汽車液壓控制系統(tǒng) 課件 第五章 電液比例控制閥

一、直動式比例溢流閥直動式比例溢流閥的工作原理及結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。這是一種帶位置電反饋的雙彈簧結(jié)構(gòu)的直動式溢流閥。它于手調(diào)式直動溢流閥的功能完全一樣。其主要區(qū)別是用比例電磁鐵取代了手動彈簧力調(diào)節(jié)組件。如圖5-1a)所示,直動式比例溢流閥主要包括閥體6,位移傳感器1、比例電磁鐵2、閥座7、閥芯5及調(diào)壓彈簧4等主要零件。當(dāng)電信號輸入時,電磁鐵產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力,通過彈簧座3加在調(diào)壓彈簧4和閥芯上,并對彈簧預(yù)壓縮。此預(yù)壓縮量決定了溢流壓力。而壓縮量正比輸入電信號,所以溢流壓力也正比于輸入電信號,實(shí)現(xiàn)對壓力的比例控制。彈簧座的實(shí)際位置由差動變壓器式位移傳感器1檢測,實(shí)際值被反饋到輸入端與輸入值進(jìn)行比較,當(dāng)出現(xiàn)誤差就由電控制器產(chǎn)生信號加以糾正。由圖5-1b)所示的結(jié)構(gòu)框圖可見,利用這種原理,可排除電磁鐵摩擦的影響,從而較少遲滯和提高重復(fù)精度等,這些因素會影響調(diào)壓精度。顯然這是一種屬于間接檢測的反饋方式。普通溢流閥可以靠不同剛度的調(diào)壓彈簧來改變壓力等級,而比例溢流閥卻不能。由于比例電磁鐵的推力是一定的,所以不同的等級要靠改變閥座的孔徑來獲得。不同壓力等級的閥,其允許的最大溢流量也不相同。根據(jù)壓力等級不同,最大過流量為2~10L/min。閥的最大設(shè)定壓力就是閥的額定工作壓力,而設(shè)定最低壓力與溢流量有關(guān)。這種直動式的溢流閥除在小流量場合下單獨(dú)作用,作為調(diào)節(jié)元件外,更多的是作為先導(dǎo)式溢流閥或減壓閥的先導(dǎo)閥用。另外,位于閥底部的調(diào)節(jié)螺釘8,可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)溢流閥的工作零位。二、先導(dǎo)式比例溢流閥1.結(jié)構(gòu)及工作原理圖5-2所示為一種先導(dǎo)式比例溢流閥的結(jié)構(gòu)圖1-先導(dǎo)油流道;2-主閥彈簧;3、4、5;節(jié)流口;6-先導(dǎo)閥;7-外泄口;8-先導(dǎo)閥芯;9-比例電磁鐵;10-限壓閥;11-主閥;12-主閥芯;13-內(nèi)部先導(dǎo)油口螺堵;A-進(jìn)油口;B-出油口;X-外部先導(dǎo)油口;Y-外部先導(dǎo)卸油口從圖5-3所示的原理框架圖可以看出。閥座孔的面積A

用來檢測主閥芯上腔的壓力p,當(dāng)pA

的積大于電磁力Fm

時,導(dǎo)閥開啟,進(jìn)而主閥開啟,間接控制主壓力pA,顯然px

屬于中間變量,這種溢流閥的檢測方式屬于間接檢測方式。從圖5-3中可見,主閥在小閉環(huán)之外,主閥中的各種干擾量,例如摩擦、液動力等都得不到抑制,比例電磁鐵也在閉環(huán)之外。所以其壓力偏差和超調(diào)量都較大,常達(dá)15%以上。改進(jìn)辦法可以采用直接檢測方式。2.比例溢流閥的主要性能參數(shù)(1)靜態(tài)特性。比例溢流閥的靜態(tài)特性主要由三條特性曲線來表示圖5-4:①設(shè)定壓力pA與輸入電流I之間的關(guān)系曲線,稱為控制特性曲線;②最低設(shè)定壓力與流量關(guān)系曲線;③溢流閥的前后壓差與流量的關(guān)系曲線。(2)動態(tài)特性。比例溢流閥的動態(tài)特性一般用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)曲線來表示(圖5-5)。從階躍響應(yīng)曲線可以找到滯后時間,響應(yīng)時間

及超調(diào)量

(圖5-5a)。頻率特性曲線可以找出最高工作頻率或頻寬。三、直接檢測式比例溢流閥1.工作原理直接檢測式比例壓力閥與間接檢測式比例壓力閥的最大區(qū)別是用受控壓力pA(對溢流閥是進(jìn)口壓力,對減壓閥是出口壓力)的直接反饋,代替原來的間接控制壓力

的反饋。使電磁力Fm

直接與反饋力

進(jìn)行比較,來決定先導(dǎo)閥閥芯的位移及開度。在結(jié)構(gòu)上的不同是先導(dǎo)閥從原來的錐閥變?yōu)椴顒踊y。圖5-6所示是直接檢測式比例溢流閥的工作原理簡圖。先導(dǎo)閥閥芯的力平衡方程為2.動態(tài)工作過程分析比例閥的各種參數(shù),都能由于工作循環(huán)的需要或負(fù)載的變化而產(chǎn)生急劇的變化。此時,閥的功率級的位置將會對可能的階躍輸入信號或脈沖干擾作出響應(yīng)而產(chǎn)生一個加速度和速度。由此而產(chǎn)生主閥流量

。如果缺乏動態(tài)阻尼作用,容易引起主閥和先導(dǎo)閥的振蕩,使動態(tài)特性變壞。為了提高動態(tài)特性,這種直接檢測式比例閥中加上了液阻R2,起動態(tài)壓力反饋的作用。其動態(tài)反饋過程如下:當(dāng)干擾力使主閥芯運(yùn)動時,將產(chǎn)生一個附加的控制流流量,此附加的流量流過R2,于是產(chǎn)生壓降,使,滑閥兩端壓力不等,產(chǎn)生附加的動態(tài)調(diào)整力

。這是一種負(fù)反饋,且只在動態(tài)下才會出現(xiàn),所以它有利于系統(tǒng)迅速達(dá)到穩(wěn)定,改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性和抗干擾能力。且由于滑閥端面對動態(tài)反饋液阻R2

的壓差有放大作用,調(diào)整液阻尺寸,可方便地調(diào)整閥的性能指標(biāo)。當(dāng)改變閥的控制壓力等級時,要靠改變反饋推桿的面積a0來獲得。因此,當(dāng)要獲得高壓力等級時,a0就要很小,這增加了制造的困難,工藝性較差。四、先導(dǎo)式比例減壓閥1.工作原理先導(dǎo)式減壓閥與先導(dǎo)式溢流閥的工作原理基本相同。它們的先導(dǎo)級完全一樣,不同的只是主閥級。溢流閥采用常閉式滑閥,而減壓閥釆用常開式滑閥。圖5-7所示是先導(dǎo)式比例減壓閥的工作原理簡圖。圖5-8所示是帶限壓閥的先導(dǎo)式比例減壓閥的一種實(shí)際結(jié)構(gòu)2.帶壓力補(bǔ)償流量控制器的比例減壓閥帶壓力補(bǔ)償流量穩(wěn)定器的減壓閥如圖5-9所示。1-節(jié)流口;2-A有口的過濾保護(hù)閥;3-液阻;4-先導(dǎo)油流道;5-壓力補(bǔ)償流量控制器;6-先導(dǎo)閥;7-先導(dǎo)閥芯;8-比例電磁鐵;9-主閥芯組件;10-主閥;11-止回閥3.比例減壓閥的靜態(tài)特性曲線(1)流量與輸出壓力關(guān)系曲線(圖5-10a),它反映流量對輸出壓力的影響,反映了調(diào)壓偏差值。由曲線可見,減壓閥的穩(wěn)壓性能較溢流閥好。通常表示減壓閥靜特性的曲線有四種,下面分別介紹(圖5-10):(2)輸入電流與輸出壓力關(guān)系曲線(圖5-10b),它是一條重要的性能曲線。它表示了減壓閥的遲滯、死區(qū)、線性度等特性。由圖屮可見,控制范圍中約有200mA的死區(qū)電流,為消除死區(qū)的影響,需要200mA的先導(dǎo)電流。又由圖可見,控制信號中疊加存顫振電流時,其遲滯要比無顫振電流時小得多。(3)最低設(shè)定壓力與流量的關(guān)系曲線(圖5-10c),由圖可見,系統(tǒng)的最低設(shè)定壓力隨流量的增大而下降。為了得到最低設(shè)定壓力,先導(dǎo)電流不得大于100mA。(4)輸入壓力與輸出壓力的關(guān)系曲線(圖5-10d),圖中表示輸入壓力增加時、輸出壓力稍有下降。通常可以忽略輸入壓力對輸出壓力的影響。五、三通比例減壓閥1.三通比例減壓閥的工作原理用二通式減壓閥控制壓力上升時其響應(yīng)是足夠快的。但是,用它控制壓力下降時,由于結(jié)構(gòu)上的原因,二次壓力油只能經(jīng)細(xì)小的控制流道從先導(dǎo)閥處流回油箱,這使響應(yīng)很慢。為了克服這個缺點(diǎn),發(fā)展了三通減壓閥。壓力下降時,壓力油直接回油箱,使降壓響應(yīng)與升壓響應(yīng)一樣快速。圖5-11所示為一個三通比例減壓閥的工作原理簡圖2.雙向三通比例減壓閥當(dāng)二通比例減壓閥用作比例方向閥的先導(dǎo)級時,由于需對兩個方向進(jìn)行控制,則需要兩個三通減壓閥組合成一個雙向二通比例減壓閥。其工作原理與單向作用完全一樣。區(qū)別是它有兩個比例電磁鐵,為構(gòu)成反饋,它的閥芯由三件組成。圖5-12所示為一個雙向作用三通比例減壓閥。比例流量控制閥的流量調(diào)節(jié)作用在于改變節(jié)流口的開度。它與普通流量閥的主要區(qū)別是用某種電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器取代原來的手調(diào)機(jī)構(gòu),用來調(diào)節(jié)節(jié)流口的流通面積。并使輸出流量與輸入信號成正比。閥口的流量公式為比例方向閥由于具有對進(jìn)口和出口流量同時節(jié)流的功能,因此,它本質(zhì)上是個雙路的比例節(jié)流閥。如果從外部加上壓力補(bǔ)償裝置,就能使通過的流量與負(fù)載變化無關(guān),具有調(diào)速閥的功能。一、直動式比例節(jié)流閥比例節(jié)流閥分為直動式和先導(dǎo)式。直動式只有一級液壓放大。它的閥芯形式有轉(zhuǎn)閥、滑閥或插裝式。旋轉(zhuǎn)節(jié)流式由伺服電動機(jī)經(jīng)減速后帶動。移動節(jié)流式用比例電磁鐵驅(qū)動。前者習(xí)慣上稱為電動式,后者稱為電磁式。先導(dǎo)式多為二級液壓放大,也有三級的特大流量閥,其通徑為63mm以上。直動式比例節(jié)流閥的構(gòu)成是在傳統(tǒng)節(jié)流閥的基礎(chǔ)上,用電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置代替手動節(jié)流機(jī)構(gòu),為了提高調(diào)解精度還可加上位置檢測裝置。由于比例方向閥具有節(jié)流功能,實(shí)際使用中,常用二位四通比例方向閥代替比例節(jié)流閥。比例方向閥有兩條通路,因此,作為比例節(jié)流閥使用時,根據(jù)過流量的要求,可以只利用其中一個節(jié)流口,也可同時使用兩個節(jié)流口。其連接情況如圖5-13所示。二位四通比例方向閥用作比例節(jié)流閥時,如要同時利用兩個通道,其無信號狀態(tài)可以有多種形式供選用。二、定差減壓型比例調(diào)速閥在比例節(jié)流閥中,受控量只是節(jié)流口的面積。但經(jīng)節(jié)流口的流量還與節(jié)流口的前后壓力有關(guān),為了補(bǔ)償由于負(fù)載而引起的流量偏差,需要利用壓力補(bǔ)償控制原理來保持節(jié)流口前后壓力恒定,從而實(shí)現(xiàn)對流量的單參數(shù)控制。將直動式比例節(jié)流閥與具有壓力補(bǔ)償動能的定差減壓閥組合在一起,就構(gòu)成了直動式比例調(diào)速閥,如圖5-14所示。因?yàn)樗窃趥鹘y(tǒng)的調(diào)速閥的基礎(chǔ)上加上比例電磁鐵構(gòu)成的,又稱傳統(tǒng)型的比例調(diào)速閥,或因它只有兩個主油口,又稱二通比例調(diào)速閥。壓力補(bǔ)償?shù)墨@得是靠把節(jié)流口的前后壓差反饋到減壓閥芯的閥端,經(jīng)減壓閥的調(diào)節(jié)作用,近似使節(jié)流口前后壓差保持恒定。從圖中可以看出:二通比例調(diào)速閥中,常常內(nèi)置一個止回閥,以適應(yīng)反向自由流動的需要,使流量從B口流向A口,圖5-15所示為這種二通比例調(diào)速閥的結(jié)構(gòu)圖。行程限制器的作用是限制減壓閥的最大開口力(圖5-15),節(jié)流口的位置由輸入信號給定,位置偏差由傳感器檢測,而偏差通過電控器來糾正。節(jié)流口7的壓降由壓力補(bǔ)償閥保持恒定。這種比例調(diào)速閥的缺點(diǎn)是當(dāng)節(jié)流口部分打開時有較大的起動流量超調(diào)?？朔姆椒ㄓ邢拗茰p壓閥的最大開啟量;避免負(fù)流口的部分打開;或者利用液壓的方法將壓力補(bǔ)償器鎖定,以上方法都能有效地克服起動時的跳動現(xiàn)象。圖5-16所示為一種壓力補(bǔ)償器與主節(jié)流閥直線布置的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以通過液壓的辦法,在起動前鎖定壓力補(bǔ)償閥芯,避免起動沖擊。1-螺塞;2-壓力補(bǔ)償閥;3-閥體;4-控制節(jié)流口;5-位置控制型比例電磁鐵;6-止回閥;7-阻尼孔;8-換向閥三、比例溢流節(jié)流閥為了保持節(jié)流閥口前后壓差恒定,除了采用定差減壓閥的串聯(lián)型壓力補(bǔ)償方法外,還可以采用一個定差溢流閥與節(jié)流閥并聯(lián)的方法來實(shí)現(xiàn)。由于前一種結(jié)構(gòu)只有兩個主油口,后一種結(jié)構(gòu)有三個主油口P1

、P2

和T,所以又分別被稱為二通比例調(diào)速閥和三通比例調(diào)速閥。比例溢流型調(diào)速閥的工作原理如圖5-17所示略去液動力及摩擦力,定差溢流閥的力平衡方程為四、先導(dǎo)式位置反饋型比例節(jié)流閥由于受電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置推力限制,直動式的比例流量閥只適用于較小通徑的閥。當(dāng)通徑大于10mm時,就要采用先導(dǎo)控制形式。它們的共同點(diǎn)是利用較小的比例電磁鐵,驅(qū)動一個尺寸小的先導(dǎo)閥,再利用先導(dǎo)級的液壓放大作用,實(shí)現(xiàn)對主節(jié)流閥進(jìn)行控制。適用于對高壓大流量的液流控制。按級間反饋的形式不同,先導(dǎo)式比例節(jié)流閥可分為多種形式。目前可能的反饋控制方式如圖5-18所示。1.直接位置反饋型位置反饋型比例節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)原理圖如圖5-19所示,圖中4為主閥,2為先導(dǎo)閥。它是一個單邊控制閥。2.位移-力反饋型位移-力反饋型比例節(jié)流閥的先導(dǎo)閥與主閥之間的定位是通過反饋彈簧來實(shí)現(xiàn)的。它的工作原理如圖5-20所示。先導(dǎo)閥是一個三通電液比例減壓閥,它插裝在主節(jié)流閥的控制蓋板上。其結(jié)構(gòu)如圖5-21所示。這種閥按閥口的開口設(shè)計有兩種流量特性,即輸入值和輸出值之間實(shí)現(xiàn)正比關(guān)系的線性型,以及按平方關(guān)系段計的遞增型,供使用時選擇。圖5-22所示為這兩種流量特性與輸入電壓的關(guān)系。

比例節(jié)流閥通常都可以采用外加壓力補(bǔ)償?shù)姆椒?構(gòu)成不受負(fù)載變化影響的具有恒定特性的調(diào)壓閥。對于電反饋型的比例節(jié)流閥,由于電反饋信號處理方便,可以通過多種校正方式得到更好的動、靜態(tài)特性。例如,采用非線性的校正方法獲得等流量特性。用一種電信號控制的辦法來改善普通比例節(jié)流閥的軟流量特性(流量隨負(fù)載增大而下降)的方法稱之為面積補(bǔ)償法,即壓差增大時,用減小流通面積來補(bǔ)償,反之亦然。這種方法利用兩只壓力傳感器,隨時檢測閥口的壓差變化,利用對電信號的處理,產(chǎn)生對比例電磁鐵的控制信號,使主閥芯節(jié)流口作出相應(yīng)的面積變化,以此來補(bǔ)償由壓差的變化引起的流量變化。從而使流量免受前后壓差的影響。這種方法的缺點(diǎn)是電氣控制比較復(fù)雜,且要兩只壓力傳感器,零點(diǎn)飄移等干擾會影響流量的穩(wěn)定性。五、先導(dǎo)式流量反饋型電液比例流量閥無論是壓力補(bǔ)償型的比例調(diào)速閥,還是主閥位置反饋的比例節(jié)流閥都沒有對真正的控制對象———輸出流量進(jìn)行檢測和反饋,因此,其控制策略屬于間接控制。因流量是流量控制閥的真正輸出量,進(jìn)行流量的各種代換量的反饋是最直接的控制手段。事實(shí)上,這是一種與傳統(tǒng)型調(diào)速閥原理完全不同的調(diào)速閥,它充分利用了液阻網(wǎng)絡(luò)和反饋控制原理,改善了閥的性能,并導(dǎo)致發(fā)展出一系列新原理的比例液壓器件,這種流量反饋型比例閥比位置反饋型或傳統(tǒng)壓力補(bǔ)償型的有更好的靜態(tài)和動態(tài)特性。因流量的檢測遠(yuǎn)比位移的檢測困難,要增加一個流量傳感器,所以流量反饋型的比例流量閥在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜。流量傳感器的位移可以轉(zhuǎn)換成機(jī)械量或電量來反饋,按此它有多種形式,下面只介紹其中兩種：1.流量-位移-力反饋型圖5-23a)所示為流量-位移-力反饋型比例流量閥的工作原理圖,圖5-23b)所示為結(jié)構(gòu)圖。它實(shí)際是一個先導(dǎo)式的兩級閥系統(tǒng)的自我修正調(diào)整作用可簡述如下:如果負(fù)載壓力波動,例如p5

下降,使流量傳感器上腔壓力下降和使閥芯失去平衡有開大的趨勢,這使彈簧的反饋力增大。這致使先導(dǎo)閥開口量減小及p2

增加,從而使主節(jié)流口關(guān)小,p1

隨之減小,于是使流量傳感器重新關(guān)小,回復(fù)到原來設(shè)定的位置上。由上面的分析可見,由于負(fù)載的變化引起流量的變化不是依靠壓力差來補(bǔ)償?shù)?而是依靠主節(jié)流口的通流面積變化來補(bǔ)償。這點(diǎn)正是新原理流量閥與傳統(tǒng)的壓力補(bǔ)償型流量閥不同之處。如果供油壓力變化,調(diào)整過程與上面分析類似。圖5-23中,R3

是動態(tài)壓力反饋液阻,用于提高閥的動態(tài)性能。R2

為溫度補(bǔ)償液阻。此外,流量檢測器能把流量線性地轉(zhuǎn)換成閥芯位移也是提高控制精度的關(guān)鍵。通常采用特殊的閥口造型來使特性線性化。由圖5-18的反饋路徑4可見,由流量-位移-力反饋組成的閉環(huán)路并不把比例電磁鐵和放大器包括在閉環(huán)內(nèi)。因此,影響這種流量閥的控制精度主要來自比例電磁鐵和先導(dǎo)級的摩擦力。在輸入信號中疊加顫振信號的方法,可以抑制這些干擾量。2.流量位移電反饋型由圖5-18的反饋路徑5可見,如果能實(shí)現(xiàn)流量-電反饋,就能把輸出信號與輸入信號直接相比較,構(gòu)成所謂全程電反饋,把放大器和比例電磁鐵也包括在大閉環(huán)內(nèi),這顯然是一個更為完善的控制方案。構(gòu)成流量控制閥的全程電反饋控制的關(guān)鍵是要有流量傳感器,一個可行的方案是把上節(jié)圖5-24流量傳感器結(jié)構(gòu)原理圖介紹的流量傳感器與位移傳感器結(jié)合在一起,可實(shí)現(xiàn)把液壓流量,通過中間變量位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量,圖5-24所示是兩種流量傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。對于薄刃圓板式流量傳感器,其工作原理是利用孔壁曲面的變化來補(bǔ)償棱邊節(jié)流口的非線性。一個銳邊圓盤支承在平衡彈簧上,與曲面孔壁配合形成面積可變的環(huán)形節(jié)流口。流量不同時壓差也發(fā)生變化。根據(jù)力平衡可求得壓差與圓盤位移的關(guān)系,即因此,通過傳感器的流量為只要滿足式中的任何曲線回轉(zhuǎn)面,都可以使流量線性地轉(zhuǎn)換成位移,這種流量傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造工藝?yán)щy,且動態(tài)響應(yīng)慢。因此只能用于小壓差、流量波動不大的場合。二通插裝式流量傳感器可在一定程度上克服上述缺點(diǎn),圖5-24b)為其結(jié)構(gòu)原理。根據(jù)薄壁流量公式,傳感器的流量與壓差關(guān)系為由上式可見,為了獲得流量與位移的線性關(guān)系式,也需要對閥口作特殊的設(shè)計,目前已按此原理發(fā)展了性能良好的流量傳感器。原則上,只要把流量傳感器與比例節(jié)流閥串聯(lián),就可以構(gòu)成流量-位移-電反饋型的比例流量閥。圖5-25所示是這種流量電反饋的可能方案。電反饋除了有構(gòu)成大閉環(huán)的優(yōu)點(diǎn)外,它還可以釆用不同的電氣補(bǔ)償技術(shù)來提高其動、靜態(tài)特性。1-流量傳感器;2-比較元件;3-比例放大器;4-電液比例節(jié)流閥;5-阻尼孔電液比例方向閥是一種具有液流方向控制功能和流量控制功能的負(fù)荷閥。在壓差恒定的條件下,通過它的流量與輸入電信號成比例,而流動的方向取決于比例電磁鐵是否受到激勵。常見的有二位四通和三位四通滑閥式。利用插裝式元件組成比例方向閥需要較多的元件,制造和控制都較為復(fù)雜。一、比例方向閥的結(jié)構(gòu)及控制特點(diǎn)1.比例方向閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(1)比例閥閥芯與閥套的徑向間隙為3~4μm,與普通換向閥相當(dāng),而伺服閥的配合間隙為0.5μm左右。因此抗污染能力比伺服閥強(qiáng)得多。(2)為了減小中位泄漏,比例閥的閥芯通常具有一定的搭接量。搭接量一般為額定控制電流的10%~15%。這使比例閥有較大的死區(qū),雖然死區(qū)達(dá)10%以上,但可在電子放大器中進(jìn)行補(bǔ)償,使死區(qū)最大限度地減小。(3)比例方向閥的閥芯形狀是經(jīng)特別加工和修整的,以適應(yīng)同時對進(jìn)、出口實(shí)行準(zhǔn)確節(jié)流。一般方向閥閥芯臺肩是直角形,而比例方向閥的閥芯則開有多至8個節(jié)流槽,節(jié)流槽口的幾何形狀為三角形、矩形、圓形或它們的組合。這些節(jié)流口有時稱為控制槽,在圓周上均勻分布,且左右對稱或成某一比例。通常比例系數(shù)為1/2。用來適應(yīng)控制對稱執(zhí)行器或非對稱執(zhí)行器的需要。2.比例方向閥的閥芯運(yùn)動控制特點(diǎn)比例方向閥通過死區(qū)后進(jìn)入節(jié)流階段,而且節(jié)流槽的軸向長度永遠(yuǎn)大于閥芯行程。這樣做可以使控制口總具有節(jié)流功能。而伺服閥閥芯與閥套的配合通常無死區(qū),零位附近是伺服系統(tǒng)(特別是位置伺服系統(tǒng))的主要工作點(diǎn),因此,伺服閥的工作行程較小。從上面閥芯運(yùn)動控制分析中可知:比例方向閥的閥口壓降比伺服閥約低一個數(shù)量級,為(2.5~8)×105Pa,但比電液換向閥較高。比例電磁鐵的控制功率為伺服閥的10倍以上,比電液換向閥的略高或相當(dāng)。3.比例方向閥的中位機(jī)能及應(yīng)用場合三位四通比例方向閥也像電液換向閥一樣,具有不同的中位機(jī)能,以適應(yīng)控制系統(tǒng)的特別要求。各種中位機(jī)能的獲得,是通過保持閥套的沉割槽和閥芯的臺肩長度不變,只改變節(jié)流口的軸向長度來實(shí)現(xiàn)。如圖5-26所示為幾種控制槽與閥套配合的情況。通過不同的配合可以得到不同的閥機(jī)能。圖中上部為圖形符號,下部為結(jié)構(gòu)簡圖。圖5-26a)所示為左右對稱的O型中閉閥芯與閥套配合的情況圖5-26b)所示為對稱的P型中位節(jié)流型閥芯。圖5-26c)為對稱的YX型中位節(jié)流型閥芯。圖5-26d)為O3中閉型閥,這是因?yàn)殚y芯右側(cè)臺肩的外側(cè)沒有節(jié)流開口的緣故圖5-26e)為YX型中位節(jié)流型閥芯,中位時P口封閉,A和B與T口節(jié)流相通,有一矩形槽橫跨在B與T口上從本質(zhì)上說,由于電液比例方向閥的閥芯可以定位在任何一位置上,即位置是無級可調(diào)的,它也就不局限于3位閥了,其實(shí),可以作成四位或五位四通的形式例如一個四位置的閥中有四個功能位置,如圖5-27所示。合理的利用比例閥的多工作位置特點(diǎn),并與適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)控制器配合使用,僅用一個比例方向閥就可以實(shí)現(xiàn)加速、減速、平衡、差動、快速及慢速等多種功能,可大大簡化液壓控制系統(tǒng)。4.不對稱閥芯由于比例方向閥能對進(jìn)口和出口同時進(jìn)行節(jié)流控制,當(dāng)用于控制不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)時會出現(xiàn)一些新問題。例如,對稱的閥芯,即左右兩邊節(jié)流面積相同的閥芯,應(yīng)用于控制對稱執(zhí)行器時不會產(chǎn)生大的問題,但當(dāng)應(yīng)用于單出桿液壓缸等非對稱執(zhí)行器時情況就不一樣。設(shè)差動液壓缸的兩側(cè)有效面積比為2∶1。如果進(jìn)口和出口兩側(cè)的節(jié)流面積相等時,所得的閥壓力降便為1∶4。如圖5-28所示,因?yàn)橛缮鲜降枚?、直動式比例方向閥直動式比例方向閥由比例電磁鐵直接推動閥芯左右移動來工作。其中二位四通和三位四通兩種最常見。前者只有一只比例電磁鐵,由復(fù)位彈簧定位。后者有兩只比例電磁鐵,由兩個對中彈簧定位。復(fù)位彈簧或?qū)χ袕椈赏瑫r也是電磁力-位移轉(zhuǎn)換元件。由于電磁力的限制,直動式的比例方向閥只能用在流量較低的場合,比例方向閥也可分為帶閥芯位置反饋和不帶位置反饋兩種。1.不帶位置反饋型不帶閥芯位置反饋的直動式比例方向閥的基本結(jié)構(gòu)與前面介紹的三通比例減壓閥十分相似,僅閥芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同。三通減壓閥是采用三件組合式閥芯,而比例方向閥采用的是開有節(jié)流槽的整體式閥芯。2.帶閥芯位置反饋型帶閥芯位置反饋的直動式比例方向閥與不帶閥芯位置反饋的差別僅在于使用的比例電磁鐵不完全相同。不帶位置反饋的比例方向閥使用的是力控制形比例電磁鐵,而帶位置反饋的其中有一只使用的是行程控制比例電磁鐵,如圖5-29所示由于該閥也是一種直動式控制閥,因此,只能用于中等流量及以下的場合。三、先導(dǎo)式比例方向閥先導(dǎo)式比例方向閥主要用于大流量的場合。較常用的是二級閥,也有三級的,三級式的閥主要用于特大流量的場合。先導(dǎo)級通常是一個小型的直動式三通比例減壓閥,或其他類型的壓力控制閥,例如噴嘴擋板閥。它的工作原理是電信號經(jīng)先導(dǎo)級轉(zhuǎn)換放大后,變成液壓功率驅(qū)動主閥級工作。液壓推力等于控制壓力與閥芯端面積和乘積,它足以克服主閥芯上液動力的干擾。先導(dǎo)式比例方向閥有兩類:第一類是從伺服閥的簡化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它與伺服閥相類似,級間可能有各種各樣的反饋聯(lián)系,動態(tài)和靜態(tài)性能都較優(yōu)。這類閥有時又稱為廉價伺服閥。但它的制造工藝較復(fù)雜、制造要求高、通用性差,比較不常見。另一類是從電液換向閥的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這類閥沒有級間的反饋聯(lián)系,優(yōu)點(diǎn)是裝配精度和制造要求較低,通用性好,調(diào)節(jié)方便。雙向比例三通減壓閥的主要用途是作為比例方向閥的先導(dǎo)閥。它與一個液動式比例方向閥疊加在一起就構(gòu)成一個先導(dǎo)式電液比例方向閥如圖5-30所示。比例方向閥的控制特點(diǎn)如下:(1)比例方向閥提供兩個方向上同時節(jié)流;(2)閥芯的最終設(shè)定位置由輸入信號的水平確定;(3)閥芯移動的響應(yīng)速度直接與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的加速度或減速度成比例。它可以借助比例放大器中的斜坡信號發(fā)生電路來調(diào)整確定。四、比例方向閥的特性曲線比例方向閥的特性用三組特性曲線表示,這些特性曲線是使用和設(shè)計比例方向閥控制回路的重要依據(jù)。一組曲線是額定壓差下輸入信號電流與輸出流量關(guān)系曲線,即流量控制曲線,該曲線反映比例閥的靜態(tài)特性;另外兩組曲線是階躍響應(yīng)曲線和頻率響應(yīng)曲線,這兩組曲線反映閥的動態(tài)特性。下面分別討論這些曲線與性能之間的聯(lián)系。1.流量控制曲線通常名義流量是指對應(yīng)總壓力差為1MPa(也有采用0.8MPa)的那條流量曲線。對毎一名義流量的比例方向閥,都有一組流量曲線給出,用來表明閥在該壓降下的最大控制能力。圖5-31所示的特性曲線表示名義流量為30L/min的比例方向閥在不同的壓差下流量與控制電流之間的關(guān)系。采用比例方向閥的目的是為了提供對流量或速度的控制,而曲線表明要控制就必須要節(jié)流,而節(jié)流就必定有壓降落在閥口上。2.階躍響應(yīng)曲線對某一具體的液壓回路,要估計它的最高工作頻率(往復(fù)運(yùn)動)和負(fù)載狀態(tài)。有時需要考慮比例閥本身固有的轉(zhuǎn)換時間(階躍響應(yīng)時間)的限制。雖然系統(tǒng)的自然頻率是主要的限制因素,但熟悉和了解響應(yīng)特性是非常有用的。特別是過程控制器或計算機(jī)用于控制某一工作循環(huán)時更應(yīng)淸楚地知道階躍響應(yīng)時間。因?yàn)轭A(yù)知該閥的可靠的響應(yīng)特性后,可以利用計算機(jī)提前觸發(fā)某一功能,即在該功能需要出現(xiàn)之前轉(zhuǎn)換閥芯,用這樣的方法可以消除比例閥的死區(qū)以及改善工作循環(huán)。圖5-32所示為理想階躍信號下,即瞬時變化的階躍信號輸入到比例放大器,閥芯從一個位置轉(zhuǎn)換到另一位置的最快響應(yīng)情況。3.頻率響應(yīng)曲線圖5-33所示為一個比例方向閥的典型的頻率響應(yīng)特性曲線一、PWM控制的基本原理和概念PWM(PulseWidthModulation)控制———脈沖寬度調(diào)制技術(shù),通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制,來等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同,是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近,僅在高頻段略有差異。(1)面積等效原理:分別將如圖5-34所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)(R-L電路)上,如圖5-35a)所示用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波(圖5-36),正弦半波N

等分,看成N

個相連的脈沖序列,寬度相等,但幅值不等;用矩形脈沖代替,等幅,不等寬,中點(diǎn)重合,面積(沖量)相等,寬度按正弦規(guī)律變化。SPWM波形———脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形,如圖5-36所示。圖5-36用PWM波代替正弦半波要改變等效輸出正弦波幅值,按同一比例改變各脈沖寬度即可。(2)PWM電流波:電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制,得到的就是PWM電流波。PWM波形可等效的各種波形:①直流斬波電路:等效直流波形。②SPWM波形:等效正弦波形。還可以等效成其他所需波形,如等效所需非正弦交流波形等,其基本原理和SPWM控制相同,也基于等效面積原理。2.相關(guān)概念(1)占空比:就是輸出的PWM中,高電平保持的時間與該P(yáng)WM的時鐘周期的時間之比。(2)分辨率也就是占空比最小能達(dá)到多少,如8位的PWM,理論的分辨率就是1∶255(單斜率),16位的PWM理論分辨率就是1∶65535(單斜率)。(3)頻率就是這樣的,如16位的PWM,它的分辨率達(dá)到了1∶65535,要達(dá)到這個分辨率,T/C就必須從0計數(shù)到65535才能達(dá)到,如果計數(shù)從0計到80之后又從0開始計到80……那么它的分辨率最小就是1∶80了,但是,頻率也快了,也就是說PWM的輸出頻率高了。(4)雙斜率/單斜率：假設(shè)一個PWM從0計數(shù)到80,之后又從0計數(shù)到80……這個就是單斜率。假設(shè)一個PWM從0計數(shù)到80,之后是從80計數(shù)到0……這個就是雙斜率。二、一種PWM電液比例閥特性研究1.閥結(jié)構(gòu)及其控制器特點(diǎn)PW