基于PWM控制技术的电液比例阀特性的研究

基于PWM控制技术的电液比例阀特性的研究

李光彬，张雪梅，赵光

摘要：介绍基于PWM（Pulse Width Modulation）控制技术的电液比例阀的特点和原理。提出了通过改进PWM技术提高控制精度的一般方法。

关键词：电液比例阀；PWM技术；控制精度

中图分类号：TH137.52 文献标识码：B

电液比例阀可以采用性价比高的螺管式比例电磁铁进行控制，构成比例溢流阀、比例流量阀、比例方向阀等。在一般工程技术只需对力、位移、速度等参量进行控制，对动态性能要求不高，所以电液比例阀能满足要求，因此已被广泛采用。

电液比例控制的核心是控制电流。模拟式控制功率输出级到比例阀线圈的电流是连续的，功率器件功耗大，需加装散热装置。而PWM控制功率输出级为开关型结构，功耗小；PWM信号中包含了同频率的脉动量，无需另加颤振信号，抗干扰和抗污染能力强，滞后时间短，重复精度高；由于采用数控，与计算机连接方便，可实现程序控制。

一、电液比例阀的结构及控制器特点

比例阀的结构如图1所示，是一个三通阀。两个比例电磁铁分别控制阀芯的双向运动，两端分别有对中复位弹簧。它也可当二通阀用作阀口，并对称的分为两组，在轴线方向相对错开一定的距离，既保持了较高的分辨率，又获得了较大的控制流量输出。比例电磁铁能根据电流的大小产生相应的电磁力，从而能按比例进行控制。

电液比例阀控制器主要解决快速性、电磁滞环和摩擦滞环以及超调量较大的问题。而其控制作用的优势，直接影响到比例阀的工作性能和可靠性。

采用先进可控的PWM技术，在输出电路上产生可变的开关电压，使功率放大管只处于饱和导通和截止状态，所以功率低、不需加散热片，这样可提高功放输出开关电压U及缩短电流上升的时间，使输出响应加快，并提高抗干扰能力，另一方面，功放电压U加在比例电磁铁线圈上，由于线圈上的电感作用使其电流I变为小幅度充放电波动的叠加交流信号的直流电流，起到颤振作用，能够有效降低摩擦，减少磁滞和死区现象，提高电磁铁灵敏度。颤振作用的效果取决于电流波动的频率和幅值，频率低和幅值大时效果明显，但频率太低、幅值过大时又会引起系统不稳。通常将方波频率选取在电磁铁芯无阻尼自然频率的1.2~2倍范围。

二、电液比例阀线圈的电流模型

比例阀线圈的电压波形为周期一定、脉冲宽度可控的矩形波。由于脉冲周期远

小于阀芯的响应周期，所以阀芯的运动只响应PWM信号的平均值。PWM电路基本的形式如图2所示。PWM信号控制着开关管的导通与截止。

占空比

式中：t H—三级管导通时间；

t M—PWM周期，t M=t H +t L (t L为三极管关断时间）。

由图3可知，当占空比D和周期t取值比较合适时，可使比例阀电流保持在平均值。

当占空比从0到100％变化时，平均电流I可以从0变化到稳态电流U/R L。取U=24V, R L=12Ω，图4给出了D、I的仿真关系曲线。可以看出t M与t（比例阀时间参数）的比值越小，I与D的关系越接近直线。当t M与t的比值较大时，占空比只

能在某个范围内取值，平均电流I才与占空比D成近似直线关系。

占空比D的大小可通过对单片机的定时器编程来改变，t的大小可以通过在线圈上串联电阻来改变。

三、基于PWM控制的电液比例阀的流量特性曲线

图5所示为一基于PWM控制的电液比例阀的流量特性曲线，当占空比较小时，存在着流量死区，占空比较大时存在着流量饱和现象。这是因为施加给阀的控制信号是矩形电压波，对应于此电压波，阀线圈上的电流只能相对缓慢地增大，当大到

一定程度才能产生足够的电磁力来克服弹簧力，而使阀芯移动。

阀芯移动时间的滞后不仅影响液压系统的动态性能，而且降低控制精度，为了提高控制精度，必须设法消除或减少阀的时间滞后，常用的方法如下。

1．对滞后时间进行补偿。这一方法首先测定阀滞后时间。在决定占空比D时，根据滞后时间，预先加宽调制脉冲幅以抵消滞后时间的影响。

2．差动PWM控制方法。采用对时间滞后进行补偿虽然可以消除死区现象，但是阀的流量特性曲线的非线性并未得到改善。采用差动PWM控制方法后，有望使该问题得到改善。

四、结论

使用PWM控制的电液比例阀结构简单、成本低，对一般的工业可满足要求，对于精度及动态特性要求很高时可采用闭环控制解决。另外它还有可与计算机直接接口、抗污染性能强、增益特性改变灵活等优点，故有着广泛的应用前景。

参考文献：

[1]宫文斌，刘听晖，孙延伟．电液比例PWM控制方法[J]．吉林大学学报（工学版），2003，(3)；104-106.

[2]倪文波，王雪梅，李萧，陈勇等．基于PWM技术的电控比例阀研究[J]．机车电传动，2005，(3):12-15.

[3]李世伦，骆涵秀．PWM型数控电液比例微小流量阀组[J]．液压气动与密封，1995，

(4):7-9.

[4]唐露新，李定华，卢伟坚．电液比例阀控制系统分析及应用研究[J]．机械开发，1996，(4):6-9.

[5]王文辉，刘淑英，蔡胜乐等．电路与电子学[M]．电子工业出版社，2005.