电控系统与比例阀匹配理论分析

电控系统与比例阀匹配理论分析

管红杰

徐州海伦哲专用车辆股份有限公司 江苏 徐州 221004

摘要：目前工程机械行业电控系统主要通过控制器输出PWM端口来控制液压比例阀或者油缸的方式来工作。控制器和液压系统的匹配合理性直接影响设备的运动效果。

关键词：比例阀；系统匹配；电控系统；PWM；闭环；

一．现状：

智能化高车液压系统主要由全比例阀组+泵这么一个基本配置来设计。出于智能化控制的功能要求以及成本的考虑，在电气系统上的设计上比例阀组全部由可编程控制器（以下简称PLC）的PWM输出口来控制。这种模式不仅仅可以实现一些复杂的逻辑控制同时也可以降低放大器的使用成本以及加大电气线路的集成性，所以使用PLC来控制工程机械或者专用车辆是目前全比例液压系统的一种标配模式。

设备主要是载人设备，安全性与用户体验要求非常高。这就要求我们对比例阀的控制要比其他设备更精细更准确。

二. 一些关键因素以及参数：

1. PWM控制：

Plus Width Modulation 脉冲宽度调试。通过改变控制器输出口高电平的占空比来实现比例阀的开度变化。通过改变控制器PWM端口的输出频率来和比例阀响应频率配合。PWM频率设置过低，会引起控制抖动；同时如果PWM输出频率设置过高，则会加大阀芯的发热量以及加大滞环效应。

通过改变控制器输出口高电平的占空比来实现比例阀的开度变化的控制方式实际上是一种开环的控制方式。发热带来阀芯内部阻抗变化，就会导致比例阀开口变小而导致控制异常，这是一种不稳定的控制状态。而这种不稳定不仅会导致比例阀的开口控制不稳定，同时也会带来控制电流瞬间过大导致的冲击等等。其控制模式如图1所示：

图1 控制模式框图

为了克服上述所提到的这种变化，从电气角度上来说就需要把比例阀阀芯的一些指标反馈回控制器。由控制器根据变化量来增大或者减小自己输出，从而使控制效果达到一种稳定变化的控制状态，这是闭环控制。

电流闭环控制，如图2所示：

图2 电流闭环控制框图

阀芯位置反馈，如图3所示：

图3 阀芯位置闭环控制框图

电流或者位置信息返回到控制器后和预先的设定值进行实时比较，然后通过PID运算快速稳定的把电流增加到设定值，从而保证控制电流和设定电流的一致性。电流控制启动平稳性、控制线性以及对环境的适应性大大提高。

2.滞环效应：当输入量分别由小增到大、由大减到小控制同一个对象的时候其曲线是不同的。两条曲线形成的差异是滞环。由图4所示：

图4 阀芯特性曲线

曲线1（关闭曲线）和曲线2(开启曲线)实际上是一片比例阀从最小开度到最大开度以及从最大开度到最小开度的过程，但由图可以看到曲线1和曲线2实际上没有重合。这段不重合区域就是滞环。

电气系统控制比例阀的时候尤其要注意这点。

不同的比例阀其滞环面积也是不同的，应尽量选择滞环面积小的比例阀。

3.最小电流以及最大电流：

比例阀是有死区的。而且在控制上实际是通过输送电流来克服这个死区的。只有在电流加大到一定的程度以后，比例阀才会真正有油通过；

同时比例阀100%开度电流并不是理论上的最大输出电流，比例阀在最大电流之后是一条直线，这个时候无论你电流加大到多少其开度都是无变化的。

所以如何合理的设置这两个电流，关系到比例阀控制曲线是否合理。所以其是比例阀调试的一项重要工作。

最小电流设置的不好直接导致控制精度不好。

4．颤振电流：

颤振电流是加载到比例阀阀头的一组叠加波，这组叠加波的意义在于即使在输出控制消失的情况下，比例阀阀芯仍然是颤动的。这样的做的目的是减小阀芯的启动阻力（正遮盖比例阀）。使得比例阀的启动更加平稳、响应更加迅速。

合适的颤振的效果应该是这样的：

用手握住比例阀阀杆，可以感觉到明确的抖动，同时可以不费力握住；

用眼睛观察比例阀阀杆的末端，可以看到其在幅度很小的震动；

操作中感觉明显且正确的比例性能，一旦有操做很快就有执行机构的动作反应；

如图5所示：

图5 颤振电流

可以看出控制波与颤振波的波形不同、周期不同且振幅也不同；

四. 总结：

比例阀的控制其实是一个比较复杂且全面的过程，尤其是其匹配的合理性。通过以下四点可以更好的控制比例阀，达到运动平稳的效果：

1. 对比例阀的闭环控制；

2. 选择滞环较小的比例阀；

3. 最小电流与最大电流的合理选择；

4. 颤振电流的合理设置。

参考文献：

【1】彭天好等， 工程机械中的泵与发动机匹配[J] ,2001-02-02:5

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