改善系統反應的 6 個關鍵比例閥選擇因素 by 40%

您的液壓或氣動系統是否受到反應時間緩慢、定位不一致或無法解釋的控制波動所苦？這些常見的問題往往是由於比例閥選擇不當，導致生產力降低、品質問題和能源消耗增加。選擇正確的比例閥可以立即解決這些關鍵問題。

理想的比例閥必須提供快速的步進響應特性，最佳化的 死區¹ 補償，以及適當的 EMI 抗擾性認證² 適合您的操作環境。正確的選擇需要瞭解響應曲線分析技術、死區參數最佳化以及電磁干擾保護標準，以確保可靠且精確的控制效能。

我最近為一家塑膠射出成型製造商提供諮詢服務，該製造商因壓力控制問題而導致零件品質不穩定。在採用具有最佳反應特性和死區補償的適當比例閥之後，他們的零件不良率從 3.8% 降至 0.7%，每年節省超過 $215,000。讓我分享一下我在為您的應用選擇完美比例閥方面的心得。

目錄

• 如何分析步進響應特性以獲得最佳動態性能
• 精密控制的死區補償參數設定指南
• 可靠運作的 EMI 抗擾度認證要求

如何分析 步驟回應³ 最佳動態性能的特性

步進響應分析是評估比例閥動態性能和特定應用適用性的最直觀方法。

階級反應曲線以圖形表示閥門在承受瞬間控制訊號變化時的動態行為，揭示關鍵的性能特性，包括反應時間、過衝、安定時間和穩定性。透過正確分析這些曲線，可針對特定應用需求選擇具有最佳動態特性的閥門，在安裝前預防性能問題。

瞭解階級回應基本原理

在分析回應曲線之前，請先瞭解這些關鍵概念：

關鍵步驟回應參數

參數	定義	典型範圍	對效能的影響
回應時間	達到最終數值 63% 的時間	5-100ms	初始系統反應速度
上升時間	從 10% 到最終數值 90% 的時間	10-150ms	驅動速率
超調	超出最終值的最大偏移	0-25%	穩定性和振盪潛力
安頓時間	保持在最終值 ±5% 之內的時間	20-300ms	達到穩定位置的總時間
穩態誤差	持續偏離目標	0-3%	定位精度
頻率響應4	振幅為 -3dB 時的頻寬	5-100Hz	遵循動態指令的能力

回應類型與應用

不同的應用需要特定的反應特性：

回應類型	特徵	最佳應用	限制條件
嚴重阻尼	無超調，速度適中	定位、壓力控制	反應較慢
低阻尼	反應速度更快，具有過調	流量控制、速度控制	電位震盪
過阻尼	無超調，反應較慢	精確的力控制	整體反應較慢
最佳阻尼	最小的過衝、良好的速度	一般用途	需要仔細調校

階級反應測試方法

測量階級反應有幾種標準化的方法：

標準階級反應測試 (ISO 10770-1 相容)

這是最常見、最可靠的測試方法：

1. 測試設定
      - 將閥門安裝在標準測試座上
      - 連接適當的液壓/氣壓動力源
      - 在工作口安裝高速壓力感測器
      - 連接精密流量測量裝置
      - 確保穩定的供氣壓力和溫度
      - 連接高解析度指令信號產生器
      - 使用高速資料擷取 (最低 1kHz)

2. 測試程序
      - 初始化閥門於中性位置
      - 套用指定振幅的階級指令 (通常為 0-25%、0-50%、0-100%)
      - 記錄閥芯位置、流量/壓力輸出
      - 套用反向步進指令
      - 以多種振幅進行測試
      - 在不同工作壓力下進行測試
      - 在極端溫度下進行測試（如適用

3. 資料分析
      - 計算響應時間、上升時間、安定時間
      - 確定過調百分比
      - 計算穩態誤差
      - 識別非線性和不對稱性
      - 比較不同操作條件下的效能

頻率響應測試 (Bode Plot 分析)

適用於需要動態效能分析的應用程式：

1. 測試方法
      - 應用不同頻率的正弦波輸入訊號
      - 測量輸出回應的振幅和相位
      - 建立 Bode 繪圖（振幅和相位 vs. 頻率）
      - 確定 -3dB 頻寬
      - 識別共振頻率

2. 績效指標
      - 頻寬：可接受反應的最大頻率
      - 相位延遲：特定頻率的時序延遲
      - 振幅比：輸出 vs. 輸入幅度
      - 共振峰：潛在的不穩定點

解讀階級反應曲線

步進響應曲線包含了關於閥門性能的寶貴資訊：

主要曲線特徵及其重要性

1. 初始延遲
      - 緊接指令後的平坦區段
      - 表示電氣和機械死區時間
      - 對反應式系統而言，越短越好
      - 現代閥的典型值為 3-15ms

2. 上升沿斜率
      - 初始反應的陡度
      - 表示閥門加速能力
      - 受驅動電子裝置和轉軸設計影響
      - 較陡的斜率可讓系統反應更快

3. 過擺特性
      - 峰值高度高於最終數值
      - 阻尼比指示
      - 較高的過衝表示阻尼較低
      - 多重震盪顯示穩定性問題

4. 安頓行為
      - 接近最終價值的模式
      - 表示系統阻尼和穩定性
      - 平穩的進場方式是定位的理想選擇
      - 振盪沉降精度有問題

5. 穩態區域
      - 曲線的最終穩定部分
      - 表示解析度和穩定性
      - 應為平坦且噪音最小
      - 微小擺動顯示控制問題

常見的回應問題與原因

回應問題	視覺指示器	常見原因	效能影響
死區時間過長	長扁平初始部分	電氣延遲、高摩擦	系統回應能力降低
高超調	高於目標的高峰	阻尼不足、增益過高	潛在的不穩定性、超預目標
擺動	多重峰谷	回饋問題、阻尼不正確	操作不穩定、磨損、噪音
緩慢上升	漸變斜坡	閥門尺寸不足，驅動力低	系統回應緩慢
非線性	等級的不同反應	線軸設計問題、摩擦	表現不一致
不對稱	每個方向的反應不同	不平衡力、彈簧問題	方向性能變化

特定於應用程式的回應要求

不同的應用有不同的步進響應要求：

運動控制應用

用於定位系統和運動控制：

• 快速回應時間 (通常 <20ms)
• 最小過調 (<5%)
• 沉降時間短
• 高位置解析度
• 雙向對稱反應

壓力控制應用

用於壓力調節和力控制：

• 可接受的中度回應時間 (20-50ms)
• 最小過調臨界值 (<2%)
• 優異的穩定性
• 在低指令訊號下有良好的解析度
• 最小磁滯

流量控制應用

用於速度控制和流量調節：

• 快速回應時間很重要 (10-30ms)
• 可接受中度過調 (5-10%)
• 線性流量特性
• 寬廣的控制範圍
• 低流量時具有良好的穩定性

案例研究：階級回應最佳化

我最近與一家塑膠射出成型製造商合作，該製造商遇到零件重量和尺寸不一致的問題。分析他們的比例壓力控制閥後發現：

• 反應時間過長 (85ms 對比規定的 30ms)
• 顯著的過調 (18%) 會造成壓力尖峰
• 沉降行為不佳，持續震盪
• 壓力增加與減少之間的不對稱反應

透過實施具有最佳化階級回應特性的閥門：

• 回應時間縮短至 22 毫秒
• 超調降至 3.5%
• 消除持續震盪
• 達到雙向對稱反應

結果很顯著：

• 零件重量變化減少 68%
• 74% 改善了尺寸穩定性
• 週期時間減少 0.8 秒
• 每年節省約 $215,000 美元
• 不到 4 個月就實現 ROI

精密控制的死區補償參數設定指南

死區補償是比例閥實現精確控制的關鍵，尤其是在低指令信號下，固有的閥死區會對性能造成重大影響。

死區補償參數會修改控制信號，以抵消閥門零位附近固有的非響應區域，從而改善小信號響應和整體系統的線性。正確的補償設定需要有系統的測試和參數最佳化，才能在整個控制範圍內達到反應性和穩定性之間的理想平衡。

瞭解死區基本原理

在實施補償之前，請先瞭解這些關鍵概念：

導致比例閥死區的原因是什麼？

死區是由幾個物理因素造成的：

1. 靜態摩擦（stiction）
      - 線芯與線孔間的摩擦力
      - 必須在運動開始前克服
      - 隨著污染和磨損而增加

2. 重疊設計
      - 刻意將線芯土地重疊以控制洩漏
      - 建立機械死區
      - 因閥門設計及應用而異

3. 磁滯
      - 電磁閥反應的非線性
      - 產生電氣死區
      - 因溫度和製造品質而異

4. 彈簧預壓
      - 定心彈簧力
      - 必須在線芯移動之前克服
      - 因彈簧設計和調整而異

死區對系統效能的影響

未補償的死區會產生幾個控制問題：

問題	說明	系統影響	嚴重性
小訊號反應差	小指令變更無輸出	精確度降低，「黏黏的」控制	高
非線性響應	不同範圍的增益不一致	難以調整、行為不可預測	中型
限制循環	在設定點附近持續獵取	增加磨損、噪音、能源消耗	高
位置錯誤	持續偏移目標	品質問題、效能不一致	中型
不對稱性能	每個方向都有不同的行為	系統回應的方向性偏差	中型

死區測量方法

補償前，請精確測量死區：

標準死區測量程序

1. 測試設定
      - 使用標準連接將閥安裝在測試座上
      - 連接精密流量或位置測量
      - 確保穩定的供氣壓力和溫度
      - 使用高解析度指令信號產生器
      - 執行資料擷取系統

2. 測量過程
      - 從空檔（零指令）開始
      - 以小增量慢慢增加指令 (0.1%)
      - 可量度輸出開始時記錄指令值
      - 朝相反方向重複
      - 在多種壓力和溫度下進行測試
      - 重複多次以獲得統計有效性

3. 資料分析
      - 計算平均正閾值
      - 計算平均負閾值
      - 確定總死區寬度
      - 評估對稱性 (正面與負面)
      - 評估不同條件下的一致性

先進的特性分析方法

如需更詳細的死區分析：

1. 磁滯迴路映射
      - 應用緩慢增加然後再減少的信號
      - 描繪整個週期的輸出與輸入
      - 測量遲滯迴圈的寬度
      - 識別磁滯模式中的死區

2. 統計特性
      - 執行多重臨界值測量
      - 計算平均值和標準差
      - 確定置信區間
      - 評估溫度和壓力敏感性

死區補償策略

有幾種補償死區的方法：

固定偏移補償

最簡單的方法，適合基本應用：

1. 執行
      - 為指令信號加入固定偏移量
      - 偏移值 = 測量死區 / 2
      - 應用適當的符號 (+ 或 -)
      - 在控制軟體或驅動電子裝置中執行

2. 優勢
      - 簡單實作
      - 只需最少的計算
      - 易於現場調整

3. 限制條件
      - 無法適應不斷變化的條件
      - 在某些操作點可能會補償過度
      - 如果設定太高，可能會造成不穩定

自適應死區補償

針對高要求的應用，提供更精密的方法：

1. 執行
      - 持續監控閥門反應
      - 動態調整補償參數
      - 執行學習演算法
      - 補償溫度和壓力的影響

2. 優勢
      - 適應不斷變化的條件
      - 補償長時間的磨損
      - 優化整個操作範圍的效能

3. 限制條件
      - 更複雜的實作
      - 需要額外的感測器
      - 如果調校不佳，可能會產生不穩定性

查詢表補償

適用於具有非線性或不對稱死區的閥門：

1. 執行
      - 建立全面的閥門特性
      - 建立多維查找表
      - 包含壓力和溫度補償
      - 測量點之間的內插

2. 優勢
      - 處理複雜的非線性問題
      - 可補償不對稱
      - 在整個操作範圍內均具有良好的性能

3. 限制條件
      - 需要廣泛的特性分析
      - 記憶體和處理密集型
      - 難以更新閥門磨損

死區參數的最佳化過程

遵循此系統性方法來最佳化死區補償：

逐步參數最佳化

1. 初始特性
      - 測量基本死區參數
      - 記錄作業條件的影響
      - 識別對稱/不對稱特性
      - 確定補償方式

2. 初始參數設定
      - 設定補償為測量死區的 80%
      - 實施基本的正負值臨界值
      - 應用最少的平滑/斜坡
      - 測試基本功能

3. 微調過程
      - 測試小訊號階躍響應
      - 調整臨界值以獲得最佳反應
      - 平衡反應性與穩定性
      - 全訊號範圍測試

4. 驗證測試
      - 以典型的指令模式驗證效能
      - 在極端操作條件下進行測試
      - 確認穩定性和精確度
      - 文件最終參數

關鍵調整參數

必須最佳化的關鍵參數：

參數	說明	典型範圍	調音效果
正閾值	正方向的指令偏移	1-15%	影響前向反應
負值臨界值	負方向的指令偏移	1-15%	影響反向反應
過渡斜坡	通過死區的變化率	1-5 增益	影響平滑度
抖動5 振幅	擺動幅度小，可減少嚙合現象	0-3%	減少嚙合效應
抖動頻率	抖動信號的頻率	50-200Hz	最佳化減少嚙合
補償限額	應用的最大補償	5-20%	防止過度補償

常見的死區補償問題

在設定過程中，請注意這些常見問題：

1. 過度補償
      - 症狀：擺動、小訊號時不穩定
      - 原因：臨界值過大
      - 解決方案：逐步降低臨界值設定

2. 補償不足
      - 症狀：持續死區、小訊號反應不良
      - 原因：臨界值不足
      - 解決方案：逐步增加臨界值設定

3. 不對稱補償
      - 症狀：正面與負面的反應不同
      - 原因：臨界值設定不相等
      - 解決方案：獨立調整正負臨界值

4. 溫度敏感性
      - 症狀：效能隨溫度改變
      - 原因：使用溫度敏感閥進行固定補償
      - 解決方案：實施基於溫度的補償調整

個案研究：死區補償最佳化

我最近與一家金屬板成型沖床製造商合作，該製造商因為在低指令信號下壓力控制不佳，導致零件尺寸不一致。

分析顯示：

• 明顯的死區（8.5% 的指令範圍）
• 不對稱反應（10.2% 陽性，6.8% 陰性）
• 溫度敏感度 (30% 冷啟動時死區增加)
• 圍繞設定點的持續極限循環

透過執行最佳化的死區補償：

• 建立不對稱補償 (9.7% 正極、6.5% 負極)
• 實施以溫度為基礎的調整演算法
• 新增最小抖動 (150Hz 時為 1.8%)
• 微調過渡斜率以達到平穩反應

結果很顯著：

• 消除極限循環行為
• 85% 改善了小信號響應
• 76% 減少壓力變化
• 藉由 82% 強化尺寸一致性
• 預熱時間減少 67%

可靠運作的 EMI 抗擾度認證要求

電磁干擾 (EMI) 會嚴重影響比例閥的性能，因此適當的抗干擾認證對於在工業環境中可靠運行至關重要。

EMI 抗擾性認證可驗證比例閥在受到工業環境中常見的電磁干擾時維持指定性能的能力。適當的認證可確保閥門在鄰近電氣設備、電力波動和無線通訊的情況下仍能可靠運作，避免神秘的控制問題和間歇性故障。

瞭解比例閥的 EMI 基本原理

在根據 EMI 認證進行選擇之前，請先瞭解這些關鍵概念：

工業環境中的 EMI 來源

可能影響閥門性能的常見來源：

1. 電力系統干擾
      - 電壓尖峰和瞬態
      - 諧波失真
      - 電壓突降和中斷
      - 電源頻率變化

2. 輻射排放
      - 變頻驅動器
      - 焊接設備
      - 無線通訊裝置
      - 開關電源
      - 馬達換向

3. 傳導干擾
      - 接地迴路
      - 共阻抗耦合
      - 訊號線干擾
      - 電源線雜訊

4. 靜電放電
      - 人員移動
      - 材料處理
      - 乾燥環境
      - 絕緣材料

EMI 對比例閥性能的影響

EMI 可在比例閥中造成幾個特定的問題：

EMI 效應	效能影響	症狀	典型來源
指令信號損壞	定位不準確	意外移動、不穩定性	訊號線干擾
回授訊號干擾	閉環控制不佳	擺動、狩獵行為	感測器接線曝光
微處理器重設	暫時失去控制	間歇性關機、重新初始化	高能量瞬態
驅動級故障	輸出電流不正確	閥門偏移、意外力量	電源線干擾
通訊錯誤	遙控器失效	指令超時、參數錯誤	網路干擾

EMI 抗擾度標準與認證

多項國際標準規範了 EMI 抗擾性要求：

工業閥門的主要 EMI 標準

標準	焦點	測試類型	應用
IEC 61000-4-2	靜電放電	接觸和空氣排放	人際互動
IEC 61000-4-3	輻射 RF 抗擾度	射頻磁場暴露	無線通訊
IEC 61000-4-4	電氣快速瞬變	電源/信號上的爆發瞬態	切換事件
IEC 61000-4-5	抗突波能力	高能量突波	閃電、電源切換
IEC 61000-4-6	傳導 RF 抗擾度	耦合到電纜上的 RF	纜線傳導干擾
IEC 61000-4-8	功率頻率磁場	磁場暴露	大電流變壓器
IEC 61000-4-11	電壓突降和中斷	電源變化	電力系統事件

免疫等級分類

IEC 61000 系列中定義的標準抗擾度等級：

等級	說明	典型環境	應用範例
第一級	基本	保護良好的環境	實驗室、測試設備
第二級	標準	輕工業	一般製造業
第三級	增強型	工業級	重型製造業，某些領域
第四級	工業級	重工業	惡劣的工業、戶外環境
等級 X	特別	自訂規格	軍事、極端環境

EMI 抗擾性測試方法

瞭解閥門的測試方式有助於選擇適當的認證等級：

靜電放電 (ESD) 測試 - IEC 61000-4-2

1. 測試方法
      - 導電零件直接接觸放電
      - 空氣排放到絕緣表面
      - 發現多個排放點
      - 多種放電等級 (通常為 4、6、8kV)

2. 績效標準
      - A 級：正常性能符合規格
      - B 類：暫時降級，可自行恢復
      - C 等級：暫時性退化，需要干預
      - D 級：功能喪失，無法復原

輻射 RF 抗擾度測試 - IEC 61000-4-3

1. 測試方法
      - 在無響室中暴露於射頻領域
      - 頻率範圍通常為 80MHz 至 6GHz
      - 電場強度從 3V/m 到 30V/m
      - 多個天線位置
      - 已調變與未調變信號

2. 關鍵測試參數
      - 電場強度 (V/m)
      - 頻率範圍和掃描率
      - 調變類型和深度
      - 暴露持續時間
      - 效能監控方法

電氣快速瞬變 (EFT) 測試 - IEC 61000-4-4

1. 測試方法
      - 在電源線和訊號線上注入突發瞬態
      - 突發頻率通常為 5kHz 或 100kHz
      - 電壓等級從 0.5kV 到 4kV
      - 透過電容鉗或直接連接進行耦合
      - 多種連發時間和重複率

2. 效能監控
      - 持續運作監控
      - 指令信號回應追蹤
      - 位置/壓力/流量穩定性測量
      - 錯誤偵測與記錄

選擇適當的 EMI 抗擾性等級

按照此方法確定所需的豁免認證：

環境分類流程

1. 環境評估
      - 識別安裝區域內的所有 EMI 來源
      - 確定是否接近高功率設備
      - 評估電力品質歷史
      - 考慮無線通訊裝置
      - 評估靜電放電潛勢

2. 應用敏感度分析
      - 確定閥門故障的後果
      - 識別關鍵性能參數
      - 評估安全影響
      - 評估失敗的經濟影響

3. 最小抗擾度等級選擇
      - 將環境分類與免疫等級相匹配
      - 考慮關鍵應用的安全裕度
      - 參考特定產業的建議
      - 檢視類似應用的過往表現

特定應用的豁免要求

應用類型	建議的最低水平	關鍵測試	特別注意事項
一般工業	第三級	EFT、傳導 RF	電源線濾波
移動設備	第 3/4 級	輻射 RF、ESD	天線接近、震動
焊接環境	第四級	EFT、電湧、磁場	高電流脈衝
製程控制	第三級	傳導 RF、電壓驟降	長訊號線
戶外安裝	第四級	突波、輻射 RF	防雷保護
安全關鍵	4 級以上	所有測試均有誤差	備援、監控

EMI 減緩策略

當經認證的免疫力不足以應付環境時：

其他保護方法

1. 屏蔽改進
      - 電子產品金屬外殼
      - 纜線屏蔽與正確端接
      - 敏感元件的局部屏蔽
      - 導電墊片和密封件

2. 接地優化
      - 單點接地架構
      - 低阻抗接地連接
      - 地平面實作
      - 訊號與電源接地分離

3. 過濾功能增強
      - 電源線濾波器
      - 訊號線濾波器
      - 共模扼流圈
      - 電纜上的鐵氧體抑制器

4. 安裝實務
      - 與 EMI 來源分離
      - 正交電纜交叉
      - 雙絞線信號接線
      - 電源與訊號的獨立導管

個案研究：改善 EMI 抗擾性

最近，我為一家鋼鐵加工廠提供諮詢服務，該廠的液壓剪切機出現間歇性比例閥故障。這些閥門已通過 2 級防護認證，但卻安裝在大型變頻驅動器附近。

分析顯示：

• 附近的 VFD 有顯著的輻射排放
• 電源線上的傳導干擾
• 控制線路中的接地迴路問題
• 焊接機運作期間出現間歇性閥門位置錯誤

透過實施全面的解決方案：

• 已升級為 4 級免疫認證閥門
• 安裝額外的電源線濾波器
• 實施適當的電纜屏蔽和佈線
• 修正接地架構
• 在關鍵點增加鐵氧體抑制器

結果很顯著：

• 消除閥門間歇性故障
• 95% 可減少位置誤差
• 改善切割品質的一致性
• 消除生產停頓
• 通過減少廢料，在不到 3 個月的時間內實現了 ROI

全面的比例閥選擇策略

若要為任何應用選擇最佳的比例閥，請遵循此整合方法：

1. 定義動態效能需求
      - 確定所需的反應時間和穩定行為
      - 識別可接受的超調極限
      - 建立解析度與精確度需求
      - 定義工作壓力和流量範圍

2. 分析作業環境
      - 表徵 EMI 環境分類
      - 識別溫度範圍和波動
      - 評估污染潛力
      - 評估電力品質與穩定性

3. 選擇適當的閥門技術
      - 根據動態需求選擇閥類
      - 根據環境選擇 EMI 抗擾度等級
      - 確定死區補償需求
      - 考慮溫度穩定性要求

4. 驗證選擇
      - 檢視階級回應特性
      - 驗證 EMI 認證是否足夠
      - 確認死區補償功能
      - 計算預期的效能改善

綜合選擇矩陣

申請要求	建議的回應特性	死區補償	EMI 抗擾性等級
高速運動控制	<20ms 回應，<5% 過調	適應性補償	第 3/4 級
精密壓力控制	<50ms 回應，<2% 超調	查詢表補償	第三級
一般流量控制	<30ms 回應，<10% 超調	固定偏移補償	2/3級
安全關鍵應用	<40ms 響應，臨界阻尼	監控補償	第四級
移動設備	<25ms 反應，溫度穩定	與溫度相適應	第四級

總結

選擇最佳的比例閥需要瞭解階級反應特性、死區補償參數以及 EMI 抗擾性認證要求。透過應用這些原則，您可以在任何液壓或氣壓應用中實現反應迅速、精確且可靠的控制。

關於比例閥選型的常見問題

1. 提供死區（或死帶）的明確定義，死區是指控制系統中輸入值的範圍，在此範圍內輸出不會發生變化，這可能會導致精度不佳和極限循環。 ↩

2. 概述 IEC 61000 系列國際標準，其中涵蓋電氣和電子設備的電磁相容性 (EMC)，包括各種干擾的抗擾性測試。 ↩

3. 提供階級回應的詳細說明，階級回應是控制理論中的一種基本方法，用於分析系統在極短時間內輸入從零變為一時的動態行為。 ↩

4. 說明如何使用頻率響應分析和 Bode 圖來描述系統在不同頻率下對正弦輸入的響應，這對於瞭解動態穩定性和性能非常重要。 ↩

5. 解釋抖動的概念，即故意將低振幅、高頻率的訊號加入控制訊號中，以克服靜態摩擦 (stiction)，並改善閥門的小訊號反應。 ↩