新型高速數(shù)字開關(guān)閥為導(dǎo)閥的多路換向閥

數(shù)字式多路換向閥采用高速數(shù)字開關(guān)閥取代比例減壓閥作為先導(dǎo)級(jí)，控制多路換向閥主閥心的位移，主閥控制口可獲得與主閥心位移成比例的輸出流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作裝置運(yùn)動(dòng)速度及方向的控制。利用數(shù)字式多路換向閥可以構(gòu)成高可靠性，適用于工程機(jī)械的數(shù)字電液比例控制系統(tǒng)，成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用于液壓系統(tǒng)的最佳組成形式之一，而且價(jià)格只是傳統(tǒng)電液比例控制系統(tǒng)的1/10～1/5，因此，該種控制系統(tǒng)在實(shí)際工程中將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1．?dāng)?shù)字式多路換向閥的工作原理

數(shù)字式多路換向閥采用高速數(shù)字開關(guān)閥作為先導(dǎo)級(jí)。高速數(shù)字開關(guān)閥與傳統(tǒng)伺服閥和比例悶的連續(xù)控制方式有著本質(zhì)的區(qū)別，比例閥和伺服閥是連續(xù)輸出、輸入與電流成比例的流量，而高速數(shù)字開關(guān)閥輸出的不是連續(xù)量，而是采用脈寬調(diào)制信號(hào)( PWM)控制。電控單元輸入系列脈沖電壓閥在工作過程中總是不停地開關(guān)動(dòng)作，輸出系列脈沖流量。如果調(diào)節(jié)脈寬占空比，輸出脈沖流量的大小可以控制，可以得到與占空比成比例的脈沖流量。該脈沖流量作為先導(dǎo)閥的控制量，輸入主閥心的左、右控制容腔，經(jīng)過控制容腔的積分過程使主閥心產(chǎn)生成比例的位移，主閥出口就獲得了與先導(dǎo)閥輸入占空比成比例的流量。高速開關(guān)輸入、輸出及工作方式都與比例閥有本質(zhì)的區(qū)別，由于脈寬調(diào)制(PWM）信號(hào)可直接由計(jì)算機(jī)輸出，因此高速開關(guān)閥能夠直接以數(shù)字的方式進(jìn)行控制，不必經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)可以根據(jù)控制要求發(fā)出的脈寬調(diào)制信號(hào)，控制電機(jī)械轉(zhuǎn)換器電磁鐵動(dòng)作，從而帶動(dòng)高速開關(guān)閥開或關(guān)，以控制液壓缸液流的流量大小和流向。數(shù)字式多路換向閥簡化模型如圖28所示。

2. 高速數(shù)字開關(guān)閥的PWM控制

理想高速開關(guān)閥只有“開”與“關(guān)”兩個(gè)狀態(tài)，脈沖調(diào)制式數(shù)字開關(guān)閥無任何開啟與關(guān)閉延時(shí)，流量的變化都在瞬間完成(見圖29)。

當(dāng)閥口打開時(shí)，流量為最大流量，即

式中：C_d，0為數(shù)字閥流量系數(shù)；A₀為數(shù)字閥過流面積；ΔP₀為數(shù)字閥進(jìn)出口油壓壓差；ρ為油液密度。

當(dāng)閥口關(guān)閉時(shí)，流量為零，所以開關(guān)閥控制的流量是非連續(xù)的。流量只有兩種狀態(tài)：或最大，或?yàn)榱?。在PWM控制方式中，載波周期T不變，通過改變導(dǎo)通脈寬T_p來改變占空比τ=T_p/T，則在一個(gè)載波周期內(nèi)的平均流量為

qv=qvT_p/T=qvτ

從閥的靜特性方程不難看出，數(shù)字閥的負(fù)載流量不僅與閥的面積梯度最大開口量成正比，而且與電磁鐵通斷電占空比的大小有關(guān)，因此在壓力恒定的情況下，可以通過改變占空比來控制閥的平均流量，即供油壓力p_s一定時(shí)，qv與τ呈線性關(guān)系。

這樣給出一個(gè)通電脈沖，數(shù)字閥就會(huì)通過一定體積的油，對(duì)應(yīng)的主閥閥心位移為血。如果給出一系列脈沖，每次通電時(shí)間為t_w，周期為T，控制腔有效截面積為A_k，則每次的通油體積為

ΔV=t_wq_v,hτ

多路閥主閥心每一脈沖周期內(nèi)走過的位移為

Δx=ΔV/A_k=t_wqv,hτ/A_k

每一脈沖周期內(nèi)主閥通過的流量為

式中；Cd，Z為多路閥主閥流量系數(shù)；△p_z為多路閥主閥進(jìn)出口油壓壓差。

數(shù)字多路換向閥的流量q_V,z與脈寬占空比τ成正比，脈寬占空比τ越大，通過高速開關(guān)閥進(jìn)人多路閥主閥控制腔的平均流量越大，通過主閥的流量也越大。實(shí)際上，脈寬調(diào)制式數(shù)字開關(guān)閥存在開啟/關(guān)閉延時(shí)，流量從零到最大也需要時(shí)間。高速開關(guān)閥的實(shí)際特性如圖30所示。

設(shè)閥的開啟延時(shí)為D₀，關(guān)閉延時(shí)為D_c。當(dāng)通電脈沖寬度t_w＜D₀時(shí)，閥不能打開，其通油時(shí)間tp=0，多路閥主閥閥心的位移為零，即為控制的死區(qū)。死區(qū)范圍為O≤t_w≤D₀，減小D₀可以減小死區(qū)范圍；當(dāng)t_w＞T₀-D_c時(shí)，閥在本周期內(nèi)還未關(guān)閉，下一個(gè)通電脈沖又到，故在T₀-D_c到T₀段，主閥閥心開度一直最大，并不隨t_w的變化而變化，這是開關(guān)閥控制速度的飽和區(qū)，減小D_c可以減小飽和區(qū)。多路閥主閥流量特性如圖31所示。

脈沖調(diào)制式數(shù)字開關(guān)閥的線性脈寬范圍為

D₀≤t_w≤T₀-D_c

對(duì)數(shù)字開關(guān)閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小開啟延時(shí)D₀和關(guān)閉延時(shí)D_c，可以改善多路閥流量特性，使多路閥主閥出口更好地獲得與先導(dǎo)閥輸入占空比成線性比例的流量，得到更高精度的控制數(shù)字多路閥系統(tǒng)。

2．技術(shù)特點(diǎn)

采用數(shù)字高速開關(guān)閥作為多路閥的先導(dǎo)閥，由計(jì)算機(jī)直接控制，同時(shí)保留多路閥的操作手柄，在自動(dòng)控制部分出問題時(shí)可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作。經(jīng)改造的數(shù)字式多路閥工作可靠、維修方便、成本低、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，是一種很有發(fā)展前途的多路閥。而用PWM控制高速數(shù)字閥，進(jìn)而控制多路閥閥心，不僅具有計(jì)算機(jī)控制的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，還大大減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量，不存在各接口信號(hào)的匹配問題，提高了系統(tǒng)的可靠性，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。