液压与气压传动 Part 4.8 电液数字控制阀 第四章 控制元件

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1 液压与气压传动 Part 4.8 电液数字控制阀 第四章 控制元件
第四章 控制元件 Part 4.8 电液数字控制阀 计算机对电液伺服阀和比例阀进行控制时，20世纪一般必须将输出的数字信号用数模转换器（D/A）转换成模拟信号后输入电控放大器。20世纪80年代出现的电液数字控制阀（简称数字阀）用于系统可省去数模转换。微机输出的数字控制信号可直接输入数字电子控制放大器，进而驱动数字阀。数字电子控制放大器线路简单，分辨率高，可使系统有很小的滞环和极高的重复精度，且由于数字阀和比例阀的结构大体相同，与一般液压阀相似，故制造成本比电液伺服阀低得多，对油液清洁度要求数字阀比比例阀更低，操作维护更简单，因而得到较快发展。 从流体控制的角度看，数字阀可分为连续流体控制和脉冲流体控制，两者的控制阀和驱动阀的电路不同 。

2 液压与气压传动 第四章 控制元件 用步进电动机操纵的数字阀的输出是连续的流体，这种阀又称增量式数字阀。用高速开关电磁铁操纵的数字阀的输出是脉冲流体。产生脉冲流体的方法有脉冲宽度调制法（PWM）、脉冲频率调制法（PFM）、脉冲数调制法（PNM）、脉冲振幅调制法（PAM）以及脉码调制法（PCM）等。PWM和PCM的数字阀已在很多领域中得到应用。本书主要介绍用步进电动机作数模转换器D/A的增量式数字阀和脉宽调制（PWM）高速开关型数字阀以及脉码调制（PCM）流量、压力控制的原理 。

3 液压与气压传动 Part 4.8.1 增量式数字阀 第四章 控制元件
第四章 控制元件 Part 增量式数字阀 增量式数字阀用步进电动机作电-机械转换器。增量控制法是在脉数调制（PNM）信号中，使每个采样周期的脉冲数在前一采样周期的脉冲数基础上，增加或减少一些脉冲数，从而达到需要的幅值，因而称增量法，用这种方法控制的阀称增量式数字阀 。 增量式数字阀控制的电液系统方框图如图4-98所示。由计算机发出需要的脉冲序列，经驱动电源放大后使步进电动机按信号动作，步进电动机每得到一个脉冲后便沿控制信号给定方向转一步距角。步进电动机转动时，带动凸轮、螺纹或齿轮齿条等机构将转角Δθ转换成直线位移Δx，从而带动阀心或挡板等移动。按步进电动机原有位置和实际转动的步数，得到数字阀的开度，计算机可因此控制液压缸按需要规律运动 。 图4-98 增量式数字阀 控制的电液系统

4 液压与气压传动 第四章 控制元件 增量式数字阀已有数字流量、数字压力和数字方向流量阀系列产品。控制方式也有直动式和先导式两类。数字流量阀及方向流量阀也可采用定差减压阀或定差溢流阀进行压力补偿。本节仅介绍一种步进电动机直接带动的数字节流阀，如图4-99所示。当计算机给出脉冲信号经驱动放大器使步进电动机转动，通过滚珠丝杠使转角转化为直线位移，带动阀心运动，使阀口开启。步进电动机转动一定的步数，相对阀一定的开度，这种阀可控制相当大的流量 。 该阀是开环控制的，但装有单独的零位位移传感器。在每个控制周期终了，阀可由零位位移传感器控制回到零位。这样可保证每个控制周期都在相同位置开始，使阀的重复精度提高 。 该阀有两个节流口，右节流口为非全周开口，左节流口为全周开口。阀心右移时先打开右节流口，控制的流量较小，继续右移时打开左节流口，控制的流量较大。当阀心开启时有使阀心向左关闭的液动力，可抵消因连接杆而产生的向右的不平衡轴向液压力。 该阀具有温度补偿功能。当温度上升时使油的粘度变小，阀心、阀套及连接杆不同方向的热膨胀使阀的开口变小，从而可维持流量的稳定。 图4-99步进电动机直接带动的数字节流阀 1—阀套 2—连接杆 3 — 零位位移传感器 4—步进式电动机 5—滚珠丝杠 6—阀心

5 液压与气压传动 Part 4.8.2 脉宽调制式数字阀 第四章 控制元件
第四章 控制元件 Part 脉宽调制式数字阀 脉宽调制信号是具有恒定频率、不同开启时间比率的信号，如图4-100所示。脉宽时间tp对采样时间T的比值称为脉宽占空比。用脉宽信号对连续信号进行调制，可将图4-100a中的连续信号调制成图4-100b中的脉宽信号。如调制的量是流量，则每采样周期的平均流量 q =qntp/T就与连续信号处的流量相对应 。 图 信号的脉宽调制 a)连续信号 b)脉宽调制信号

6 图4-101 脉宽调制（PWM）式数字阀电液控制系统
液压与气压传动 第四章 控制元件 脉宽调制（PWM）式数字阀电液控制系统如图4-101所示。由计算机产生的脉宽调制的脉冲序列经功率放大后驱动快速开关数字阀，控制流量、压力使执行元件克服负载阻力运动。在闭环系统中，由传感器检测的输出信号反馈到计算机中形成闭环控制 。 图 脉宽调制（PWM）式数字阀电液控制系统

7 液压与气压传动 第四章 控制元件 如果信号是确定的周期信号或其他给定信号，可经预先编程由计算机产生脉宽调制信号；如果信号是不确定的，则信号源需经模数转换器A/D转换后输入计算机，计算机再将信号进行脉宽调制后输出 。 系统也可采用模拟信号控制。此时将计算机通道切断，输入的模拟信号由脉宽调制器完成脉宽调制，经功率放大后驱动高速开关阀和执行元件。计算机控制和模拟信号控制时功放部分是相同的 。 高速开关阀有二位二通和二位三通两种，两者各有常开和常闭两类。其电-机械转换器可采用力矩马达，高速开关电磁铁，动圈、磁致伸缩元件，压电晶体元件等。为减少泄漏和提高压力，一般采用球阀或锥阀结构，但也有采用喷嘴挡板阀的。以下介绍两种高速开关数字阀 。

8 液压与气压传动 第四章 控制元件 1. 球阀型二位三通高速开关阀
第四章 控制元件 1. 球阀型二位三通高速开关阀 图4-102所示为早期的高速开关阀，由先导级两个二位三通阀（图中双点画线以上）和主级两个二位三通球阀组成。脉冲信号使力矩马达通电时，衔铁偏转，若使先导级球阀2向下运动，关闭压力油口PP，L2腔与回油腔PR接通，球阀4在液压力PP作用下向上运动，工作腔PA与PP相通。 与此同时，球阀1受PP作用处上位，L1腔与PP相通，球阀3向下关闭，断开PP腔与PR腔通路。反之，如力矩马达反向偏转时，情况刚好相反，工作腔PA则与PR腔相通。这种阀的额定流量仅1.2L/min，工作压力则可达20MPa，最短切换时间为0.8ms 。 图 球阀型二位三通 高速开关阀

9 液压与气压传动 第四章 控制元件 2. 锥阀型高速开关电磁阀
第四章 控制元件 2. 锥阀型高速开关电磁阀 图4-103所示为二位二通高速电磁常闭开关阀。当线圈4通电时，与阀心1为一体的铁心2被固定元件3吸引而使阀开启，油液P口流入T口。为防止开启时阀因稳态液动力而关闭和减小控制电磁力，该阀通过射流对铁心的作用来补偿液动力。断电时则由弹簧5复位。该阀的行程为0.3mm,动作时间3ms，控制电流0.7A，额定流量12L/min 。 图 锥阀型高速开关电磁阀 （二位二通，常闭） 1—阀心 2—铁心 3—固定元件 4—线圈 5—弹簧

10 液压与气压传动 Part 4.8.3 脉码调制（PCM）的流量、压力控制原理 第四章 控制元件
第四章 控制元件 Part 脉码调制（PCM）的流量、压力控制原理 脉码调制（PCM）的流量控制原理是，用二进制编码的n列脉冲驱动的n个并联高速开关数字阀与大小不同的固定节流孔串联， 通过各阀的启闭，用不同固定节流孔的组合来控制总流量的大小。脉码调制对应于控制阀个数将产生量化误差（如4个阀将产生16个阶梯形流量），阀在换向时也易产生振动。两者都可用适当的方法解决 。 PCM压力控制的原理是，在恒压油源后设置一固定节流孔，其后并联连接n个大小不同的节流孔与高速开关数字阀的串联组合，在固定节流孔与并联组件的连接处即为控制压力腔。用n列脉冲驱动n个并联的高速开关数字阀，通过各高速开关阀的启闭组合便可调节控制压力的大小。

11 液压与气压传动 第四章 控制元件 PCM可使系统节能，在用高速开关数字阀进行控制时，能将高频流体输出进行反调制，已用于注塑成型机和建筑机械等系统的控制。 数字阀除可直接用于液压缸和液压马达的节流调速外，还可用于液压泵的变量控制，构成数字变量泵。数字阀目前已在注射机、压铸机、工程机械、机床、汽车等方面得到广泛的应用。由于它与计算机技术结合密切，因而应用前景是极为广阔的 。