM 切換如何影響閥門壽命與溫度？ Festo 將 MHJ9 的允許環境溫度與切換頻率連結，並要求使用指定的連接電纜電子裝置。SMC 則按 SY 型號與閥位數發布最高操作頻率。兩者都不支持從泛稱的「數百萬次循環」推導連續 PWM 壽命（[Festo](https://www.festo.com/media/catalog/204694_documentation.pdf)；[SMC](https://www.smcworld.com/catalog/en/directional/SY-5-E/7-1-2-p0723-0963-SY3000_en/data/7-1-2-p0723-0963-SY3000_en.pdf)）。 當機械閥在每個 PWM 週期完成一次開關動作時，額定循環數 N r N_r 所代表的理想操作時數為： L h = N r 3600 f L_h=\\frac{N_r}{3600f} 這是排程計算，不是服務壽命預測。假設某閥門額定 1,000 萬次循環，並以 50 Hz 持續進行機械切換，算術結果約為 55.6 小時。實際認證必須使用製造商的循環定義、壓力、溫度、過濾、潤滑、安裝、電氣驅動與失效準則。 高頻能力與長期應用壽命是不同規格。閥門可能能在短時間突發高頻訊號下跟隨，卻不適合連續生產 PWM；反過來，長壽命方向閥也可能有反應時間與頻率限制，使有效工作週期窗口過窄而無法實用調變。 應在工作週期穩定後記錄線圈或外殼溫度，而不只進行短時間台架測試。要檢查單獨安裝與歧管安裝，因為相鄰通電線圈會改變散熱。也要在機器規格允許的最高環境與流體溫度下重複測試。 耗氣量也需要 A/B 測量。比較完全相同的生產工作：相同負載、行程、循環數、壓力要求、待機狀態、產量與可接受運動。較低的工作週期本身不是節能證據；傳統的速度控制節流閥在氣缸停止時也不會持續放空空氣。 ## PWM 控制氣缸的試運轉方法 2023 年的壓力控制研究要求開啟時間大於閥門開啟時間、關閉時間大於閥門關閉時間，才定義可用的工作週期範圍。其閥芯實際工作週期也取決於開啟與關閉的不對稱性。因此，試運轉應從閥門動作與壓力資料開始，而不是從通用的 50% 命令開始（[de Carvalho 等人](https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ceat.202200410)）。 請依下列順序進行： - 辨識每個部件。 記錄完整閥門、線圈、連接器、抑制器、驅動器、歧管、氣缸、感測器與控制器輸出料號。 - 確認安全與靜態功能。 在重複切換前，確認失電氣路、急停行為、負載保持、供氣隔離與手動覆歸。 - 量測單次轉換。 在一次開啟與一次關閉事件中，記錄命令、線圈電流、閥位證據、氣缸接口壓力與位置。 - 建立最小脈衝。 從安全值逐步增加開啟與關閉時間，直到閥門在所需壓力與溫度下達到可重複狀態。 - 選擇保守頻率。 讓命令落在型號的最高頻率與熱限制內，同時保留可用的工作週期範圍。 - 雙向繪製工作週期。 量測流量或氣室壓力變化，不要假設線性；記錄死區與遲滯。 - 必要時閉合迴路。 使用實測傳遞圖與明確取樣率，調整壓力、速度、出力或位置回授。 - 運行完整工作週期。 驗證溫度、切換次數、供氣壓力、排氣壓力、運動波動、位置、出力裕度、洩漏與耗氣量。 - 測試故障。 依機器安全程序模擬允許的感測器、閥門、氣源與控制器故障。 依我們的經驗，最有資訊量的試運轉曲線，是把命令、線圈電流、氣缸兩個接口壓力與位置放在同一時間基準上。這能區分「電氣脈衝沒有讓閥門動作」與「閥門脈衝確實推動了空氣，但未能克服負載、摩擦、排氣限制或氣室可壓縮性」。 在調校前先寫下驗收準則。可用準則包括最高線圈溫度、壓力波動、速度變化、首次動作延遲、端點行為、停止誤差、每個生產週期的切換次數、每件合格產品的自由空氣用量，以及故障狀態下的運動。 不要使用[耗氣量計算器](/zh-hant/online-tools/air-consumption-calculator/)根據工作週期宣稱 PWM 節省。它可以估算傳統幾何氣缸需求，但 PWM 比較需要實測脈衝流量。這也是本文沒有插入計算器卡片的原因。 ## 何時應使用 PWM，而不是比例閥？ 2019 年力控制實驗的結果，建立在四個開關閥、實測流量資料、壓力回授與擬合控制方法的完整系統上。這與把 PWM 加到一個標準方向閥上有本質差異。當相容的快速閥與足夠的回授值得投入工程成本時，PWM 才具吸引力（[Energies](https://www.mdpi.com/1996-1073/12/20/4011)）。 | 應用需求 | 使用開關閥的機械 PWM | 比例閥 | 傳統流量控制 | | --- | --- | --- | --- | | 固定的起終點氣缸速度 | 通常不需要 | 通常不需要 | 通常是最簡單的選擇 | | 配方式速度曲線 | 使用額定閥並驗證後可行 | 直接提供可變命令 | 手動或調整範圍有限 | | 氣室壓力控制 | 需要充排氣拓撲與回授才可行 | 搭配回授是常見方案 | 不是為主動壓力控制設計 | | 中間位置 | 需要回授、合適拓撲與調校 | 需要回授與調校 | 通常不適用 | | 極高切換需求 | 需要專用快速閥 | 取決於閥門 | 不適用 | | 最低軟體複雜度 | 不適合 | 控制器介面支援時較佳 | 固定調整時最佳 | | 已知的失效安全氣路 | 必須跨所有數位閥設計 | 必須為所選閥門設計 | 由方向迴路決定 | 當閥門明確額定可承受該切換工作、控制器可以產生並監督脈衝，且實測性能足以合理化額外切換時，才選擇 PWM。若連續命令、較寬的可控流量範圍、整合式電子裝置或更簡單的調校更重要，則選擇比例閥。比例架構可參閱[比例流量控制閥指南](/zh-hant/blog/how-do-proportional-flow-control-valves-work-in-rodless-cylinder-systems/)。 對簡單的固定速度氣缸，排氣節流流量控制仍可能是較好的答案。PWM 應解決明確的壓力、速度、出力或位置問題，不應只因 PLC 有脈衝輸出就加入。 如需公司資料與技術更正途徑，請參閱[關於我們](/zh-hant/about-us/)與[聯絡我們](/zh-hant/contact/)。 ## PWM 氣動閥與氣缸常見問題 本文引用的 SMC 標準 SY 型號列出 5–10 Hz 的最高操作頻率，Festo 專用 MHJ9 快速切換型號則在指定條件下列出 500–1000 Hz。因此，以下回答依據型號專屬的反應、驅動器、壓力、溫度與壽命資料，不為所有氣動閥推薦單一頻率（[SMC](https://www.smcworld.com/catalog/en/directional/SY-5-E/7-1-2-p0723-0963-SY3000_en/data/7-1-2-p0723-0963-SY3000_en.pdf)；[Festo](https://www.festo.com/media/catalog/204694_documentation.pdf)）。 ### 任何標準氣動電磁閥都能用 PWM 控制嗎？ 不能。線圈電流 PWM 可能可以搭配經驗證的峰值保持驅動器使用，但機械 PWM 需要閥門明確額定可承受命令頻率、工作週期、壓力、溫度、安裝與壽命。內建電子裝置也可能拒絕或重新解讀脈衝。測試前應確認完整的閥門與連接器料號。 ### 氣動氣缸應使用什麼 PWM 頻率？ 應從確切閥門的最高頻率與實測開啟、關閉時間開始，不要從通用數值開始。選擇一個能保留可用開啟與關閉時間、提供可接受氣室波動、避開相關共振，並符合熱與壽命限制的週期。最後要在組裝完成的迴路上驗證。 ### 50% 工作週期會產生 50% 閥門流量嗎？ 不一定。當開啟與關閉延遲顯著或不對稱時，命令工作週期與閥芯有效工作週期不同。可壓縮流也會隨上游與下游壓力變化。在應用範圍內建立實測的工作週期到流量或壓力對照圖，再把工作週期當作控制變數。 ### PWM 能讓氣動氣缸保持在中間行程嗎？ 單靠 PWM 不能保證位置保持。中間定位需要合適的充排氣拓撲、位置回授、控制器與經驗證的負載行為。空氣可壓縮性、洩漏、密封摩擦、供氣變化與外部力量仍會持續作用。若位置喪失會造成風險，請使用機械鎖或具安全額定的方案。 ### PWM 一定會降低壓縮空氣消耗嗎？ 不會。節省量取決於原有迴路、所需動作、壓力曲線、排氣策略、洩漏、閥門損失與合格產出。應在相同工作週期下比較計量的自由空氣用量。較低的電氣工作週期不是氣動能量或壓縮機用電的直接量測。 ### 來源與技術參考 - [Texas Instruments，DRV110 電磁線圈電流控制器資料表](https://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv110.pdf)，峰值保持電流與 PWM 電流調節；取用於 2026-07-23。 - [Texas Instruments，「使用馬達驅動器驅動電磁線圈」](https://www.ti.com/lit/an/slvae59a/slvae59a.pdf)，自由續流、電壓箝位、電流衰減與解除動作時間；取用於 2026-07-23。 - [SMC，SY3000/5000/7000/9000 五口電磁閥目錄](https://www.smcworld.com/catalog/en/directional/SY-5-E/7-1-2-p0723-0963-SY3000_en/data/7-1-2-p0723-0963-SY3000_en.pdf)，型號專屬操作頻率與反應時間；取用於 2026-07-23。 - [Festo，MHJ9 與 MHJ10 快速切換閥資料表](https://www.festo.com/media/catalog/204694_documentation.pdf)，切換時間、頻率、驅動器、壓力、安裝與溫度條件；取用於 2026-07-23。 - [de Carvalho 等人，「使用脈寬調變開關閥的氣動壓力控制」](https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ceat.202200410)， Chemical Engineering & Technology 46(1), 21–28, 2023；取用於 2026-07-23。 - [Qian 等人，「以模糊邏輯為基礎的體積流量控制電氣氣動力追蹤系統」](https://www.mdpi.com/1996-1073/12/20/4011)， Energies 12(20), 4011, 2019；取用於 2026-07-23。 - [Skorina 等人，「使用開關閥控制軟氣動致動器壓力的模型式非線性回授控制器」](https://www.frontiersin.org/journals/robotics-and-ai/articles/10.3389/frobt.2022.818187/full)， Frontiers in Robotics and AI 9, 2022；取用於 2026-07-23。 - [ISO 6358-1:2013](https://www.iso.org/standard/56612.html)，使用可壓縮流體進行氣動元件穩態流量測試，包含 2020 與 2026 修訂；取用於 2026-07-23。