比例流量阀数字化控制方法研究

２Ｑ篮±筮！壹匹昼圭§翌ｉ：比例流量阀数字化控制方法研究张俊俊，文代明，朱建公ＳｔｕｄｙｏｆＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＦｌｏｗＶａｌｖｅＺＨＡＮＧＪｕｎ—ｉｕｎ，ＷＥＮＤａｉ—ｒｎｉｎｇ，ＺＨＵＪｉａｎ－ｇｏｎｇ（西南科技大学制造技术学院，四川绵阳６２１００２）摘要：该文阐述了一种将普通比例流量阀的电磁铁线圈加以改进后，成为数字控制阀的新方法；数字阀与微机接口方便，并可消除阀的流量“死区”，使阀的流量特性得到进一步改善。关键词：数字阀；比例电磁铁；译码器；电子开关中图分类号：ＴＨｔ３７．５２文献标识码：Ｂ文章编号：１０００—４８５８（２００６）０１—００６７—０２１引言随着计算机应用技术的飞速发展，微机控制技术已成为液压工业信息化的主要应用技术。为实现液压系统的全数字控制，很有必要对液压元件进行数字化改造。本文提出了一种将传统型比例流量阀改进为数字控制阀的新方法。改进后的数字控制流量阀具有许多优点，如极易于与计算机连接、价格低廉、抗污染和抗干扰能力强、流量特性有显著提高。２数字控制阀的改进方法和工作原理传统型电液比例流量阀的流量公式：ｑ＝ｃ·ｉＴ其中ｇ为比例阀的导通流量；ｉＴ比例电磁铁线圈的电流；Ｃ为常数；阀的流量特性曲线见图１ａ。由图可见传区Ｌ眇ａ）传统比例阀ｂ）数宁比例阀圈１比例翔流量特性统型比例流量阀电磁铁线圈的匝数是固定的，流量与比例电磁铁线圈电流或电磁力的大小成正比，因此传收稿日期：２００５．０５—３０作者简介：张俊俊（１９６１一），女，内蒙包头人，副教授，学士主要从事液压技术方面的科研和教学工作。现步进电机对阀芯运动的直接控制。数字阀的电一机械转化结构采用连续跟踪控制的微步进电机，使得阀的精度与响应速度同时得到保证。从阀的典型信号的动态响应可以看出，该电液微小阀数字阀具有较为理想的动态特性，从响应图形看，动态响应过程叠加有一个数字碎片信号，该信号有利于消除库仑摩擦力及滞环等不利影响，使阀的精度得到有效提高。参考文献：【１ＪＢｕｒｔｏｎ，Ｒ，ＣｔＣ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｌｅｃｔｘｏｍａｇｎｅｄｃｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｉｅｓｉｎｓｔａｇｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｓｔｅｐｐｅｒｍｏｏｒａｎｄｓｐ０。ＩｖａｖｌｅｍＪ］．Ｊｏｕｒ—ａ）三角波ｂ）矩形渡ｈａｌｏｆＤｙｒｌ２血ｃＳｙｓｔｅｎ∞，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００３（９）：４０５—４１２［２］李玉琳．液压元件与系统设计［Ｍ］，北京：北京航空航天大学出版社，１９９１［３］薛定宇，陈阳泉．基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｌｎｋ的系统仿真技ｃ）正弦渡术与应用［Ｍ】北京：清华大学出版社．２００４：４０６学出版社．如００４２２图６典型波形响应特性［４］阮健．电液（气）直接数字控制技术［Ｍ］杭州：浙江大万方数据　统型｝Ｅ例漉量阀是通过改变输入比例电磁铁的电流来控制输出流量的大小，如用计算机来控制需要有数模（Ｄ／Ａ）转换装置把数字信号转换成模拟信号后输入电控放大器。比直接用数字信号控制的流量阀成本高，可靠性和重复精度差；而且模拟量的控制复杂，因此我们对传统型电液比例流量阀进行了数字化改进，其结构原理如图２所示：将电磁铁线圈按等匝数均匀设置若干抽头分别与电子开关相连。根据电磁学可知，电磁铁的电磁力由下式计算：稳流的取值为０—１５。当计算机从“００００－－１１１１”范围内的４位数中选择实际需要流量所对应的４位数字信号送到泽码器的４个输入端时，译码器的１６个输出端子当中，仅有一个与输入的４位数据对应的端子输出高电平，该端子所连接的电磁铁线圈通电，产生相应的电磁力来控制流量阀得到所需要的流量。通过流量阀的流量就按计算机输出的数据变化而变化，实现了由数字信号来控制流量阀的目的。以上是以电磁铁线圈设计为１６个抽头为例说明电源Ｉ；；｛蕊糟糕铽ｏＫｎ瓣Ｉｑ２Ｋｊｌｑ３数字式控制流量阀的控制原理。电磁铁线圈的抽头也可取８、３２等，抽头个数越多流量梯度越小。为改善流量阀的性能克服流量控制死区，设计时在电磁铁线圈一端增加一组电磁铁补偿线圈见图１ｂ，给电磁铁补偿线圈通交流电源产生交变磁动势，南实验选择合适的补偿线圈电流的大小，使其产生的交变磁动势大小等于数字流量阀阀口处于ｌ临界开启状态所需的电磁力，昂圻垃埒均母蟮蜉蛞錾巧０ＹＩＩＹ１２Ｙ１３Ｙ１４玩４—１６线译码器ＣＣ４５１４数据总线调试好后固定封装。使数字流量阀流量特性的“死区”得以消除，数字阀的流量特性得到进一步提高。４结论（１）图２比例电磁铁线圈控制电路Ｆ＝甓Ｂ６Ｂｏ（牛顿）Ｂ＝半州该数字控制流量阀控制电路简单，极易于将电路与阀门组装在一起成为电液一体化阀门、并且与微机（２）（３）接口非常方便，可直接用数字信息控制，大大降低了成本。阀的补偿装置可消除流量控制死区，提高了阀的响应速度和静态控制精度；同时阀的重复精度、可靠性也得到了提高；这种控制方法不仅适用于流量控制，也可推广应用于方向控制阀和压力控制阀。Ｆ＝！烨．吖．ｎ１“ｏⅡ￡由（３）式可知，电磁铁的电磁力Ｆ与线圈的安匝数／Ｎ成正比，当线圈以恒流供电时，只要改变电磁铁线圈的匝数Ｎ就可改变电磁铁电磁力的大小，这样用数字信号控制电子开关，使电磁铁线圈的抽头按实际需要通电或断电便可改变电磁铁电磁力的大小；从而控制输出流量的大小，实现流量的数字控制。３电磁铁线圈的控制电路控制电路如图２所示，将电磁铁线圈按等匝数均匀设置１６个抽头分别与（Ｋ—Ｋ】５）１６个电子开关相连接，稳流电源分别通过这１６个电子开关给线圈提供恒定的电流。１６个电子开关的工作状态由４—１６译码器ＣＣＡ５１４的１６个输出端控制，译码器ＣＣ４５１４输出为高电平有效，即当Ｙｉ＝１时电子开关Ｋ．闭合，ｉ参考文献：［１］杨继隆．等．电磁高速开关阀的设计方案研究［Ｊ］．机床与液压，２００１（３）［２］杰．单片微机原理及应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９９［３］杨树军．脉宽调制数字比例溢流阀研究［Ｊ］．液压与气动，２００５（３）［４］朱建公，等高速开关阀流量调节的计算机控制方法研究［Ｊ］．液压与气动，２０（１５（４）［５］章宏甲液压与气压传动ＥＭ］北京：机械工业出版社，２（１０４竭诚欢迎您在《液压与气动》杂志上刊登广告本刊侧重于应用，读者群主要为从事实际设计生产、施工和维修的人员，是液气密行业办刊最早、发行量最大的科技期刊，因此是厂商宣传和刊登广告的理想场所。长期以来本刊一直承办彩色、黑白广告业务，国内外著名厂商大多都在本刊刊登广告。我们以良好的服务、快捷的出版、丰富的内容、实时的信息，获得广大刊户的好评。万方数据　比例流量阀数字化控制方法研究

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张俊俊， 文代明， 朱建公， ZHANG Jun-jun， WEN Dai-ming， ZHU Jian-gong西南科技大学,制造技术学院,四川,绵阳,621002液压与气动

CHINESE HYDRAULICS & PNEUMATICS2006，\"\"(1)1次

1.杨继隆 电磁高速开关阀的设计方案研究[期刊论文]-机床与液压 2001(03)2.杰 单片微机原理及应用 1999

3.杨树军 脉宽调制数字比例溢流阀研究[期刊论文]-液压与气动 2005(03)

4.朱建公 高速开关阀流量调节的计算机控制方法研究[期刊论文]-液压与气动 2005(04)5.章宏甲 液压与气压传动 2004

1.学位论文 冯治国 装载机用新型数字电液比例先导阀的研究 2004

随着国民经济的迅速发展，作为主要施工设备的工程机械在国家经济建设中发挥着越来越重要的作用，同时人们对工程机械的也提出了越来越高的要求，例如操纵轻便、安全舒适，要求高可靠性等等。与此同时，随着机电一体化技术在液压技术中的应用，由电子直接控制元件将得到广泛采用。高速开关阀作为一种新的数字阀，有着很多的诸如结构简单、反应快、抗污染力强等优点。国内应用尚不普遍，国外已经广泛应用于工程机械、农业机械场合，并且日益得到重视。为了跟踪国外此类技术的发展趋势，本课题作为这种新式的数字比例先导阀在工程车辆技术更新中的尝试，替换装载机中传统的电液比例阀。

由于电液比例阀结构复杂、对油液的要求比较高、价格相对来讲比较高、维护比较专业、对工程车辆的恶劣的工作环境适应性差，所以在工程车辆中的使用受到一定的。在本课题中使用的数字电液比例控制系统具有重复性好，体积小，价格便宜，结构简单，抗污染能力强，便于和计算机接口等优点，所以拥有广阔的应用前景。高速开关阀工作在开和关两种状态，使用普通的螺管线圈就能控制，省去了比例阀那样的价格很高的比例电磁铁。 装载机中的执行机构主要是铲斗，动臂，其控制元件都是油缸。课题中完整的数字电液比例控制系统的组成有：控制通道选择开关，手柄电位器，数据接口，电控块，比例先导阀，多路阀以及控制油缸。

整个系统的控制原理为：首先定义控制通道选择开关，由电控模块判断控制信号来自手柄电位器或者是来自数据接口；然后从相应的通道采集控制参数，根据这个参数根据相应的规律产生需要占空比的PWM信号，经过电控模块上的功率放大电路放大后输出，驱动高速开关阀工作。多路阀的阀芯移动是因为两个控制腔有差动压力，所以用高速开关阀作为先导阀来控制多路阀实际上就是要控制多路阀的两个控制腔的压力。这里的高速开关阀是两位三通阀。当高速开关阀通电时，将开关阀油源和控制腔接通，油液进入控制腔，使控制腔压力升高；当高速开关阀断电时，开关阀将控制腔和回油口相接，油液向外排出，压力降低。当输入连续的PWM信号时，能够使控制腔内的平均压力维持在某一恒定的值附近。当PWM信号的占空比变化时，这个压力平均值也会相应的变化，所以通过调节高速开关阀的控制信号占空比能够实现对多路阀的控制，从而对装载机的工作机构进行控制。 本课题中主要需要解决的问题是控制使用开关阀控制控制腔的压力，因此需要对开关阀和控制腔进行建模与仿真。 (1)高速开关阀和控制腔的动态特性分析

①首先当开关阀接通时，假定控制腔的开始压力为Ps10，油源压力Ps，则控制腔油液流量为 Q1=Cπ/4D2√2/ρ(Ps-Ps10)(1)

控制腔的压力变化引起的流量为Q2=-Ve/KeDPs1/dt(2)于是有关系Q1+Q2=0，于是由关系式(1)、(2)得压力时间关系：Ps1=Ps-(CπD2Ke/8Ve√2/ρ)2(t-8Ve/CπD2Ke√ρ/2(Ps-Ps10))2(3)

②当开关阀断电时，假定控制腔压力为Ps1，则控制腔油液流量为Q3=Cπ/4D2√2/ρPs1(4) 由于控制腔油液膨胀产生的流量为Q4=Ve/Ke-dPs1/dt(5)

于是有关系Q3+Q4=0，所以由关系式(3)、(4)得压力时间关系： Ps1=(CπD2Ke/8Ve√2/ρ)2(t-8Ve/CπD1Ke√ρ/2Ps10))2(6)

Ps10为开始压力，通过仿真可知，当输入确定占空比的PWM信号时，控制腔的压力在脉宽时间和剩余时间内是交替按照上面的公式(3)(6)的规律变化。并且最终以较小的幅值在某一平衡位置波动；系统的压力建立达到平衡是相当快的，所需要的时间是工程上所允许的。 (2)电控模块的设计

电控模块控制高速开关阀，首先需要满足工程车辆的可靠性要求，还要满足人的，使用习惯以及便于升级等等。基于这个原则，将电控模块分为两个部分，即PWM信号发生部分和功率部分，这样可以有效地避免强功率信号对信号发生部分的敏感电路造成干扰。电控模块采用51单片机控制，PWM信号就是由51单片机的软件产生，可以按照我们所需要的规律非常灵活的产生所需要占空比的PWM信号。控制占空比的输入量可以是手柄或者是上位的计算机数据，这样便于人工操作或者采用自动驾驶或遥控工作方式。为了提高输入信号的抗干扰性，进行了数字滤波，误码校验，基准电压进行温度补偿等措施，尽量满足工程实际环境的需要。 (3)控制腔压力的台架试验

在最终确定程序所要体现的输入参数和信号占空比对应规律之前，需要先测定高速开关阀控制腔压力和占空比之间的关系，验证试验结果和仿真得出的结论是否相符。然后以这些数据为基础使程序按照一定的规律对输入的参考值进行一定的修正，使输出特定占空比的信号能够很好的实现对压力的线性控制。

实际的台架试验证明了高速开关阀作为先导阀与多路阀组成数字电液比例控制系统时，能够实现预期对多路阀的控制作用。实际的电控模块抗干扰能力强，能实现双电源供电，比较适合于工程车辆的实际应用。本课题的提出是可行的。

1.付振海 基于液力驱动的工程车辆双闭环散热调温系统的研制[学位论文]硕士 2006

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