新型高速數(shù)字開關閥為導閥的多路換向閥

數(shù)字式多路換向閥采用高速數(shù)字開關閥取代比例減壓閥作為先導級，控制多路換向閥主閥心的位移，主閥控制口可獲得與主閥心位移成比例的輸出流量，從而實現(xiàn)對工作裝置運動速度及方向的控制。利用數(shù)字式多路換向閥可以構(gòu)成高可靠性，適用于工程機械的數(shù)字電液比例控制系統(tǒng)，成為計算機應用于液壓系統(tǒng)的最佳組成形式之一，而且價格只是傳統(tǒng)電液比例控制系統(tǒng)的1/10～1/5，因此，該種控制系統(tǒng)在實際工程中將會得到越來越廣泛的應用。

1．數(shù)字式多路換向閥的工作原理

數(shù)字式多路換向閥采用高速數(shù)字開關閥作為先導級。高速數(shù)字開關閥與傳統(tǒng)伺服閥和比例悶的連續(xù)控制方式有著本質(zhì)的區(qū)別，比例閥和伺服閥是連續(xù)輸出、輸入與電流成比例的流量，而高速數(shù)字開關閥輸出的不是連續(xù)量，而是采用脈寬調(diào)制信號( PWM)控制。電控單元輸入系列脈沖電壓閥在工作過程中總是不停地開關動作，輸出系列脈沖流量。如果調(diào)節(jié)脈寬占空比，輸出脈沖流量的大小可以控制，可以得到與占空比成比例的脈沖流量。該脈沖流量作為先導閥的控制量，輸入主閥心的左、右控制容腔，經(jīng)過控制容腔的積分過程使主閥心產(chǎn)生成比例的位移，主閥出口就獲得了與先導閥輸入占空比成比例的流量。高速開關輸入、輸出及工作方式都與比例閥有本質(zhì)的區(qū)別，由于脈寬調(diào)制(PWM）信號可直接由計算機輸出，因此高速開關閥能夠直接以數(shù)字的方式進行控制，不必經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換。計算機可以根據(jù)控制要求發(fā)出的脈寬調(diào)制信號，控制電機械轉(zhuǎn)換器電磁鐵動作，從而帶動高速開關閥開或關，以控制液壓缸液流的流量大小和流向。數(shù)字式多路換向閥簡化模型如圖28所示。

2. 高速數(shù)字開關閥的PWM控制

理想高速開關閥只有“開”與“關”兩個狀態(tài)，脈沖調(diào)制式數(shù)字開關閥無任何開啟與關閉延時，流量的變化都在瞬間完成(見圖29)。

當閥口打開時，流量為最大流量，即

式中：C_d，0為數(shù)字閥流量系數(shù)；A₀為數(shù)字閥過流面積；ΔP₀為數(shù)字閥進出口油壓壓差；ρ為油液密度。

當閥口關閉時，流量為零，所以開關閥控制的流量是非連續(xù)的。流量只有兩種狀態(tài)：或最大，或為零。在PWM控制方式中，載波周期T不變，通過改變導通脈寬T_p來改變占空比τ=T_p/T，則在一個載波周期內(nèi)的平均流量為

qv=qvT_p/T=qvτ

從閥的靜特性方程不難看出，數(shù)字閥的負載流量不僅與閥的面積梯度最大開口量成正比，而且與電磁鐵通斷電占空比的大小有關，因此在壓力恒定的情況下，可以通過改變占空比來控制閥的平均流量，即供油壓力p_s一定時，qv與τ呈線性關系。

這樣給出一個通電脈沖，數(shù)字閥就會通過一定體積的油，對應的主閥閥心位移為血。如果給出一系列脈沖，每次通電時間為t_w，周期為T，控制腔有效截面積為A_k，則每次的通油體積為

ΔV=t_wq_v,hτ

多路閥主閥心每一脈沖周期內(nèi)走過的位移為

Δx=ΔV/A_k=t_wqv,hτ/A_k

每一脈沖周期內(nèi)主閥通過的流量為

式中；Cd，Z為多路閥主閥流量系數(shù)；△p_z為多路閥主閥進出口油壓壓差。

數(shù)字多路換向閥的流量q_V,z與脈寬占空比τ成正比，脈寬占空比τ越大，通過高速開關閥進人多路閥主閥控制腔的平均流量越大，通過主閥的流量也越大。實際上，脈寬調(diào)制式數(shù)字開關閥存在開啟/關閉延時，流量從零到最大也需要時間。高速開關閥的實際特性如圖30所示。

設閥的開啟延時為D₀，關閉延時為D_c。當通電脈沖寬度t_w＜D₀時，閥不能打開，其通油時間tp=0，多路閥主閥閥心的位移為零，即為控制的死區(qū)。死區(qū)范圍為O≤t_w≤D₀，減小D₀可以減小死區(qū)范圍；當t_w＞T₀-D_c時，閥在本周期內(nèi)還未關閉，下一個通電脈沖又到，故在T₀-D_c到T₀段，主閥閥心開度一直最大，并不隨t_w的變化而變化，這是開關閥控制速度的飽和區(qū)，減小D_c可以減小飽和區(qū)。多路閥主閥流量特性如圖31所示。

脈沖調(diào)制式數(shù)字開關閥的線性脈寬范圍為

D₀≤t_w≤T₀-D_c

對數(shù)字開關閥的優(yōu)化設計，減小開啟延時D₀和關閉延時D_c，可以改善多路閥流量特性，使多路閥主閥出口更好地獲得與先導閥輸入占空比成線性比例的流量，得到更高精度的控制數(shù)字多路閥系統(tǒng)。

2．技術(shù)特點

采用數(shù)字高速開關閥作為多路閥的先導閥，由計算機直接控制，同時保留多路閥的操作手柄，在自動控制部分出問題時可以實現(xiàn)手動操作。經(jīng)改造的數(shù)字式多路閥工作可靠、維修方便、成本低、易于實現(xiàn)自動化，是一種很有發(fā)展前途的多路閥。而用PWM控制高速數(shù)字閥，進而控制多路閥閥心，不僅具有計算機控制的各項優(yōu)點，還大大減少了系統(tǒng)設計的工作量，不存在各接口信號的匹配問題，提高了系統(tǒng)的可靠性，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。