基于pwm控制的電液比例閥流量特性分析

基于pwm控制的電液比例閥流量特性分析

0tm控制特點基于傳統(tǒng)的液壓閥，電液比例閥采用低價可靠的螺旋式電磁鐵，控制原有液壓閥，形成電流補償閥、流量比例閥、方向比例閥等。在工程技術(shù)中一般機構(gòu)只需對力、位移和速度等參量進行控制,而動態(tài)性能要求不高,電液比例閥的動態(tài)性能雖比伺服閥低,但已能滿足普通機械的要求,由于這種閥具有可靠、節(jié)能、廉價、抗污染能力強等優(yōu)點,因此是理想的電液控制元件。電液比例控制的核心是控制電液比例閥的電流。模擬式控制功率輸出極到比例閥線圈的電流是連續(xù)電流,電子功率器件功耗大,需加裝散熱裝置。而PWM控制功率輸出極為開關(guān)型結(jié)構(gòu),功耗小,PWM信號中包含了同頻率的脈動量,無需另加顫振信號,抗干擾、抗污染能力強,滯后時間短、重復(fù)精度高。由于采用數(shù)控形式,與計算機或微機的連接方便,可實現(xiàn)程序控制。1比例電磁鐵控制系統(tǒng)比例閥的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,是一個三通閥2個比例電磁鐵分別控制閥芯2個方向的運動,兩端分別有對中復(fù)位彈簧。在有些使用場合時也可當(dāng)二通閥用作閥口,并對稱地分為2組,在軸線方向相對錯開一定的距離,既保持了較高的分辨率,又獲得了較大的控制流量輸出。比例電磁鐵能根據(jù)電流的大小產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力,從而能按比例進行控制。電液比例閥控制器主要解決快速性,電磁滯環(huán)和摩擦滯環(huán)以及超調(diào)量較大的問題,而其控制作用的優(yōu)勢,直接影響到比例閥的工作性能和可靠性等。采用先進可控的PWM技術(shù),在輸出電路上產(chǎn)生可變的開關(guān)電壓,使功率放大管只處于飽和導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài),具有功率低、節(jié)能、不需附加散熱片特點,可提高功放輸出開關(guān)電壓U,加快電流上升的時間,使輸出響應(yīng)時間加快,并提高抗干擾能力,另一方面,功放輸出開關(guān)電壓U加在比例電磁鐵線圈上,由于線圈上的電感作用使其上電流I變?yōu)樾》瘸浞烹姴▌拥寞B加交流信號的直流電流,起到顫振作用,能夠有效降低摩擦,減少電磁鐵的磁滯和死區(qū)現(xiàn)象,提高電磁鐵芯對電流響應(yīng)的靈敏度。在比例電磁鐵和閥的結(jié)構(gòu)確定后,顫振作用的效果幾乎取決于電流波動的頻率和幅值,頻率較低和幅值較大時,效果明顯,但頻率太低,幅值過大時,又會引起振動,使系統(tǒng)不穩(wěn)。通常將方波的頻率選取在電磁鐵芯無阻尼自然頻率的1.2～2倍范圍,現(xiàn)場可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。2vm電路的工作原理加到比例閥線圈的電壓波形為周期一定、脈沖寬度可控的矩形波。由于脈沖周期遠小于閥芯的響應(yīng)周期,所以閥芯的運動只響應(yīng)PWM信號的平均值。閥芯工作時處于微振動狀態(tài),這大大地減小了比例滯環(huán)。PWM電路基本的形式是比例閥等效線圈加等效電阻,并聯(lián)續(xù)流二極管,經(jīng)大功率三極管加到電源。PWM信號控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止。占空比式中三極管導(dǎo)通時間;T———PWM周期;三極管關(guān)斷時間。如圖2所示為PWM電路的基本形式。由圖3可知,當(dāng)占空比D和周期T取值比較合適時,可使比例閥電流保持穩(wěn)定的平均值;在時間常數(shù)L/RL一定時,穩(wěn)定電流平均值I及電流波動值dI取決于占空比D和周期T。在高速運動中,為了使線圈的能量迅速釋放掉,可以在線圈上串聯(lián)一個電阻Rs,則時間常數(shù)τ=L/(RL+Rs)。電流滿足當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時,電流的穩(wěn)態(tài)分量為暫態(tài)分量為電流當(dāng)開關(guān)截止時,電流的穩(wěn)態(tài)分量為0,暫態(tài)分量為I+dI,電流式中τ———比例閥電氣時間參數(shù);t=kT+Th和t=(k+1)T(k=0,1,2…)時刻的電流值分別為解得當(dāng)占空比從0到100%變化時,平均電流I可以從0變化到穩(wěn)態(tài)電流U/RL。取U=24V,RL=12Ψ,圖4給出了D、I的仿真關(guān)系曲線?？梢钥闯?T與τ的比值越小,I與D的關(guān)系越接近直線。當(dāng)T與τ的比值較大時,占空比只能在某個范圍內(nèi)取值,平均電流I才與占空比D成近似直線關(guān)系。占空比D的大小可通過對單片機的定時器編程來改變,τ的大小可以通過在線圈上串聯(lián)電阻來改變。3消除或減少閥的時間滯后圖5為一基于PWM控制的電液比例閥的流量特性曲線,當(dāng)占空比較小時,存在著流量死區(qū),占空比較大時存在著流量飽和現(xiàn)象。這是因為施加給閥的控制信號是一系列矩形電壓波,對應(yīng)于此電壓波,在閥的線圈上產(chǎn)生的電流只能相對緩慢地增大,而且電流增大到一定的程度才能產(chǎn)生足夠的電磁力來克服彈簧力,而使閥芯移動。閥芯移動時間的滯后不僅影響了液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能,而且降低了控制精度,為了改善液壓控制系統(tǒng)的性能和提高控制精度,必須設(shè)法消除或減少閥的時間滯后。常用的方法有:(1)對滯后時間進行補償。這一方法首先測定液壓系統(tǒng)中閥的實際滯后時間,在決定調(diào)制率D時,根據(jù)有關(guān)控制理論對這一滯后時間加以考慮,預(yù)先給調(diào)制中的脈沖幅以某種程度的加寬來抵消滯后時間的影響;(2)差動PWM控