REXROTH,力士樂(lè)比例閥,，REXROTH電磁閥,，力士樂(lè)電磁閥
比例控制閥主要用於開(kāi)回路控制（open loop control）;比例控制閥的輸出量與輸入信號(hào)成比例關(guān)系,且比例控制閥內(nèi)電磁線圈所產(chǎn)生的磁力大小與電流成正比.
在傳統(tǒng)型式的液壓控制閥中,只能對(duì)液壓進(jìn)行定值控制,例如:壓力閥在某個(gè)設(shè)定壓力下作動(dòng),流量閥保持通過(guò)所設(shè)定的流量,方向閥對(duì)於液流方向通/斷的切換.因此這些控制閥組成的系統(tǒng)功能都受到些限制,隨著技術(shù)的進(jìn)步,許多液壓系統(tǒng)要求流量和壓力能連續(xù)或按比例地隨控制閥輸入信號(hào)的改變而變化.液壓伺服系統(tǒng)雖能滿足其要求,而且精度很高,但對(duì)於大部分的工業(yè)來(lái)說(shuō),他們并不要求系統(tǒng)有如此高的,而希望在保證定控制的條件下,同時(shí)價(jià)格低廉,工作可靠,維護(hù)簡(jiǎn)單,所以比例控制閥就是在這種背景下發(fā)展起來(lái)的.
比例控制閥可分為壓力控制閥,流量控制及方向控制閥三類(lèi).
壓力控制閥:用比例電磁閥取代引導(dǎo)式溢流閥的手調(diào)裝置便成為引導(dǎo)式比例溢流閥,其輸出的液壓壓力由輸入信號(hào)連續(xù)或按比例控制.
流量控制閥:用比例電磁閥取代節(jié)流閥或調(diào)速閥的手調(diào)裝置而以輸入信號(hào)控制節(jié)流閥或調(diào)速閥之節(jié)流口開(kāi)度,可連續(xù)或按比例地控制其輸出流量.故節(jié)流口的開(kāi)度便可由輸入信號(hào)的電壓大小決定.
方向控制閥:比例電磁閥取代方向閥的般電磁閥構(gòu)成直動(dòng)式比例方向閥,其滑軸不但可以換位,而且換位的行程可以連續(xù)或按比例地變化,因而連通油口間的通油面積也可以連續(xù)或按比例地變化,所以比例方向控制閥不但能控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方向外,還能控制其速度.
為了滿足車(chē)輛對(duì)比例閥驅(qū)動(dòng)電路可靠、節(jié)能及體積小等方面的要求,，在分析了比例同工作原理及傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的缺陷的基礎(chǔ)上,，提出了在車(chē)輛上應(yīng)用PWM驅(qū)動(dòng)技術(shù)必要性;并針時(shí)該驅(qū)動(dòng)方式開(kāi)環(huán)控制精度低的缺點(diǎn)引入了電流反情閉環(huán)控制技術(shù);zui后，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的性.
隨著社會(huì)的發(fā)展,，人類(lèi)對(duì)汽車(chē)的和環(huán)保提出了更高的要求,，傳統(tǒng)的機(jī)械裝置已經(jīng)無(wú)法滿足某些汽車(chē)功能的有關(guān)要求，因而將逐步被現(xiàn)代汽車(chē)電子控制技術(shù)所取代.由于液壓系統(tǒng)能夠在盡可能小的空間內(nèi)傳遞出盡可能大的功率并能加以控制,，目前在汽車(chē)的各個(gè)系統(tǒng)中依然競(jìng)相采用微電子與液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)合的電液比例控制裝置.電液比例控制技術(shù)的進(jìn)步使車(chē)輛變速,、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等各種系統(tǒng)的電子控制成為現(xiàn)實(shí),，它的應(yīng)用顯著提高了汽車(chē)的動(dòng)力性,、經(jīng)濟(jì)性和安全性，改善行駛的穩(wěn)定性和舒適性.
比例閥工作原理
電液比例控制裝置的核心元件電液比例閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、控制精度高,、安裝使用靈活以及抗污染能力強(qiáng)等多方面優(yōu)點(diǎn).目前在車(chē)輛上取得廣泛應(yīng)用的是比例壓力閥，如在電子控制式自動(dòng)變速器（ECT）,，電子式輔助液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）及制動(dòng)防抱死系（ABs）等總成中都有個(gè)或幾個(gè)比例壓力閥來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力平滑地控制.下面以個(gè)典型的ECT的比例溢流閥為例分析比例壓力閥的工作原理.根據(jù)閥口流量公式,、閥芯受力平衡公式及流量連續(xù)公式可以建立該溢流閥的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，設(shè)該溢流閥接恒流源,，即q,，設(shè)為定值（25U而n），給定電流的變化函數(shù);利用InaUab編寫(xiě)M函數(shù)對(duì)該模型進(jìn)行數(shù)值仿真,，可以得到壓力凡隨電流1變化的關(guān)系,，如圖2所示.利用求得的這些數(shù)值解進(jìn)行zui小二乘曲線擬合，可以得到壓力凡隨電流1變化的函數(shù)凡二f（i）.
傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)
比例閥驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行處理和放大,，驅(qū)動(dòng)銜鐵輸出推力,，因此，該系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)液壓系統(tǒng)的.大多數(shù)比例閥的提供與其產(chǎn)品配套的功率放大器,，這種的功率放大器的原理圖如圖3所示.該電路由顫振信號(hào)發(fā)生電路,、控制信號(hào)疊加電路及U/I轉(zhuǎn)換電路三部分組成.顫振電路是為了減小磁滯及庫(kù)侖摩擦引起的死區(qū)和滯環(huán),，提高比例閥對(duì)電流響應(yīng)的靈敏度，顫振信號(hào)的頻率為彈簧系統(tǒng)無(wú)阻尼自然頻率的2倍,，般為2030HZ,，常用的顫振信號(hào)為正弦波或三角波，振幅約為額定控制信號(hào)的10%20%.控制信號(hào)電壓與顫振信號(hào)電壓通過(guò)反相加法運(yùn)算電路進(jìn)行疊加,，為滿足相位的要求,，其后又增加反相器.zui后的U/I轉(zhuǎn)換電路將輸人的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為比例閥線圈的控制電流輸出.
該功率放大器的功放三極管工作于線性放大區(qū)，其集電結(jié)發(fā)熱量較大,，并且電阻Rll與比例閥線圈通過(guò)的電流幾乎相同,，所以Rll的功率高達(dá)10w，因此三極管和電阻Rll容易燒壞,，而兩個(gè)器件過(guò)高的溫度對(duì)其旁邊的運(yùn)算放大器的工作也有影響.另外,，由于計(jì)算機(jī)無(wú)法與比例電磁鐵直接接口，要產(chǎn)生具有定精度的控制信號(hào),，必須要使用D/A轉(zhuǎn)換器.
PWM比例閥驅(qū)動(dòng)技術(shù)
傳統(tǒng)的比例閥驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、占用的空間尺寸大、成本很高,、控制精度低,、可靠性差.而車(chē)輛上的比例閥驅(qū)動(dòng)電路力求簡(jiǎn)單、可靠和節(jié)能,，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路顯然不能夠滿足要求.而PWM驅(qū)動(dòng)技術(shù)能簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路,、提高工作的可靠性，更適合應(yīng)用于車(chē)輛等移動(dòng)機(jī)械系統(tǒng).
PWM驅(qū)動(dòng)技術(shù)電路原理如下:微處理器產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)快速控制串聯(lián)在電源與比例閥線圈間的復(fù)合晶體管的通斷,，電壓以方波的形式加在比例閥線圈的兩端，其平均電壓由占空比決定,，由于線圈的電感作用,，使通過(guò)電流變?yōu)榀B加小幅度交流信號(hào)的直流信號(hào)，該小幅度的交流信號(hào)起到了顫振作用,，因此可省去專(zhuān)門(mén)的顫振電路,，線圈兩端的電壓及通過(guò)電流的波形如圖4所示.這種驅(qū)動(dòng)技術(shù)要求的電子元件較少，而且無(wú)需D/A轉(zhuǎn)換器,，可與計(jì)算機(jī)直接接口,，工作可靠性高;復(fù)合晶體管處于飽和或截狀態(tài)，這種驅(qū)動(dòng)電路具有功耗低,、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn),，并且發(fā)熱量也比較少.
電流反饋閉環(huán)控制技術(shù)
采用PWM驅(qū)動(dòng)電路時(shí)比例閥線圈的平均過(guò)通電流不但與PWM信號(hào)的占空比有關(guān)，還與銜鐵的位置和負(fù)載有關(guān),，換句話說(shuō),，線圈過(guò)通電流與占空比不呈現(xiàn)嚴(yán)格的比例關(guān)系.因此PWM驅(qū)動(dòng)電路雖然在可靠性及節(jié)能方面能夠滿足車(chē)輛的使用要求,，但其開(kāi)環(huán)控制精度較低，在許多需要控制的場(chǎng)合不能滿足應(yīng)用要求.采用閉環(huán)控制無(wú)疑可以提高控制精度,，如利用比例溢流閥控制系統(tǒng)壓力時(shí),，我們希望利用壓力傳感器檢測(cè)到的實(shí)際壓力，并利用該信號(hào)與目標(biāo)壓力的偏差來(lái)調(diào)節(jié)占空比,，從而控制比例閥實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié).然而,，利用傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的壓力在車(chē)輛系統(tǒng)中是非常困難的，甚有時(shí)是不可能實(shí)現(xiàn)的,，并且個(gè)響應(yīng)快速,、分辨率高的傳感器十分昂貴個(gè)可行的替代方案是利用壓力與比例閥線圈過(guò)通電流的比例關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)比例閥線圈的實(shí)際過(guò)通電流,，然后利用函數(shù)凡=f（i）轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的實(shí)際壓力值,，利用實(shí)際壓力與目標(biāo)壓力的偏差值來(lái)調(diào)節(jié)占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié).
zui的檢測(cè)過(guò)通電流的方法是比例閥線圈,、電源和開(kāi)關(guān)管之間串聯(lián)個(gè)阻抗性分流器,，通過(guò)檢測(cè)分流器兩端的電壓計(jì)算出通過(guò)線圈的電流.根據(jù)分流器串聯(lián)在電路中位置的不同檢測(cè)電路有兩種形式:低端電流檢測(cè)（如圖6.a所示）及電流檢測(cè).
前者的電流檢測(cè)部分的放大器可以是個(gè)普通運(yùn)算放大器，放大器成本較低;但該電路不能檢測(cè)感應(yīng)電流,，只能提供個(gè)不十分的平均電流值;由于開(kāi)關(guān)管工作于高電壓端,，這時(shí)需要的變換電路將計(jì)算機(jī)的輸出邏輯電平轉(zhuǎn)換為能夠驅(qū)動(dòng)復(fù)合晶體管的控制邏輯電壓，這使得電路的造價(jià)升高并且降低了可靠性;由于短路電流不通過(guò)分流器,，必須另外設(shè)計(jì)的短路檢測(cè)電路,，因?yàn)槿绻搪非闆r不被發(fā)現(xiàn)，會(huì)造成線圈繞組和復(fù)合晶體管的損壞.后者的電流檢測(cè)部分的放大器由于工作于高壓端,，所以必須選用高共扼抑制比的差分運(yùn)算放大器,，價(jià)格要比普通運(yùn)算放大器稍高;但該電路可以檢測(cè)感應(yīng)電流，提供個(gè)更加準(zhǔn)確的平均電流;開(kāi)關(guān)管工作于地端,，計(jì)算機(jī)輸出的邏輯電平可以直接驅(qū)動(dòng)復(fù)合晶體管;個(gè)更重要的好處是由于短路電流要通過(guò)分流器,，該電路可以同時(shí)起到檢測(cè)短路的作用.綜合考慮，電流檢測(cè)電路簡(jiǎn)單,、經(jīng)濟(jì),、可靠性更高，因此更適合于在車(chē)輛這種移動(dòng)機(jī)械上使用.
為了驗(yàn)證電流反饋閉環(huán)控制的性,，分別在開(kāi)環(huán)控制時(shí)和采用電流反饋閉環(huán)控制時(shí)（采用電流檢測(cè)電路和傳統(tǒng)的PID控制算法）對(duì)比例溢流閥做了人口壓力階躍響應(yīng)試驗(yàn),，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖7所示，試驗(yàn)結(jié)果表明,，采用閉環(huán)控制時(shí)系統(tǒng)壓力無(wú)論是調(diào)節(jié)時(shí)間還是穩(wěn)態(tài)誤差都比開(kāi)環(huán)控制時(shí)顯著減少.
結(jié)束語(yǔ)
在分析比例閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理基礎(chǔ)上,，針對(duì)傳統(tǒng)的比例閥驅(qū)動(dòng)電路的不足和缺點(diǎn)，引人了PWM比例閥驅(qū)動(dòng)電路,，該電路更加簡(jiǎn)單,、經(jīng)濟(jì),、可靠性更高、占用空間尺寸更小,，因此更能滿足車(chē)輛對(duì)電控系統(tǒng)簡(jiǎn)單,、可靠和節(jié)能的要求.
提高控制精度提出電流反饋閉環(huán)控制技術(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該控制技術(shù),，具有電路簡(jiǎn)單,，可靠性好，響應(yīng)快速,，穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn),，能達(dá)到滿意的控制效果，非常適合應(yīng)用于車(chē)輛等移動(dòng)機(jī)械上