电液比例方向控制系统理论与实践研究

　　在工程机械、机床等液压系统中,一般通过换向阀来控制液流的方向,从而改变液压缸及液压马达等执行元件的运动方向,以达到所要求的工作机能。如液压挖掘机的回转机构控制,机床的进给机构控制,液压凿岩机的推进机构控制。工程上常用的有手动换向阀、多路换向阀、电磁换向阀等,由这些阀构成的各种方向控制回路在工业生产中获得了广泛应用。但这些普通的方向控制回路控制精度低、响应速度慢、易产生滞环及爬行现象,并且不易实现数字比例控制[1]。为了解决上述问题,笔者研究了一种基于高速开关阀控制的新型电液方向比例控制系统。

　　1系统组成及工作原理

　　这种新型的电液方向比例控制系统(图1)采用PWM工作方式的高速开关阀作为普通换向阀的先导级控制,而以普通换向阀作为高速开关阀的功率放大级,通过微机(单片机)产生的PWM信号去控制高速开关阀,由其输出的压力油作用于换向阀(主阀)的控制腔,从而控制换向阀的阀芯位移,使之完成控制液流方向的动作。高速开关阀是一种典型的数字阀,它可直接与计算机接口,运用脉冲宽度调制(PWM)技术就很容易实现对该电液控制系统的数字控制。

　　图1中阀1、阀2用作先导阀,每个阀的上下流都各配有一个薄壁节流孔板。适当调节脉冲信号在每个周期中的调制率D,也就是控制高速开关阀在每个信号周期中开与关的时间长短,能使控制腔压力和调制率D成正比。把每个高速开关阀看作一个可变节流装置,高速开关阀、节流孔板和控制腔组成一个如图2所示的液压半桥,阀1组成一个半桥,阀2组成一个半桥,两个半桥合成一个全桥,这就组成了先导阀组。

　　主阀是一个带中位复位弹簧的三位四通换向阀,主阀芯的位置是由复位弹簧和两控制腔压力来确定。当阀1、阀2都无控制信号而处于关闭状态时,左腔和右腔压力都同于控制油箱压力,没有压差,主阀芯处于中位,油口A、B无工作油液流入和流出。当阀1或阀2之一,如阀2处于PWM工作状态时,阀2半桥工作,右腔压力升高,左腔压力仍与油箱压力相同,左右两腔存在压差,主阀芯向左移动。由于主阀阀口的设计时有一定的遮盖量,加之对中弹簧有一定的预压力,只有当PWM控制信号调制率到一定值时,A口才有压力流向执行机构。调制率继续增加,压差、开口量、流量也成正比增加,当压差到达一定值时,阀口全部打开,这时A口流量最大,从而实现PWM方向比例流量控制[2]。

　　2系统数学模型的建立

　　上述高速开关阀控制换向阀的模型用图3表示。以高速开关阀1组成的半桥为例,流入控制腔的流量为