基于PWM控制技术的电液比例阀特性的研究

　　电液比例阀可以采用性价比高的螺管式比例电磁铁进行控制, 构成比例溢流阀、比例流量阀、比例方向阀等。在一般工程技术只需对力、位移、速度等参量进行控制, 对动态性能要求不高, 所以电液比例阀能满足要求, 因此已被广泛采用。

　　电液比例控制的核心是控制电流。模拟式控制功率输出级到比例阀线圈的电流是连续的, 功率器件功耗大, 需加装散热装置。而 PWM控制功率输出级为开关型结构, 功耗小; PWM 信号中包含了同频率的脉动量, 无需另加颤振信号, 抗干扰和抗污染能力强, 滞后时间短, 重复精度高; 由于采用数控, 与计算机连接方便, 可实现程序控制。

　　一、电液比例阀的结构及控制器特点

　　比例阀的结构如图 1 所示, 是一个三通阀。两个比例电磁铁分别控制阀芯的双向运动, 两端分别有对中复位弹簧。它也可当二通阀用作阀口, 并对称的分为两组, 在轴线方向相对错开一定的距离,既保持了较高的分辨率, 又获得了较大的控制流量输出。比例电磁铁能根据电流的大小产生相应的电磁力, 从而能按比例进行控制。

　　电液比例阀控制器主要解决快速性、电磁滞环和摩擦滞环以及超调量较大的问题。而其控制作用的优势, 直接影响到比例阀的工作性能和可靠性。

　　采用先进可控的 PWM技术, 在输出电路上产生可变的开关电压, 使功率放大管只处于饱和导通和截止状态, 所以功率低、不需加散热片, 这样可提高功放输出开关电压 U 及缩短电流上升的时间,使输出响应加快, 并提高抗干扰能力, 另一方面,功放电压 U 加在比例电磁铁线圈上, 由于线圈上的电感作用使其电流 I 变为小幅度充放电波动的叠加交流信号的直流电流, 起到颤振作用, 能够有效降低摩擦, 减少磁滞和死区现象, 提高电磁铁灵敏度。颤振作用的效果取决于电流波动的频率和幅值, 频率低和幅值大时效果明显, 但频率太低、幅值过大时又会引起系统不稳。通常将方波频率选取在电磁铁芯无阻尼自然频率的 1.2～2 倍范围。

　　二、电液比例阀线圈的电流模型

　　比例阀线圈的电压波形为周期一定、脉冲宽度可控的矩形波。由于脉冲周期远小于阀芯的响应周期, 所以阀芯的运动只响应 PWM 信号的平均值。PWM电路基本的形式如图 2所示。PWM 信号控制着开关管的导通与截止。

　　式中: t_H———三级管导通时间;

　　t_M———PWM 周期, t_M=t_H+t_L(t_L为三极管关断时间)。

　　由图 3 可知, 当占空比 D 和周期 t 取值比较合适时, 可使比例阀电流保持在平均值。