液压脉冲宽度调制技术的应用研究

　　0 引言

　　在液压控制系统领域,最早引入PWM技术的是美国Logn Hopkins大学的应用物理实验室,1959年出现了第一个液压PWM控制的开关电液伺服系统.Goldstein(1968年)、Hess(1972年)、Mansfield(1981年)、Parker(1981年)等人的研究开发,获得了一些有关电液开关PWM控制的研究成果.近年来,由高速开关阀构成的各种电液PWM数字压力、流量、位置及速度控制系统有了较大的发展.如液压泵排量的PWM控制、汽车主动悬架的PWM控制、液压缸位置的PWM最优控制、开关定压网络油马达的PWM控制以及内燃机全电子燃油喷射系统的PWM控制等[1]。

　　在机电液一体化的应用和发展中,电液控制阀及其数字控制技术起着越来越重要的作用.电液控制阀大体可分为电液伺服阀、电液比例阀和高速开关电磁阀3类,其中高速开关阀由于具有极高的响应速度、结构紧凑、重复性好、工作耐久可靠、抗污染能力强以及价格便宜等优点,因而引起了人们的关注.1990年初,我国贵州红林机械集团公司与美国BKM公司联合,成功研制了工作频率可达200 Hz的HSV系列高速开关电磁阀.随着高速开关电磁阀的出现,各种基于高速开关阀的电液控制系统也日益成为人们研究的热点.在液压PWM控制系统中,由计算机输出PWM信号经过放大器直接控制高速开关阀,通过改变阀的开启和关闭时间,实现对液压系统流量和压力的控制.这种液压控制系统要求高速开关阀具有极高的响应速度和良好的可靠性,而目前工程中常用的液压阀难以满足上述要求.

　　1 液压PWM控制原理

　　液压脉冲宽度控制所用的阀类元件及电气回路比其它控制方式简单,而且与计算机(单片机)的适应性较好.基于高速开关阀的液压控制系统,运用脉冲宽度调制技术,实现微机电液数字控制.PWM技术是电脉冲调制的方法之一,它可对应于输入信号,对具有固定周期的电脉冲信号进行脉冲宽度调制,故称之为脉宽调制.调制信号可以由微机(或单片机)产生,也可由振荡电路产生.由高速开关阀构成的液压控制系统,与伺服阀及比例阀的连续控制方式不同,而采用脉冲流量控制方式.阀直接根据一系列脉冲电信号进行开关动作,在出口输出一系列相应的脉冲流,这一系列脉冲的时间平均被视为控制流量.其工作原理如图1所示.

　　在图1a中,R(t)为计算机产生的控制信号(由程序指令产生),将该信号与载波信号Z(t)进行比较,如果在某时刻R(t)的值大于载波信号Z(t)的值,则使阀开启,否则使阀关闭.从而得到如图1b中所示的一系列控制指令,将这一系列控制指令施加到高速开关阀的电磁铁线圈上,于是在一个循环时间Tc内,有ton的时间阀通路打开,有流量Q通过,有toff的时间阀关闭无流量通过.其中时间ton与Tc之比,脉冲宽度调制率(也称占空比),记为D=ton/Tc.由于高速开关阀工作时的载波周期Tc非常小(常取Tc=0.01~0.15 s).因此,设Q为通过高速开关阀的平均流量,Cd为流量系数,Av为阀最大开口面积,$P为油液的压差,D为脉冲宽度信号调制率,Q为油液的密度,可用平均流量Q来表示这一时间内的阀的输出流量,表示为: