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1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，太原，0300242.太重榆次液壓工業(yè)有限公司，榆次， 030600

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一種脈寬調(diào)制式數(shù)字流量閥性能分析

黃家海1,2郭曉霞1李陶陶1權龍1王勝國2

1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，太原，0300242.太重榆次液壓工業(yè)有限公司，榆次， 030600

摘要：數(shù)字閥有抗干擾、抗污染等優(yōu)點，但直接控制的脈寬調(diào)制(PWM)式數(shù)字閥控制流量小、出口流量不連續(xù)等缺陷而限制了其應用。為此，設計出一種兩級數(shù)字流量控制閥，其先導級采用基于PWM的高速開關閥，主級采用基于流量-位移反饋的插裝閥，該數(shù)字閥具有結(jié)構簡單、能量利用率高、先導數(shù)字控制、主閥連續(xù)輸出流量等特點。闡述了該數(shù)字流量閥的工作原理，在SimulationX軟件中建立了相應的數(shù)學模型，利用試驗數(shù)據(jù)對主閥和先導閥模型進行了驗證，通過仿真和理論推導得出主閥閥芯位移、總流量、放大倍數(shù)等參數(shù)與結(jié)構參數(shù)的關系，并對其性能進行了分析。結(jié)果表明：該數(shù)字閥工作原理是可行的，通過調(diào)整先導閥PWM控制信號占空比即可改變主閥出口流量。研究結(jié)果對該數(shù)字閥的進一步研發(fā)和改進有重要意義。

關鍵詞：數(shù)字控制；脈寬調(diào)制(PWM)；流量-位移反饋；流量閥

0引言

隨著工業(yè)智能化的發(fā)展，數(shù)字液壓系統(tǒng)因其節(jié)流損失小、重復性好、對介質(zhì)清潔度要求低、與計算機連接方便、抗干擾性好等特點而越來越受到人們的關注。目前，數(shù)字液壓系統(tǒng)主要分為如下三種類型[1]：①采用傳統(tǒng)開關技術，輸出只有兩種離散值，如執(zhí)行元件的運動與停止等，在氣壓系統(tǒng)中使用較多[2]；②采用并聯(lián)技術[3]，通過對并聯(lián)元件采用不同的編碼方式，系統(tǒng)輸出得到一系列離散值，分辨率、容錯性、壓力沖擊等很大程度上取決于編碼方式，需要元件個數(shù)多，控制器復雜；③采用液壓開關技術[4]，該技術源于電子電路脈寬調(diào)制(PWM)控制技術，結(jié)合高速開關閥與其接口方便的優(yōu)勢，已在現(xiàn)代車輛的ABS系統(tǒng)[5]和電控噴油系統(tǒng)[6]中成功應用。但是，數(shù)字閥單閥控制流量小、不連續(xù)的問題仍然存在，因而限制了數(shù)字閥的應用。

為解決數(shù)字閥小流量問題，結(jié)合二通插裝閥通流能力大的特點，國內(nèi)外學者對數(shù)字閥先導控制插裝閥進行了研究。石延平等[7]研究了一種兩級大流量高速開關閥，先導級為超磁致式高速開關閥，主級為二通插裝式球閥，最大輸出流量可達120 L/min。Winkler等[8]設計了一種兩位三通高速開關閥先導控制錐閥式主級的兩級大流量閥，在0.5 MPa壓差下流量可達100 L/min。這類兩級控制閥均采用控制主閥控制腔壓力的方式，主閥只有開關兩種狀態(tài)，無法對主閥閥芯位移實現(xiàn)比例控制；另外，很多情況下需要先導回路單獨供油，結(jié)構復雜。二通插裝閥有一種結(jié)構，該結(jié)構采用了流量-位移反饋原理，只需控制先導閥流量即可控制主閥流量。Eriksson等[9]建立了該種結(jié)構主閥的動態(tài)數(shù)學模型并將其簡化為一階模型，分析了結(jié)構參數(shù)對主閥穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)折頻率、放大倍數(shù)的影響，并通過實驗進行了驗證。Linjama等[10]設計了一種以該種插裝閥為主級、數(shù)字流量控制單元(DFCU，8個并聯(lián)開關閥)為先導級的兩級控制閥，其控制方式采用PCM編碼，以步進形式進行的試驗表明，流量滯環(huán)近于0，動態(tài)響應與普通閥先導控制相比明顯提高，但是該閥的尺寸大。

本課題組設計出一種兩級數(shù)字流量閥，其先導級為PWM控制的高速開關閥，主級為基于流量-位移反饋原理的插裝閥。該數(shù)字流量閥具有如下特點：主級、先導級均為插裝式結(jié)構，對油液清潔度要求低；先導回路油液引自主閥反饋槽，無需單獨供油，結(jié)構簡單；控制油液返回出油口，能量利用率高。本文建立數(shù)學模型分析該數(shù)字流量閥性能與結(jié)構參數(shù)之間的關系，通過SmiluationX仿真模型對理論分析結(jié)果進行驗證。

1工作原理與主閥參數(shù)的測試

圖1為該數(shù)字控制閥結(jié)構簡圖，由主閥、先導閥構成。主閥采用基于流量-位移反饋的插裝錐閥，先導閥為兩位二通高速開關閥。當先導閥沒有流量通過時，先導回路不通，控制腔C的壓力等于入口腔A的壓力, 由于閥芯上端面積是入口面積的兩倍, 所以主閥閥芯保持在閥座上。當先導閥有流量通過時，通過預開口接通先導回路，由于反饋槽與先導閥流量不平衡，所以主閥閥芯逐漸開啟直至流量平衡，主閥穩(wěn)定工作。由于主閥面積增益大，故通過控制先導閥控制信號占空比, 可以把主閥閥芯控制在相應位置,得到數(shù)十倍的先導閥流量。

1.主閥閥套　2.主閥閥芯　3.反饋槽　4.先導閥圖1　大流量數(shù)字閥結(jié)構簡圖

2數(shù)學模型

由于控制周期短，所以先導閥平均流量為

(1)

當主閥閥芯處于穩(wěn)態(tài)時，其平衡表達式為

AApA+(AM-AA)pB=kxM+AMpC+Ff

(2)

式中，AM為主閥閥芯大端面積；AA為主閥閥芯小端面積； Ff為主閥液動力；pA為主閥入口壓力。

若忽略主閥復位彈簧剛度的影響，則式(2)可簡化為

AApA+(AM-AA)pB≈Ff+AMpC

(3)

若AM=2AA，則

(4)

式(4)表明，當主閥處于穩(wěn)定時，若液動力較小，則pC近似等于pA與pB之和的一半，隨著液動力的增大，pC會減小。

通過主閥口的流量為

(5)

式中，CdM為主閥流量系數(shù)；wM為主閥通流面積梯度；xM為主閥閥芯位移。

通過反饋槽可變節(jié)流口的流量Qs為

(6)

式中，Cds為反饋槽流量系數(shù)；ws為反饋槽面積梯度；x0為主閥口預開量。

控制腔流量連續(xù)性方程為

(7)

式中，K為彈性模量；Vc為先導級與主級間的容腔體積。

若主閥處于穩(wěn)態(tài)，pC接近恒定，則由式(7)可得

Qs=Qp

(8)

所以

(9)

由式(9)可得，當先導閥、反饋槽結(jié)構參數(shù)確定時，主閥閥芯位移與先導閥控制占空比成正比，與主閥壓差無關。

總閥出口處流量為

Qo=Qp+QM

(10)

穩(wěn)態(tài)時，主閥流量放大倍數(shù)g為

(11)

由式(11)可得，主閥放大倍數(shù)與主閥口、反饋槽、先導閥結(jié)構有關，與主閥口、先導閥參數(shù)成正相關，與反饋槽參數(shù)成負相關；當主閥、先導閥和反饋槽結(jié)構參數(shù)確定時，放大倍數(shù)不恒定，隨控制占空比增大而增大。

3仿真建模與結(jié)果

為了分析該數(shù)字流量閥的穩(wěn)態(tài)性能、不同參數(shù)對主閥流量的影響，在SimulationX中建立仿真模型(圖2)。各元件仿真設置如下：在該模型中，高速開關閥為貴州紅林公司生產(chǎn)的HSV3143S3型開關閥,在2 MPa壓差下其單閥最大流量約為1 L/min，因單個閥流量較小，故通過并聯(lián)4個閥來模仿較大流量的閥；由于SimulationX沒有可供直接使用的主閥模塊，因此采用獨立閥口、柱塞腔和固定液阻等組合來代替；主要參數(shù)為，主閥閥芯上下端直徑分別為20 mm和14.14 mm，閥口角度為45°，反饋槽面積梯度ws=1.00 mm，預開口量x0=0.42 mm。

圖2　數(shù)字先導比例流量閥仿真模型

3.1仿真模型驗證

為了驗證主閥模型的正確性，將先導閥替換為電液比例方向閥，與對應的試驗進行對比。利用圖3所示試驗裝置對主閥進行測試，三個壓力傳感器分別測量入口壓力pA、出口壓力pB、控制腔壓力pC，流量傳感器SCVF-015-10-01測量主閥流量QM，位移傳感器測定主閥閥芯位移xM，使用力士樂SYDFEE-11/71RN00型變量柱塞泵供油。通過dSPACE完成控制信號的施加和數(shù)據(jù)采集。由圖4可知，當壓差一定時，隨著閥芯位移的增大，液動力影響增大，QM與xM呈非線性關系，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果有較高的吻合度。

1.先導閥　2.流量傳感器　3.位移傳感器4.壓力傳感器　5.主閥圖3　試驗實物圖

圖4　主閥靜態(tài)流量特性曲線

由于主閥閥芯具有一定慣性，為使主閥流量連續(xù)，先導閥控制頻率必須大于主閥固有頻率(壓差2 MPa時約為22 Hz[9])。由圖5可知，當控制頻率為75 Hz時，在線性控制區(qū)域20%～70%內(nèi)，仿真曲線與試驗曲線吻合度較高。

圖5　先導閥靜態(tài)流量特性曲線

3.2仿真結(jié)果分析

圖6為主閥壓差為6 MPa，占空比D分別為30%、50%、70%，穩(wěn)定工作時控制腔的動態(tài)壓力曲線?？梢钥闯?，控制腔壓力pC的平均值約為主閥壓差的一半，但是隨著控制信號占空比的增大，主閥位移增大，液動力增大，控制腔壓力pC有所減小，與式(4)分析結(jié)果一致。

圖6　不同占空比D下控制腔動態(tài)壓力

圖7、圖8分別為供油壓力為6MPa，占空比分別為30%、50%、70%時主閥位移、總流量動態(tài)響應曲線。可以看出，隨著先導閥占空比的增大，主閥達到目標位置的時間縮短，響應速度逐漸提高；由于先導高速開關閥的不斷動作，主閥閥芯位移、總流量會有波動，其脈動幅值隨占空比變化而變化，但其平均值逐漸增大，波動率逐漸減小，因此，調(diào)整先導閥控制占空比即可改變閥的總流量，從而驗證了式(9)的合理性。

圖7　不同占空比下主閥動態(tài)位移曲線

圖8　不同占空比下主閥總動態(tài)流量曲線

圖9、圖10所示為占空比分別為30%、50%、70%時壓差與主閥閥芯位移和流量的關系。可以看出，當壓差較小(約2 MPa)時，由于液動力影響較大，相同控制信號時，主閥閥芯位移不恒定，且占空比越大，影響越明顯；當壓差大于2 MPa時，當先導閥占空比給定時，主閥閥芯位移基本不變，與壓差基本無關，進一步驗證了式(9)的合理性；因主閥閥芯位移確定，所以流量QM只隨壓差的增大而增大。

圖9　不同占空下壓差對主閥靜態(tài)位移的影響

圖10　不同占空下壓差對靜態(tài)流量的影響

圖11　不同占空下壓差對放大倍數(shù)的影響

圖11所示為不同占空比時壓差與流量放大倍數(shù)的關系。當占空比增大時，放大倍數(shù)也增大，與式(11)吻合；但當壓差較小時，由于液動力影響較大，放大倍數(shù)比大壓差時大。

4結(jié)論

(1)設計出了一種數(shù)字流量閥，通過理論分析和SimulationX仿真模型驗證了該數(shù)字流量閥的可行性。

(2)當控制信號占空比給定時，由于先導閥持續(xù)開關，故雖然主閥位移、放大倍數(shù)會出現(xiàn)波動，但其平均值近似恒定，且與壓差無關；總流量因閥芯位移恒定而只與壓差有關。

(3)當占空比增大時，主閥位移、流量隨之增大，放大倍數(shù)也增大。因此，可以通過控制占空比來改變主閥流量，實現(xiàn)占空比對主閥的連續(xù)比例控制。

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(編輯蘇衛(wèi)國)

Analyses of Characteristics of a PWM Digital Flow Valve

Huang Jiahai1,2Guo Xiaoxia1Li Taotao1Quan Long1Wang Shengguo1

1.Key Lab of Advanced Transducers and Intelligent Control System,Ministry of Education and Shanxi Province,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,030024

2.Taiyuan Heavey Machinery Group Yuci Hydraulic Industry,Yuci,Shanxi,030600

Abstract:Digital hydraulic valve had the advantages of reliability, low sensitivity to contamination, which was controlled by PWM and was limited in hydraulic system by the small and discontinuous flows. A two-stage digital flow valve was presented，where the pilot stage was as high-speed on/off valves and the main stage was as a cartridge valve based on flow-displacement feedback principles. There were features of simple structure, high energy efficiency, piloted digital control, continuous output flow. The working principles and a simplified mathematical model were presented. The performance of the valve was investigated by means of simulation. The results show that the digital valve working principles are feasible and the valve output flow can be continuously changed by adjusting the duty ratio of the PWM signals supplied to pilot valve. There are important significance to further research and improvement of the valve.

Key words:digital control; PWM(pulse width modulated); flow-displacement feedback; flow valve

作者簡介：黃家海，男，1979年生。太原理工大學機械電子工程研究所副教授，太重榆次液壓工業(yè)有限公司技術中心博士后研究人員。研究方向為電液伺服比例控制。發(fā)表論文10余篇。郭曉霞，女，1990年生。太原理工大學機械電子工程研究所碩士研究生。李陶陶，男，1990年生。太原理工大學機械電子工程研究所碩士研究生。權龍，男，1959年生。太原理工大學機械電子工程研究所教授、博士研究生導師。王勝國，男，1973年生。太重榆次液壓工業(yè)有限公司技術中心主任、高級工程師。

中圖分類號：TH137

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.05.019

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51205271)；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20121402120002)

收稿日期：2015-04-15