新型液壓元件及集成技術(shù)(第6章)

新型液壓元件與集成技術(shù)(New-typeHydraulicComponent&IntegratedTechnology)

授課教師：龍威掌握新型液壓元件（插裝閥、疊加閥、數(shù)字元件等）的工作原理、結(jié)構(gòu)及特點教學(xué)目的了解和掌握新型液壓元件及系統(tǒng)中的比例控制技術(shù)了解和掌握新型液壓元件及系統(tǒng)中的數(shù)字控制技術(shù)

了解和掌握新型液壓元件及系統(tǒng)的集成技術(shù)等學(xué)科理論和知識

了解采用新型液壓元件的液壓控制系統(tǒng)設(shè)計方法對新型液壓元件有一個初步的認識和了解，并掌握相關(guān)知識新型液壓元件及集成技術(shù)新型液壓閥與集成系統(tǒng)電液比例技術(shù)的基礎(chǔ)理論液壓控制放大器電液比例控制系統(tǒng)與集成技術(shù)插裝閥及其集成技術(shù)數(shù)字式液壓元件與集成技術(shù)

液壓元件疊加集成技術(shù)第六章數(shù)字式液壓元件與系統(tǒng)集成技術(shù)

由數(shù)字信號直接控制的液壓元件，稱為數(shù)字式液壓元件。數(shù)字控制是指控制信號在進行處理和運算過程中，是以數(shù)字量的形式來進行的控制形式。

液壓控制進入了與計算機相結(jié)合的電子液壓控制階段，出現(xiàn)了模擬式流體控制及脈沖流體控制，稱為連續(xù)流體控制和脈沖流體控制。脈沖流體控制是將電信號轉(zhuǎn)換為可直接進行控制的流體脈沖，從而使液壓控制數(shù)字化。即用液壓產(chǎn)生很大的動力，通過微型計算機進行復(fù)雜的信息處理，能對大功率系統(tǒng)完成高精度、高速度和高可靠性的控制法。這就是液壓數(shù)字控制的本質(zhì)。電、液、氣控制的分類

液壓數(shù)字控制技術(shù)的最大優(yōu)勢是可以采用各種控制理論，甚至智能控制理論，形成先進的控制手段，保證電液系統(tǒng)獲得最優(yōu)的性能，控制功能更強大，可實現(xiàn)復(fù)雜的運算，可以采用軟件代替部分復(fù)雜的硬件，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)控制精度。它充分地結(jié)合了液壓能傳遞較大功率的優(yōu)越性與電子控制及計算機控制的靈活性。目前研制開發(fā)的數(shù)字式液壓元件產(chǎn)品，有電液數(shù)字閥、電液數(shù)字液壓馬達（直線式、旋轉(zhuǎn)式）、電液數(shù)字變量泵、電液數(shù)字缸等。數(shù)字閥電液數(shù)字控制閥（簡稱數(shù)字閥）是由數(shù)字信號直接控制液流的壓力、流量和方向的液壓閥。計算機的輸出信號是電脈沖序列，經(jīng)驅(qū)動電源調(diào)制放大，輸出一定頻率和頻寬的電壓、電流信號，數(shù)字閥接受驅(qū)動電源的電信號，移動液壓閥芯，并根據(jù)脈沖頻率和寬度輸出相應(yīng)的流量和壓力。數(shù)字閥的基本工作原理、分類和特點數(shù)字閥控制系統(tǒng)的組成數(shù)字閥和電液伺服閥及比例閥相比，突出的特點是，能直接與計算機接口，不需D/A轉(zhuǎn)換器，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，抗污染能力強，工作可靠，操作維修方便，數(shù)字閥的輸出量

。能準(zhǔn)確，可靠地由脈沖頻率或?qū)挾日{(diào)節(jié)控制，抗干擾能力強，而且滯環(huán)小，重復(fù)精度高，可得到較高的開環(huán)控制精度等，因此得到了迅速發(fā)展。在計算機實時控制的電液系統(tǒng)中，能取代伺服閥和比例閥。

按控制方式不同，可分為增量式數(shù)字閥和脈寬調(diào)制（PWM）式高速開關(guān)數(shù)字閥兩大類。脈沖信號脈沖是脈動和短促的意思，凡是具有不連續(xù)波形的信號均可稱為脈沖信號。廣義講，各種非正弦信號都是脈沖信號。脈沖信號的參數(shù)trtftpT0.9Um0.5Um0.1UmUm矩形脈沖信號的主要參數(shù)脈沖幅度脈沖周期脈沖寬度上升時間下降時間占空比D－－脈沖寬度與脈沖周期的比值，D＝tp/T。增量式數(shù)字閥的控制方式是采用由脈沖數(shù)調(diào)制（PNM）演變而成的增量控制方式。電/機轉(zhuǎn)換器是步進電機，用它來驅(qū)動液壓閥芯工作的，因此又稱步進式數(shù)字閥。高速開關(guān)式數(shù)字閥的控制方式主要是脈寬調(diào)制式（PWM），按被調(diào)制的參數(shù)不同，還有脈幅調(diào)制（PAM），脈碼調(diào)制（PCM），脈數(shù)調(diào)制(PNM)和脈頻調(diào)制(PFM)等。五種脈沖量的調(diào)制方法

①脈幅調(diào)制(PAM)：用調(diào)制信號控制脈沖序列的幅度，使脈沖幅度在其平均值上下隨調(diào)制信號的瞬時值變化。這是脈沖調(diào)制中最簡單的一種。脈幅調(diào)制是A.H.里夫在20世紀30年代發(fā)明的，在第二次世界大戰(zhàn)中期已付之實用。但后來發(fā)現(xiàn)，脈幅調(diào)制的已調(diào)波在傳輸途徑中衰減,抗干擾能力差，往往只用作連續(xù)信號采樣的中間步驟。

②脈寬調(diào)制(PDM)：用調(diào)制信號控制脈沖序列中各脈沖的寬度，使每個脈沖的持續(xù)時間與該瞬時的調(diào)制信號值成比例。此時脈沖序列的幅度保持不變，被調(diào)制的是脈沖的前沿或后沿，或同時是前后兩沿，使脈沖持續(xù)時間發(fā)生變化。脈寬調(diào)制也是20世紀30年代里夫發(fā)明的。

③脈位調(diào)制(PPM)：用調(diào)制信號控制脈沖序列中各脈沖的相對位置（即相位），使各脈沖的相對位置隨調(diào)制信號變化。此時脈沖序列中脈沖的幅度和寬度均保持不變。脈位調(diào)制在第二次世界大戰(zhàn)中期已付之實用。脈位調(diào)制的傳輸性能較好，常用于視距微波中繼通信系統(tǒng)。

④脈頻調(diào)制(PFM)：用調(diào)制信號控制脈沖的重復(fù)頻率，即單位時間內(nèi)脈沖的個數(shù)，使脈沖的重復(fù)頻率隨調(diào)制信號變化。此時脈沖序列中脈沖的幅度和寬度均保持不變。主要用于儀表測量等方面。

⑤脈碼調(diào)制(PCM)：1937年脈幅調(diào)制和脈寬調(diào)制的發(fā)明者A.H.里夫提出用脈沖的有無的組合來傳遞聲音，后來把這種方法稱為脈碼調(diào)制。但脈碼調(diào)制到20世紀50年代才開始實用化。脈碼調(diào)制有三個過程：采樣、量化和編碼。即先對信號進行采樣，并對采樣值進行量化（整量化），再對經(jīng)過采樣和量化后的信號幅度進行編碼，因此脈碼調(diào)制的本質(zhì)不是調(diào)制，而是數(shù)字編碼，所以能充分保證傳輸質(zhì)量。由編碼得到的數(shù)字信號可根據(jù)需要再對高頻振蕩載波進行調(diào)制。脈碼調(diào)制不是用改變脈沖序列的參數(shù)來傳輸信息，而是用參數(shù)固定的脈沖的不同組合來傳遞信息

。數(shù)字閥分類增量式數(shù)字閥就是步進電機驅(qū)動的液壓閥。步進電機轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成比例，步進電機每得到一個脈沖信號，便得到與輸入脈沖數(shù)成比例的轉(zhuǎn)角，每個脈沖使步進電機沿給定的方向轉(zhuǎn)動一固定的步距角，再通過機械轉(zhuǎn)換器（絲桿-螺母副或凸輪機構(gòu)），使轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成軸向位移，帶動閥芯移動相應(yīng)的步數(shù)，得到與之相適應(yīng)的閥開口度，從而獲得與輸入脈沖數(shù)成比例的壓力，流量值。增量式數(shù)字閥閥的輸出量與輸入脈沖數(shù)成正比，輸出響應(yīng)速度與輸入脈沖頻率成正比，對于步進電機的步距角，閥的輸出量有一定的分辨率，它直接決定了閥的最高控制精度。由于步進電機的控制方式為步進的，對輸入的脈沖數(shù)有記憶作用，并且輸出量與累計的輸入脈沖數(shù)量成比例，所以這種控制方式又稱脈數(shù)調(diào)節(jié)(PNM)控制。實際上，每一采樣周期的步數(shù)是在原有采樣周期的基礎(chǔ)上增加或減少一些步數(shù)來實現(xiàn)，因此PNM的控制方式已演化為增量控制方式，從而達到需要的幅值。這種在前一次控制的基礎(chǔ)上，增加或減少一些脈沖數(shù)（反向控制）以達到控制目的的方法稱為增量控制法。

增量式數(shù)字閥—步進電機

步進電機是數(shù)字閥的組成部分。它是一種D/A轉(zhuǎn)換型的電—機轉(zhuǎn)換器，利用電磁作用原理工作，接受電脈沖信號，而輸出脈沖型機械轉(zhuǎn)角，最后使液壓閥在脈沖流體控制下工作。由定子和轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子是一導(dǎo)磁體，定子是由繞有A.B.C.D四相激磁繞組的四對極靴構(gòu)成，當(dāng)定子得到脈沖信號，各相繞組依次通電時利用轉(zhuǎn)子和定子間的徑向間隙吸力使轉(zhuǎn)子被吸合，促使轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動，輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)嚴格成比例。在時間上轉(zhuǎn)角與輸入脈沖同步，即轉(zhuǎn)速與輸入信號的脈沖頻率有關(guān)。1—轉(zhuǎn)子鐵芯；2—定子鐵芯；3—定子繞組1—轉(zhuǎn)子鐵芯；2—定子鐵芯；3—定子繞組轉(zhuǎn)子每一步的轉(zhuǎn)角稱為步距角。為使步進電機得到較小的步距角，在定子的每一極上和轉(zhuǎn)子的外周上分割出若干小的輪齒，并且定子相鄰極靴上的齒，在周向錯開1/4齒距。若脈沖分配器按A-B-C-D順序向各相依次通電，轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)動至其某齒軸線和通電定子極靴中心齒軸線對齊位置。高速開關(guān)數(shù)字閥

脈寬調(diào)制式(PWM)數(shù)字閥又稱高速開關(guān)數(shù)字閥，其數(shù)字信號控制方式為脈寬調(diào)制式。即控制液壓閥的信號是一系列幅值相等，而在每一周期內(nèi)寬度不同的脈沖信號。其實質(zhì)是高速開關(guān)閥通過脈寬調(diào)制(PWM)使流體形成脈沖流體，再利用脈沖寬度的變化而連續(xù)地控制流量和壓力的變化。脈寬調(diào)制式高速開關(guān)數(shù)字閥控制系統(tǒng)工作原理框圖高速開關(guān)數(shù)字閥由電磁式驅(qū)動器和液壓閥組成,其中液壓閥的工作原理及結(jié)構(gòu)與其它閥不同,它是一種快速切換的開關(guān),只有全開和全閉兩種工作狀態(tài)，以開啟時間的長短來控制流量或壓力等液壓參數(shù)，其驅(qū)動部件仍以電磁式電氣－機械轉(zhuǎn)換器為主，主要是力矩馬達和各種電磁鐵。脈寬調(diào)制信號是頻率不變，開啟時間比率不同的脈沖信號。開啟時間tp稱為有效脈寬時間，tp對采樣周期的比值tp/T稱為脈寬占空比。信號的脈寬調(diào)制6.3典型的數(shù)字閥結(jié)構(gòu)6.3.1數(shù)字溢流閥6.3.2數(shù)字流量閥

(1)直接驅(qū)動式(2)壓力補償式6.3.3數(shù)字方向閥6.3.4高速開關(guān)數(shù)字閥

(1)滑閥式(2)錐閥式(3)球閥式(4)壓電晶體式(5)超磁滯伸縮式▼數(shù)字溢流閥(b)直動式職能符號

凸輪3將步進電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)桿6的軸向往復(fù)運動。先導(dǎo)閥調(diào)節(jié)彈簧19的壓縮量由步進電機通過凸輪、調(diào)節(jié)桿給定，從而調(diào)節(jié)了先導(dǎo)錐閥芯18開口處的壓力。閥的最高壓力和最低壓力取決于凸輪3的導(dǎo)程和先導(dǎo)閥調(diào)節(jié)彈簧19的剛度。該閥的電—機轉(zhuǎn)換器為混合式步進電機；

機械轉(zhuǎn)換器為凸輪機構(gòu)。工作原理：▲直接驅(qū)動式數(shù)字流量閥增量式數(shù)字流量閥1—步進電機；2—滾珠絲杠；3—節(jié)流閥閥芯；4—閥套；5—連桿；6—零位傳感器增量式數(shù)字流量閥

步進電機1的轉(zhuǎn)動通過滾珠絲杠2轉(zhuǎn)化為軸向位移，帶動節(jié)流閥閥芯3移動，控制閥口的開度，從而實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。該閥的閥口由相對運動的閥芯3和閥套4組成，閥套上有兩個通流孔口。左邊一個為全周開口，右邊一個為非全周開口。閥芯移動時先打開右邊的節(jié)流口，得到較小的控制流量；閥芯繼續(xù)移動，則打開左邊閥口，流量增大。

工作原理：

閥的液流流入方向為軸向，流出方向與軸線垂直，這樣可抵消一部分閥開口流量引起的液動力，并使結(jié)構(gòu)緊湊。連桿5的熱膨脹，可起溫度補償作用，減小溫度變化引起流量的不穩(wěn)定。閥上的零位傳感器6用于在每個控制周期終了控制閥芯回到零位，以保證每個工作周期有相同的起始位置，提高閥的重復(fù)精度。特點：▲壓力補償式數(shù)字流量閥1噴嘴；2擋板；3流量控制閥4壓力補償閥芯5彈簧6、7固定節(jié)流孔

該閥的液壓部分由噴嘴擋板閥、流量控制滑閥和壓力補償閥組成。流量控制閥芯3左右端的承壓面積分別為A1、A2且之比為1：2。先導(dǎo)控制壓力油作用于A1腔，同時經(jīng)阻尼孔7進入A2腔。A2腔壓力也即噴嘴1前的壓力，此壓力受噴嘴檔板閥控制。當(dāng)步進電機以一定步數(shù)轉(zhuǎn)動，通過凸輪使檔板2位移，擋板和噴嘴之間的距離減少，A2面上壓力升高，流量控制閥芯3在此壓力作用下得到相應(yīng)位移，打開節(jié)流控制口，液流從P腔至C腔得到與步數(shù)成比例的流量。主閥芯運動使噴嘴與擋板間距離加大回到原始狀態(tài)，即A1、A2面上的總作用力平衡時停止。

工作原理：▲高速開關(guān)數(shù)字閥1定義：

☆高速開關(guān)式數(shù)字閥：又稱脈寬調(diào)制式數(shù)字閥。2分類：(1)按工作位置數(shù)目及通道數(shù)可分為:三位四通、二位三通和二位二通。（其中二位三通和二位二通兩種最常見。）(2)按電-機轉(zhuǎn)換裝置可分為:

螺管電磁鐵式、盤式電磁鐵式、力矩馬達式和壓電晶體式等多種。(3)按閥芯的結(jié)構(gòu)形式可分為:

圓柱滑閥式、錐閥式、球閥式和噴嘴擋板式

。

▲

這種閥的優(yōu)點是容易獲得液壓力平衡和液動力補償，可在較大的壓力和流量下工作，可得到多工位和多通道的開關(guān)閥，但會使工作行程加長，影響快速性，要求加工精度高，而密封性差，因泄漏會影響控制精度。電磁鐵斷電時，彈簧5使閥芯4復(fù)位保持在A口和T口相通位置上，電磁鐵通電時，銜鐵1左移通過推桿2使閥芯4左移P口與A口相通。

滑閥式

螺管電磁鐵驅(qū)動的滑閥式二位三通高速開關(guān)數(shù)字閥1—銜鐵；2—推桿；3—閥套；4—閥芯；5—彈簧▲

此閥的優(yōu)點是可克服滑閥的行程長和泄漏，也可克服球閥的壓力不平衡，作為二位二通開關(guān)數(shù)字閥比較理想，但不能做成三通或四通開關(guān)數(shù)字閥。錐閥式

盤式電磁鐵-錐閥組合的數(shù)字閥結(jié)構(gòu)圖1—盤式電磁鐵；2—彈簧；3—錐形閥芯；4—閥套

通電時盤式銜鐵1左移，帶動閥芯3開啟閥口；斷電時彈簧2壓銜鐵向右復(fù)位，閥口關(guān)閉。在恒定的采樣周期內(nèi)，控制“開”“關(guān)”時間，即可得到不同的流量。盤式電磁鐵主要受表面力作用，電磁作用力較大，可達120N，而行程較短，因此這種閥的閥芯行程也較短?！姶盆F驅(qū)動的錐閥式高速開關(guān)數(shù)字閥1—錐閥芯；2—銜鐵；3—彈簧；4—線圈；5—阻尼孔；6—閥套

當(dāng)線圈4通電時，銜鐵2右移，使與其連接的錐閥芯1開啟，壓力油從P口經(jīng)閥體流入控制腔A口，為防止開啟時閥因穩(wěn)態(tài)液動力而關(guān)閉和減小控制電磁力，該閥通過射流對鐵芯的作用來補償液動力。斷電時，彈簧3使錐閥關(guān)閉。閥套6上有一阻尼孔5，用以補償液動力。6.4數(shù)字閥的性能分析6.4.1靜態(tài)特性

(1)增量式數(shù)字閥的靜態(tài)特性

(2)高速開關(guān)閥的靜態(tài)特性

(3)改善靜態(tài)特性的途徑6.4.2動態(tài)特性

(1)增量式數(shù)字閥的動態(tài)特性

(2)高速開關(guān)閥的動態(tài)特性

(3)改善動態(tài)特性的途徑數(shù)字閥的性能指標(biāo)，既與閥本身的性能有關(guān)，也與控制信號和放大器的結(jié)構(gòu)及主機的匹配有關(guān)，是一項綜合性指標(biāo)。▼增量式數(shù)字閥的靜態(tài)特性

數(shù)字閥的靜態(tài)特性可用輸入的脈沖數(shù)或脈寬占空比與輸出流量或壓力之間的關(guān)系式或曲線表示。（a）壓力閥特性（b）流量閥特性（c）方向流量閥特性增量式數(shù)字閥的靜態(tài)特性曲線★增量式數(shù)字閥的分辨率：是指閥的被控量從最低至最高所對應(yīng)的脈沖數(shù)。此數(shù)大，則分辨率高。

閥的其他靜態(tài)性能指標(biāo)還包括：線性度、滯環(huán)、死區(qū)、飽和等?！咚匍_關(guān)閥的靜態(tài)特性

脈寬占空比1％二位三通型流量特性

脈寬占空比1％二位三通型壓力特性

閥的靜態(tài)性能與采樣周期T有關(guān)：當(dāng)T較小時，由于可控脈寬相應(yīng)較小，所以輸出控制流量也較??；反之亦然。閥有約20%的死區(qū)和10-20%的飽和區(qū)。閥的平均流量q隨著占空比的增加而增加，并且基本滿足線性關(guān)系。在占空比不變時，閥的q隨供油壓力增加而增加：(1)調(diào)制頻率較低時，曲線粗糙度大即流量脈動大，(2)隨著調(diào)制頻率的增加，流量脈動會減小。閥有較好的線性度?！鴮τ谠隽渴綌?shù)字閥，可通過選用步距角較小的步進電機或采取分頻等措施提高閥的分辨率，從而提高閥的控制精度。(2)對于脈寬調(diào)制式數(shù)字閥，當(dāng)控制信號太小時不足以驅(qū)動閥芯，太大時又使閥始終處于吸合狀態(tài)，因而有起始脈寬和終止脈寬限制。起始脈寬對應(yīng)死區(qū)，終止脈寬對應(yīng)飽和區(qū)，兩者決定了數(shù)字閥實際的工作區(qū)域。因此，可以用控制軟件在控制程序中或放大器的硬件結(jié)構(gòu)中把死區(qū)和飽和區(qū)消除，使控制系統(tǒng)不出現(xiàn)死區(qū)和飽和現(xiàn)象。當(dāng)采樣周期較小時，最大可控流量也小，相當(dāng)于分辨率提高。改善靜態(tài)特性的途徑：▲增量式數(shù)字閥的動態(tài)特性

增量式數(shù)字壓力閥的階躍特性曲線接觸控制程序控制

增量式數(shù)字閥的動態(tài)特性主要用響應(yīng)時間和超調(diào)量來衡量。與輸入信號的控制規(guī)律密切相關(guān)。信號本身有0.045s的滯后，然后等速上升，輸出壓力有一定的超調(diào)量。采用程序控制方式，使輸入信號減速上升或下降達到額定值，可減少壓力超調(diào)，縮短響應(yīng)時間。增量式數(shù)字流量對負載壓力變化的響應(yīng)

數(shù)字流量閥的動態(tài)特性除了輸出量對輸入信號的響應(yīng)時間之外，有時還要考察輸出流量隨出口壓力變化的瞬態(tài)過程。圖示是增量式數(shù)字流量閥對階躍信號的瞬態(tài)響應(yīng)曲線?？梢娺@種閥抗干擾能力和穩(wěn)定性均比較好?！@種閥的動態(tài)特性主要是響應(yīng)時間。由于閥芯的位移較難測量，可用控制電流波形的轉(zhuǎn)折點得到閥芯的切換時間。高速開關(guān)閥的動態(tài)特性

脈寬調(diào)制頻率：fp=200Hz，脈寬占空比：η=50%，閥的工作壓力：15MPa

▲對于數(shù)字閥：因為增量式數(shù)字閥對輸入信號的響應(yīng)時間與使用的驅(qū)動器及勵磁方式有關(guān)，采樣頻率對其動態(tài)特性也有較大影響；所以可采用高、低壓過激驅(qū)動和抑制電路來提高其開關(guān)速度，用程序優(yōu)化控制可得到良好的動態(tài)特性。(2)對于脈寬調(diào)制式數(shù)字閥：可采用壓電晶體或超磁致伸縮材料驅(qū)動的電機轉(zhuǎn)換器；為了使閥的開啟速度既無滯后壽命又長，在電流放大回路中可選擇性能優(yōu)良的變阻器與閥并聯(lián)，可獲得很