2.1 电液比例控制阀概述
1967年瑞士某公司生产的KL比例复合阀标志着比例控制技术在液压系统中正式开始应用，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。到20世纪80年代，随着微电子技术的发展，比例控制技术已达到较完善的程度，主要表现在3个方面：首先是采用了压力、流量、位移、动压等反馈及电校正手段，提高了阀的稳态精度和动态响应品质，这些标志着比例控制设计原理已经完善；其次是比例技术与插装阀已经结合，诞生了比例插装技术；最后是以比例控制泵为代表的比例容积元件的诞生。电液比例阀在工业生产中获得了广泛的应用，可用于控制位置（转角）、速度（转速）、加速度（角加速度）、压力（压差）、力（力矩）等参数。如陶瓷地板砖制坯压力机、带钢轧机的带钢恒张力控制、压力容器疲劳寿命试验机、液压电梯运动及控制系统、金属切削机床工作台运动控制、轧钢机压下及控制系统、液压冲床、弯管机、塑料注射成型机等。
2.1.1 比例控制原理
电液比例阀多用于开环液压控制系统中，实现对液压参数的遥控，也可以作为信号转换与放大组件用于闭环控制系统。与手动调节和通断控制的普通液压阀相比，它能显著地简化液压系统，实现复杂程序和运动规律的控制，便于机电一体化，通过电信号实现远距离控制，大大提高液压系统的控制水平；与电液伺服阀相比，尽管其动态、静态性能有些逊色，但在结构与成本上具有明显优势，能够满足多数对动静态性能指标要求不高的场合。随着电液伺服比例阀的出现，电液比例阀的性能已接近甚至超过了伺服阀。
电液比例阀通常由电气-机械转换器、液压放大器（先导级阀和功率级主阀）和检测反馈机构三部分组成（见图2-1）。若是单级阀，则无先导级阀。
图2-1 电液比例阀的组成
电液比例阀是比例控制系统中的主要功率放大元件，按输入电信号指令连续地成比例地控制液压系统的压力、流量等参数。与伺服控制系统中的伺服阀相比，在某些方面还有一定的性能差距（主要性能比较如表2-1所示），但它显著的优点是抗污染能力强，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；另外比例阀的成本比伺服阀低，结构也简单，已在许多场合获得广泛应用。
表2-1 比例阀和伺服阀主要性能比较
2.1.2 比例电磁铁
常用的比例阀大都采用了比例电磁铁，比例电磁铁根据电磁原理设计，能使其产生的机械量（力或力矩和位移）与输入电信号（电流）的大小成比例，再连续地控制液压阀阀芯的位置，进而实现连续地控制液压系统的压力、方向和流量。比例电磁铁由线圈、衔铁、推杆等组成，当有信号输入线圈时，线圈内磁场对衔铁产生作用力，衔铁在磁场中按信号电流的大小和方向成比例、连续地运动，再通过固连在一起的销钉带动推杆运动，从而控制滑阀阀芯的运动。应用最广泛的比例电磁铁是耐高压直流比例电磁铁。
输入电信号通过比例放大器放大后（通常为24V直流，800mA或更大的额定电流），比例电磁铁将其转换为力或位移，以产生驱动先导级阀运动的位移或转角。
比例电磁铁结构简单、成本低廉、输出推力和位移大，对油质要求不高，维护方便。对比例电磁铁的主要技术要求有：①水平的位移-力特性，即在比例电磁铁有效工作行程内，当线圈电流一定时，其输出力保持恒定，与位移无关。②稳态电流-力特性，具有良好的线性度，较小的死区及滞回。③动态特性阶跃响应快，频响高。
比例电磁铁有单向和双向两种，单向比例电磁铁较常用。
（1）单向比例电磁铁
典型的耐高压单向比例电磁铁结构原理图如图2-2所示，它主要由推杆1、衔铁7、导向套10、壳体11、轭铁13等部分组成。导向套10前后两段为导磁材料（工业纯铁），导向套前段有特殊设计的锥形盆口。两段之间用非导磁材料（隔磁环9）焊接成整体。筒状结构的导向套具有足够的耐压强度，可承受35MPa的液压力。壳体11与导向套10之间配置同心螺线管式控制线圈3。衔铁7前端所装的推杆1用以输出力或位移，后端所装的调节螺钉5和弹簧6组成调零机构。衔铁支撑在轴承上，以减小黏滞摩擦力。比例电磁铁通常为湿式直流控制（内腔要充入液压油），使其成为衔铁移动的一个阻尼器，以保证比例组件具有足够的动态稳定性。
图2-2 耐高压单向比例电磁铁结构原理
1—推杆；2—工作气隙；3—线圈；4—非工作气隙；5—调节螺钉；6—弹簧；7—衔铁；8—轴承环；9—隔磁环；10—导向套；11—壳体；12—限位片；13—轭铁
工作时，线圈通电后形成的磁路经壳体、导向套、衔铁后分为两路：一路由导向套前端到轭铁而产生斜面吸力；另一路直接由衔铁断面到轭铁而产生表面吸力，二者的合成力即为比例电磁铁的输出力（见图2-3）。由图2-3可以看到，比例电磁铁在整个行程区内，可以分为吸合区Ⅰ、有效行程区Ⅱ和空行程区Ⅲ三个区段：在吸合区Ⅰ，工作气隙接近于零，输出力急剧上升，由于这一区段不能正常工作，因此结构上用加不导磁的限位片（见图2-2中的12）的方法将其排除，使衔铁不能移动到该区段内；在空行程区Ⅲ工作气隙较大，电磁铁输出力明显下降，这一区段虽然也不能正常工作，但有时是需要的，例如用于直接控制式比例方向阀的两个比例电磁铁中，当通电的比例电磁铁工作在工作行程区时，另一端不通电的比例电磁铁则处于空行程区Ⅲ；在有效行程区（工作行程区）Ⅱ，比例电磁铁具有基本水平的位移动特性，工作区的长度与电磁铁的类型等有关。
图2-3 单向电磁铁的位移-吸力特性
y—行程；F1—表面力；F2—合成力；F3—斜面力
比例电磁铁具有与位移无关的水平的位移-力特性，一定的控制电流对应一定的输出力，即输出力与输入电流成比例（见图2-4），改变电流即可成比例改变输出力。
由图2-4可看到，当电磁铁输入电流往复变化时，相同电流对应的吸力不同，一般将相同电流对应的往复输入电流差的最大值与额定电流的百分比称为滞环。引起滞环的主要原因有电磁铁中软磁材料的磁化特性及摩擦力等因素。为了提高比例阀等比例组件的稳态性能，比例电磁铁的滞环越小越好，还希望比例电磁铁的零位死区（比例电磁铁输出力为零时的最大输入电流I0与额定电流的百分比）小且线性度（直线性）好。
图2-4 比例电磁间的电流-力特性
I—工作电流；IN—额定电流；F—吸力；y—行程
（2）双向比例电磁铁
图2-5为耐高压双向极化式比例电磁铁的结构原理。这种比例电磁铁采用了左、右对称的平头-盆口形动铁式结构。左、右线圈中各有一个励磁线圈1和控制线圈2。当励磁线圈1通以恒定的励磁电流Ij后，在左右两侧产生极化磁场。仅有励磁电流时，由于电磁铁左右结构及线圈的对称性，左右两端吸力相等、方向相反时，衔铁处于平衡状态，输出力为零。当控制线圈通入差动控制电流后，左右两端总磁通分别发生变化，衔铁两端受力不相等而产生与控制电流数值相对应的输出力。
图2-5 耐高压双向极化式比例电磁铁结构原理
1—励磁线圈；2—控制线圈
该比例电磁铁把极化原理与合理的平头-盆口动铁式结构结合起来，使其具有良好的位移-力水平特性以及良好的电流-输出力比例特性（见图2-6），且无零位死区、线性度好、滞环小，动态响应特性好。
图2-6 双向极化式比例电磁铁的控制特性
（3）典型产品
表2-2列出了德国SCHULTZ公司的几种比例电磁铁产品的技术参数。
表2-2 SCHULTZ公司的几种比例电磁铁产品的技术参数
2.1.3 液压放大器及检测反馈机构
（1）先导阀
电液比例阀的先导级阀用于接受小功率的电气-机械转换器输入的位移或转角信号，将机械量转换为液压力驱动主阀。先导级阀主要有锥阀式、滑阀式、喷嘴挡板式等结构形式，而大多采用锥阀及滑阀。在比例压力控制阀中，大多采用锥阀作先导级。锥阀如图2-7（a）所示，其优点是加工方便，关闭时密封性好，效率高，抗污染能力强。为了改善锥阀阀芯的导向性和阻尼特性或降低噪声等，有时增加圆柱导向阻尼［见图2-7（b）］或减振活塞［见图2-7（c）］部分。
图2-7 锥阀式先导阀
（2）功率级主阀
电液比例阀的功率级主阀用于将先导级阀的液压力转换为流量或压力输出。主阀通常是滑阀式、锥阀式或插装式，其结构与普通液压阀的滑阀、锥阀或插装阀结构类同。
（3）反馈检测机构
设在阀内部的机械、液压及电气式检测反馈机构将主阀控制口或先导级阀口的压力、流量或阀芯的位移反馈到先导级阀的输入端或比例放大器，实现输入输出的平衡。
2.1.4 电液比例阀的分类
比例阀按主要功能分类，分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀三大类，每一类又可以分为直接控制和先导控制两种结构形式，直接控制用在小流量小功率系统中，先导控制用在大流量大功率系统中。电液比例阀的分类见图2-8。
图2-8 电液比例阀的分类