高速开关阀的控制及应用

　　0 引 言

　　高速开关阀作为一种新型的数字式电液转换元件,与伺服阀、比例阀相比,具有许多优点,其控制方式简单,特别适合于计算机控制,可以直接接收脉冲电信号,不需要D/A转换元件,极易实现无级变速控制、位置控制、速度控制,如工程机械,运输机械的数字控制和远距离控制^[1]。

　　但是,高速开关阀由于本身结构限制而允许的流量较小,一般最大为10 L/min,不能直接用于大流量控制系统中。本文设计了一种方法,用脉宽调制(PWM)方式去控制高速开关阀,再将高速开关阀作先导级去控制二级阀,可大大提高控制流量,从而实现对大质量、大惯性系统的控制。并将此方法成功的应用在高空作业车的自动调平系统上。

　　1 高速开关阀的脉宽调制(PWM)控制

　　1. 1 PWM控制原理

　　脉宽调制PWM就是在一定的脉冲周期T内调节开启时间的宽度Th与脉冲周期T的比值即脉宽占空比S的大小来满足控制要求。用载波信号对连续信号进行控制,调制成脉宽信号。在电液控制系统中,最普通的控制信号是连续变化的电压和电流。而对于计算机来说,只有控制信号在通或断的条件下,才能用调制脉冲宽度的方法对电液控制系统进行控制。因此在使用时电液元件可采用作为电磁数字控制阀之一的高速开关阀来实现,它能将ON/OFF数字信号直接转换成流体脉冲信号,使计算机控制技术无需D/A转换接口便可实现与液压技术的有机结合^[2]。其控制原理如图1所示。

　　在图1(a)中,r(t)为控制信号,将该信号与载波信号c(t)进行比较,如果在某一时刻r(t)值大于载波信号c(t)的值,则使阀开启,否则使阀关闭,从而得到一系列如图1(b)所示的控制指令。将这些控制指令作用到高速开关阀电磁铁的线圈上,于是在每一周期T内有Th的时间,阀的通道被打开,有流量Qh通过。时间Th和T之比称为占空比,记为τ,即τ=Th /T。

　　一般用阀输出的平均流量Q与输入信号的脉宽占空比τ的关系曲线来描述高速开关阀的静态流量特性,即:

　　式中C_d—流量系数;

　　A—阀口的开口面积;

　　v_P—阀进出口的压差;

　　Q—油的密度。

　　上式表明,高速开关阀的流量Q与脉宽占空比τ成正比。

　　1. 2 PWM控制动态切换特性

　　动态切换特性是指高速开关阀在PWM信号作用下,阀芯位移X和时间t的关系,也称开关特性。高速开关阀采用脉冲电压信号进行控制,由于电磁铁的响应能力及阀芯运动时间的影响,实际阀芯位移和脉冲信号之间存在一定的滞后。图2所示为高速开关阀的响应过程^[3]。