基于PWM控制技术的电液比例阀的研究_李光彬

文章编号:1003-0794(2006)11-0114-03

基于PWM 控制技术的电液比例阀的研究

李光彬,张雪梅,赵 光,刘志海(山东科技大学,山东青岛266510)

摘要:介绍了基于PW M(Pulse Width Modulation)技术控制的电液比例阀的特点和原理。分析了占空比D 与平均电流I 之间的关系,并对一基于PW M 控制的电液比例阀的流量特性曲线进

行了分析。提出了通过改进PW M 技术以改善液压控制系统的动态性能,提高控制精度的一般方法。

关键词:电液比例阀;PW M 控制;占空比;平均电流中图号:TH137152文献标志码:A

Research of Electronic -hydraulic Proportional Valve Based on

PW M Control Technology

LI Guang -bin ,ZHANG Xue -mei ,ZHAO Guang ,LIU Zhi -hai (Shandong Universi ty of Science and Technology ,Qi ngdao 266510,China)

Abstract :The characteristic and principle of electronic-hydraulic proportional valve based on PW M (Pulse Width Modulation)control technology is introduced.The relations between duty ratio (D )and average current (I )is discussed,and it analyzes the flow characteristic curve of electronic-hydraulic proportional valve based on PW M(Pulse Width Modulation)control technology.In order to improve the dynamic characteristic and pre -cision of hydraulic control system,it puts for ward the common method by developing PW M technology.Key words :electronic-hydraulic proportional valve;PW M control;duty ratio,average current 0 引言

电液比例阀是在传统的液压阀基础上采用廉价而可靠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。在工程技术中一般机构只需对力、位移和速度等参量进行控制,而动态性能要求不高,电液比例阀的动态性能虽比伺服阀低,但已能满足普通机械的要求,由于这种阀具有可靠、节能、廉价、抗污染能力强等优点,因此是理想的电液控制元件。

电液比例控制的核心是控制电液比例阀的电流。模拟式控制功率输出极到比例阀线圈的电流是连续电流,电子功率器件功耗大,需加装散热装置。而PWM 控制功率输出极为开关型结构,功耗小,PW M 信号中包含了同频率的脉动量,无需另加颤振信号,抗干扰、抗污染能力强,滞后时间短、重复精度高。由于采用数控形式,与计算机或微机的连接方便,可实现程序控制。

1 电液比例阀的结构控制器特点

比例阀的结构简图如图1所示,是一个三通阀。2个比例电磁铁分别控制阀芯2个方向的运动,两端分别有对中复位弹簧。在有些使用场合时也可当二通阀用作阀口,并对称地分为2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 该系统也可以仅作为普通电子秤使用,由一个子程序来完成,这个功能主要用在特殊情况或校秤时使用。

信息处理的结果通过单片机上设置的微型打印机进行打印报表。如果条件允许,数据处理也可以与上位机(PC 机)通讯,实行高级管理。3 结语

为了减轻劳动强度和适应大规模生产,材料和产品的自动化管理是必要的,各种各样的输送机为此提供了必要的条件。而微机的广泛应用,对产品的管理能达到非常好的效果,它准确、可靠,是不可缺少的环节。本系统的设计就是在此基础上进行考虑的。

参考文献:

[1]张国雄,金篆芷.测控电路[M ].北京:机械工业出版社,2004.[2]刘冲,齐玫.煤矿用微机电子轨道衡研制[J].煤炭科学技术,2000

(1):14-16.

[3]常晓萍.燃料煤运输线的PLC 控制系统设计[J].煤矿机械,2004,25(4):15-17.

作者简介:王桂娟(1955-),女,河北丰润人,1982年毕业于重庆建筑工程学院工企自动化专业,河北建材职业技术学院财经管理系主任、副教授,现从事电气自动化及电工、电子教学工作,Tel:0335-*******,E-mail:wguijuan328@.

收稿日期:2006-06-11

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114#第27卷第11期

2006年 11月

煤 矿 机 械Coal Mine Machinery

Vol 127No 111Nov 12006

大小产生相应的电磁力,

从而能按比例进行控制。

图1 比例阀的结构简图

Fig .1 Structure diagram o f proportional valve

1、51比例电磁铁 21阀体 31阀芯 41弹簧

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等。

采用先进可控的PW M 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,具有功率低、节能、不需附加散热片特点,可提高功放输出开关电压U ,加快电流上升的时间,使输出响应时间加快,并提高抗干扰能力,另一方面,功放输出开关电压U 加在比例电磁铁线圈上,由于线圈上的电感作用使其上电流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,减少电磁铁的磁滞和死区现象,提高电磁铁芯对电流响应的灵敏度。在比例电磁铁和阀的结构确定后,颤振作用的效果几乎取决于电流波动的频率和幅值,频率较低和幅值较大时,效果明显,但频率太低,幅值过大时,又会引起振动,使系统不稳。通常将方波的频率选取在电磁铁芯无阻尼自然频率的1.2~2倍范围,现场可根据实际情况进行调整。

2 电液比例阀线圈的电流模型

加到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PW M 信号的平均值。阀芯工作时处于微振动状态,这大大地减小了比例滞环。PW M 电路基本的形式是比例阀等效线圈加等效电阻,并联续流二极管,经大功率三极管加到电源。PWM 信号控制开关管的导通与截止。

占空比

D =T h /T

式中 T h )))三极管导通时间;

T )))PWM 周期,T =T h +T L ; T L )))三极管关断时间。

如图2所示为PWM

电路的基本形式。

图2 PWM 电路的基本形式

Fig .2 Elementary form of PWM circuit

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稳定的平均值;在时间常数L /R L 一定时,稳定电流平均值I 及电流波动值d I 取决于占空比D 和周期T 。在高速运动中,为了使线圈的能量迅速释放掉,可以在线圈上串联一个电阻R s ,则时间常数S =L /(R L +R s )。电流满足

L R L d I d t +i =U

R L

当开关管导通时,电流的稳态分量为U R L ,暂态分量

为(I -d I -U /R L ),电流

i (t )=U /R L +(I -d I -U P R L )e

-(t -kT )P S

(kT

当开关截止时,电流的稳态分量为0,暂态分量为I +d I ,电流

i (t )=(I +d I )e

-[t -(k +D )T ]/S

((k +D )T [t <(k +1)T k =0,1,2,3,)式中

S )))比例阀电气时间参数,S =L P R L ;R L )))比例阀线圈等效电阻;

L )))比例阀线圈电感量。

t =kT +T h 和t =(k +1)T (k =0,1,2,)时刻的电流值分别为

I +d I =U P R L +(I -d I -U P R L )e -D T P S

I -d I =(I +d I )e -T (1-D )P S

解得

I =U 2R L (1-e -TD P S )[1+e -T (1-D )P S

]1-e

-T P S

图3 占空比与电流之间的关系

Fig .3 Relations between duty ratio and current

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 =128,图4给出了D 、I 的仿真关系曲线。可以看出,T 与S 的比值越小,I 与D 的关系越接近直线。当T 与S 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,S 的大小可以通过在线圈上串联电阻来改变。3 基于PWM 控制的电液比例阀的流量特性曲线

图5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

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115# 第27卷第11期 基于PW M 控制技术的电液比例阀的研究)))李光彬,等 Vol 127No 111