新型液压元件及集成技术(第6章)

新型液压元件与集成技术(New-typeHydraulicComponent&IntegratedTechnology)

授课教师：龙威掌握新型液压元件（插装阀、叠加阀、数字元件等）的工作原理、结构及特点教学目的了解和掌握新型液压元件及系统中的比例控制技术了解和掌握新型液压元件及系统中的数字控制技术

了解和掌握新型液压元件及系统的集成技术等学科理论和知识

了解采用新型液压元件的液压控制系统设计方法对新型液压元件有一个初步的认识和了解，并掌握相关知识新型液压元件及集成技术新型液压阀与集成系统电液比例技术的基础理论液压控制放大器电液比例控制系统与集成技术插装阀及其集成技术数字式液压元件与集成技术

液压元件叠加集成技术第六章数字式液压元件与系统集成技术

由数字信号直接控制的液压元件，称为数字式液压元件。数字控制是指控制信号在进行处理和运算过程中，是以数字量的形式来进行的控制形式。

液压控制进入了与计算机相结合的电子液压控制阶段，出现了模拟式流体控制及脉冲流体控制，称为连续流体控制和脉冲流体控制。脉冲流体控制是将电信号转换为可直接进行控制的流体脉冲，从而使液压控制数字化。即用液压产生很大的动力，通过微型计算机进行复杂的信息处理，能对大功率系统完成高精度、高速度和高可靠性的控制法。这就是液压数字控制的本质。电、液、气控制的分类

液压数字控制技术的最大优势是可以采用各种控制理论，甚至智能控制理论，形成先进的控制手段，保证电液系统获得最优的性能，控制功能更强大，可实现复杂的运算，可以采用软件代替部分复杂的硬件，简化系统结构，提高系统控制精度。它充分地结合了液压能传递较大功率的优越性与电子控制及计算机控制的灵活性。目前研制开发的数字式液压元件产品，有电液数字阀、电液数字液压马达（直线式、旋转式）、电液数字变量泵、电液数字缸等。数字阀电液数字控制阀（简称数字阀）是由数字信号直接控制液流的压力、流量和方向的液压阀。计算机的输出信号是电脉冲序列，经驱动电源调制放大，输出一定频率和频宽的电压、电流信号，数字阀接受驱动电源的电信号，移动液压阀芯，并根据脉冲频率和宽度输出相应的流量和压力。数字阀的基本工作原理、分类和特点数字阀控制系统的组成数字阀和电液伺服阀及比例阀相比，突出的特点是，能直接与计算机接口，不需D/A转换器，结构简单，价格低廉，抗污染能力强，工作可靠，操作维修方便，数字阀的输出量

。能准确，可靠地由脉冲频率或宽度调节控制，抗干扰能力强，而且滞环小，重复精度高，可得到较高的开环控制精度等，因此得到了迅速发展。在计算机实时控制的电液系统中，能取代伺服阀和比例阀。

按控制方式不同，可分为增量式数字阀和脉宽调制（PWM）式高速开关数字阀两大类。脉冲信号脉冲是脉动和短促的意思，凡是具有不连续波形的信号均可称为脉冲信号。广义讲，各种非正弦信号都是脉冲信号。脉冲信号的参数trtftpT0.9Um0.5Um0.1UmUm矩形脉冲信号的主要参数脉冲幅度脉冲周期脉冲宽度上升时间下降时间占空比D－－脉冲宽度与脉冲周期的比值，D＝tp/T。增量式数字阀的控制方式是采用由脉冲数调制（PNM）演变而成的增量控制方式。电/机转换器是步进电机，用它来驱动液压阀芯工作的，因此又称步进式数字阀。高速开关式数字阀的控制方式主要是脉宽调制式（PWM），按被调制的参数不同，还有脉幅调制（PAM），脉码调制（PCM），脉数调制(PNM)和脉频调制(PFM)等。五种脉冲量的调制方法

①脉幅调制(PAM)：用调制信号控制脉冲序列的幅度，使脉冲幅度在其平均值上下随调制信号的瞬时值变化。这是脉冲调制中最简单的一种。脉幅调制是A.H.里夫在20世纪30年代发明的，在第二次世界大战中期已付之实用。但后来发现，脉幅调制的已调波在传输途径中衰减,抗干扰能力差，往往只用作连续信号采样的中间步骤。

②脉宽调制(PDM)：用调制信号控制脉冲序列中各脉冲的宽度，使每个脉冲的持续时间与该瞬时的调制信号值成比例。此时脉冲序列的幅度保持不变，被调制的是脉冲的前沿或后沿，或同时是前后两沿，使脉冲持续时间发生变化。脉宽调制也是20世纪30年代里夫发明的。

③脉位调制(PPM)：用调制信号控制脉冲序列中各脉冲的相对位置（即相位），使各脉冲的相对位置随调制信号变化。此时脉冲序列中脉冲的幅度和宽度均保持不变。脉位调制在第二次世界大战中期已付之实用。脉位调制的传输性能较好，常用于视距微波中继通信系统。

④脉频调制(PFM)：用调制信号控制脉冲的重复频率，即单位时间内脉冲的个数，使脉冲的重复频率随调制信号变化。此时脉冲序列中脉冲的幅度和宽度均保持不变。主要用于仪表测量等方面。

⑤脉码调制(PCM)：1937年脉幅调制和脉宽调制的发明者A.H.里夫提出用脉冲的有无的组合来传递声音，后来把这种方法称为脉码调制。但脉码调制到20世纪50年代才开始实用化。脉码调制有三个过程：采样、量化和编码。即先对信号进行采样，并对采样值进行量化（整量化），再对经过采样和量化后的信号幅度进行编码，因此脉码调制的本质不是调制，而是数字编码，所以能充分保证传输质量。由编码得到的数字信号可根据需要再对高频振荡载波进行调制。脉码调制不是用改变脉冲序列的参数来传输信息，而是用参数固定的脉冲的不同组合来传递信息

。数字阀分类增量式数字阀就是步进电机驱动的液压阀。步进电机转角与输入脉冲数成比例，步进电机每得到一个脉冲信号，便得到与输入脉冲数成比例的转角，每个脉冲使步进电机沿给定的方向转动一固定的步距角，再通过机械转换器（丝杆-螺母副或凸轮机构），使转角转换成轴向位移，带动阀芯移动相应的步数，得到与之相适应的阀开口度，从而获得与输入脉冲数成比例的压力，流量值。增量式数字阀阀的输出量与输入脉冲数成正比，输出响应速度与输入脉冲频率成正比，对于步进电机的步距角，阀的输出量有一定的分辨率，它直接决定了阀的最高控制精度。由于步进电机的控制方式为步进的，对输入的脉冲数有记忆作用，并且输出量与累计的输入脉冲数量成比例，所以这种控制方式又称脉数调节(PNM)控制。实际上，每一采样周期的步数是在原有采样周期的基础上增加或减少一些步数来实现，因此PNM的控制方式已演化为增量控制方式，从而达到需要的幅值。这种在前一次控制的基础上，增加或减少一些脉冲数（反向控制）以达到控制目的的方法称为增量控制法。

增量式数字阀—步进电机

步进电机是数字阀的组成部分。它是一种D/A转换型的电—机转换器，利用电磁作用原理工作，接受电脉冲信号，而输出脉冲型机械转角，最后使液压阀在脉冲流体控制下工作。由定子和转子组成，转子是一导磁体，定子是由绕有A.B.C.D四相激磁绕组的四对极靴构成，当定子得到脉冲信号，各相绕组依次通电时利用转子和定子间的径向间隙吸力使转子被吸合，促使转子一步步转动，输出转角与输入脉冲数严格成比例。在时间上转角与输入脉冲同步，即转速与输入信号的脉冲频率有关。1—转子铁芯；2—定子铁芯；3—定子绕组1—转子铁芯；2—定子铁芯；3—定子绕组转子每一步的转角称为步距角。为使步进电机得到较小的步距角，在定子的每一极上和转子的外周上分割出若干小的轮齿，并且定子相邻极靴上的齿，在周向错开1/4齿距。若脉冲分配器按A-B-C-D顺序向各相依次通电，转子每步转动至其某齿轴线和通电定子极靴中心齿轴线对齐位置。高速开关数字阀

脉宽调制式(PWM)数字阀又称高速开关数字阀，其数字信号控制方式为脉宽调制式。即控制液压阀的信号是一系列幅值相等，而在每一周期内宽度不同的脉冲信号。其实质是高速开关阀通过脉宽调制(PWM)使流体形成脉冲流体，再利用脉冲宽度的变化而连续地控制流量和压力的变化。脉宽调制式高速开关数字阀控制系统工作原理框图高速开关数字阀由电磁式驱动器和液压阀组成,其中液压阀的工作原理及结构与其它阀不同,它是一种快速切换的开关,只有全开和全闭两种工作状态，以开启时间的长短来控制流量或压力等液压参数，其驱动部件仍以电磁式电气－机械转换器为主，主要是力矩马达和各种电磁铁。脉宽调制信号是频率不变，开启时间比率不同的脉冲信号。开启时间tp称为有效脉宽时间，tp对采样周期的比值tp/T称为脉宽占空比。信号的脉宽调制6.3典型的数字阀结构6.3.1数字溢流阀6.3.2数字流量阀

(1)直接驱动式(2)压力补偿式6.3.3数字方向阀6.3.4高速开关数字阀

(1)滑阀式(2)锥阀式(3)球阀式(4)压电晶体式(5)超磁滞伸缩式▼数字溢流阀(b)直动式职能符号

凸轮3将步进电机的旋转运动转变为调节杆6的轴向往复运动。先导阀调节弹簧19的压缩量由步进电机通过凸轮、调节杆给定，从而调节了先导锥阀芯18开口处的压力。阀的最高压力和最低压力取决于凸轮3的导程和先导阀调节弹簧19的刚度。该阀的电—机转换器为混合式步进电机；

机械转换器为凸轮机构。工作原理：▲直接驱动式数字流量阀增量式数字流量阀1—步进电机；2—滚珠丝杠；3—节流阀阀芯；4—阀套；5—连杆；6—零位传感器增量式数字流量阀

步进电机1的转动通过滚珠丝杠2转化为轴向位移，带动节流阀阀芯3移动，控制阀口的开度，从而实现流量调节。该阀的阀口由相对运动的阀芯3和阀套4组成，阀套上有两个通流孔口。左边一个为全周开口，右边一个为非全周开口。阀芯移动时先打开右边的节流口，得到较小的控制流量；阀芯继续移动，则打开左边阀口，流量增大。

工作原理：

阀的液流流入方向为轴向，流出方向与轴线垂直，这样可抵消一部分阀开口流量引起的液动力，并使结构紧凑。连杆5的热膨胀，可起温度补偿作用，减小温度变化引起流量的不稳定。阀上的零位传感器6用于在每个控制周期终了控制阀芯回到零位，以保证每个工作周期有相同的起始位置，提高阀的重复精度。特点：▲压力补偿式数字流量阀1喷嘴；2挡板；3流量控制阀4压力补偿阀芯5弹簧6、7固定节流孔

该阀的液压部分由喷嘴挡板阀、流量控制滑阀和压力补偿阀组成。流量控制阀芯3左右端的承压面积分别为A1、A2且之比为1：2。先导控制压力油作用于A1腔，同时经阻尼孔7进入A2腔。A2腔压力也即喷嘴1前的压力，此压力受喷嘴档板阀控制。当步进电机以一定步数转动，通过凸轮使档板2位移，挡板和喷嘴之间的距离减少，A2面上压力升高，流量控制阀芯3在此压力作用下得到相应位移，打开节流控制口，液流从P腔至C腔得到与步数成比例的流量。主阀芯运动使喷嘴与挡板间距离加大回到原始状态，即A1、A2面上的总作用力平衡时停止。

工作原理：▲高速开关数字阀1定义：

☆高速开关式数字阀：又称脉宽调制式数字阀。2分类：(1)按工作位置数目及通道数可分为:三位四通、二位三通和二位二通。（其中二位三通和二位二通两种最常见。）(2)按电-机转换装置可分为:

螺管电磁铁式、盘式电磁铁式、力矩马达式和压电晶体式等多种。(3)按阀芯的结构形式可分为:

圆柱滑阀式、锥阀式、球阀式和喷嘴挡板式

。

▲

这种阀的优点是容易获得液压力平衡和液动力补偿，可在较大的压力和流量下工作，可得到多工位和多通道的开关阀，但会使工作行程加长，影响快速性，要求加工精度高，而密封性差，因泄漏会影响控制精度。电磁铁断电时，弹簧5使阀芯4复位保持在A口和T口相通位置上，电磁铁通电时，衔铁1左移通过推杆2使阀芯4左移P口与A口相通。

滑阀式

螺管电磁铁驱动的滑阀式二位三通高速开关数字阀1—衔铁；2—推杆；3—阀套；4—阀芯；5—弹簧▲

此阀的优点是可克服滑阀的行程长和泄漏，也可克服球阀的压力不平衡，作为二位二通开关数字阀比较理想，但不能做成三通或四通开关数字阀。锥阀式

盘式电磁铁-锥阀组合的数字阀结构图1—盘式电磁铁；2—弹簧；3—锥形阀芯；4—阀套

通电时盘式衔铁1左移，带动阀芯3开启阀口；断电时弹簧2压衔铁向右复位，阀口关闭。在恒定的采样周期内，控制“开”“关”时间，即可得到不同的流量。盘式电磁铁主要受表面力作用，电磁作用力较大，可达120N，而行程较短，因此这种阀的阀芯行程也较短。▲电磁铁驱动的锥阀式高速开关数字阀1—锥阀芯；2—衔铁；3—弹簧；4—线圈；5—阻尼孔；6—阀套

当线圈4通电时，衔铁2右移，使与其连接的锥阀芯1开启，压力油从P口经阀体流入控制腔A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，该阀通过射流对铁芯的作用来补偿液动力。断电时，弹簧3使锥阀关闭。阀套6上有一阻尼孔5，用以补偿液动力。6.4数字阀的性能分析6.4.1静态特性

(1)增量式数字阀的静态特性

(2)高速开关阀的静态特性

(3)改善静态特性的途径6.4.2动态特性

(1)增量式数字阀的动态特性

(2)高速开关阀的动态特性

(3)改善动态特性的途径数字阀的性能指标，既与阀本身的性能有关，也与控制信号和放大器的结构及主机的匹配有关，是一项综合性指标。▼增量式数字阀的静态特性

数字阀的静态特性可用输入的脉冲数或脉宽占空比与输出流量或压力之间的关系式或曲线表示。（a）压力阀特性（b）流量阀特性（c）方向流量阀特性增量式数字阀的静态特性曲线★增量式数字阀的分辨率：是指阀的被控量从最低至最高所对应的脉冲数。此数大，则分辨率高。

阀的其他静态性能指标还包括：线性度、滞环、死区、饱和等。▲高速开关阀的静态特性

脉宽占空比1％二位三通型流量特性

脉宽占空比1％二位三通型压力特性

阀的静态性能与采样周期T有关：当T较小时，由于可控脉宽相应较小，所以输出控制流量也较小；反之亦然。阀有约20%的死区和10-20%的饱和区。阀的平均流量q随着占空比的增加而增加，并且基本满足线性关系。在占空比不变时，阀的q随供油压力增加而增加：(1)调制频率较低时，曲线粗糙度大即流量脉动大，(2)随着调制频率的增加，流量脉动会减小。阀有较好的线性度。▲对于增量式数字阀，可通过选用步距角较小的步进电机或采取分频等措施提高阀的分辨率，从而提高阀的控制精度。(2)对于脉宽调制式数字阀，当控制信号太小时不足以驱动阀芯，太大时又使阀始终处于吸合状态，因而有起始脉宽和终止脉宽限制。起始脉宽对应死区，终止脉宽对应饱和区，两者决定了数字阀实际的工作区域。因此，可以用控制软件在控制程序中或放大器的硬件结构中把死区和饱和区消除，使控制系统不出现死区和饱和现象。当采样周期较小时，最大可控流量也小，相当于分辨率提高。改善静态特性的途径：▲增量式数字阀的动态特性

增量式数字压力阀的阶跃特性曲线接触控制程序控制

增量式数字阀的动态特性主要用响应时间和超调量来衡量。与输入信号的控制规律密切相关。信号本身有0.045s的滞后，然后等速上升，输出压力有一定的超调量。采用程序控制方式，使输入信号减速上升或下降达到额定值，可减少压力超调，缩短响应时间。增量式数字流量对负载压力变化的响应

数字流量阀的动态特性除了输出量对输入信号的响应时间之外，有时还要考察输出流量随出口压力变化的瞬态过程。图示是增量式数字流量阀对阶跃信号的瞬态响应曲线。可见这种阀抗干扰能力和稳定性均比较好。▲这种阀的动态特性主要是响应时间。由于阀芯的位移较难测量，可用控制电流波形的转折点得到阀芯的切换时间。高速开关阀的动态特性

脉宽调制频率：fp=200Hz，脉宽占空比：η=50%，阀的工作压力：15MPa

▲对于数字阀：因为增量式数字阀对输入信号的响应时间与使用的驱动器及励磁方式有关，采样频率对其动态特性也有较大影响；所以可采用高、低压过激驱动和抑制电路来提高其开关速度，用程序优化控制可得到良好的动态特性。(2)对于脉宽调制式数字阀：可采用压电晶体或超磁致伸缩材料驱动的电机转换器；为了使阀的开启速度既无滞后寿命又长，在电流放大回路中可选择性能优良的变阻器与阀并联，可获得很