高速開關閥直控式閉環液壓同步系統*

何 謙 劉 忠

（湖南師范大學機電技術裝備研究所，湖南長沙 410081）

高速開關閥直控式閉環液壓同步系統*

何 謙 劉 忠

（湖南師范大學機電技術裝備研究所，湖南長沙 410081）

針對液壓同步系統不同的流量要求，采用高速開關閥直接控制的方式，設計了兩組共三種閉環控制回路。考慮到結構的差異，分別采用脈寬調制（PWM）、脈碼調制（PCM）以及復合脈寬的控制方式，結構簡單，便于集成，能夠實現較高精度的同步控制。

高速開關閥 閉環同步控制 區分流量設計

大型設備因負載力很大或布局的關系，往往需設多個液壓執行器同時驅動一個執行機構，因此對同步的要求非常普遍。受液壓系統所固有的諸如液體壓縮、泄漏、負載不均勻及摩擦阻力差異等因素的影響，基于同步閥、節流閥或調速閥等液壓元件的開環同步系統，由于缺乏反饋環節，系統抵抗外界干擾的能力薄弱，不能用于有較高同步精度要求的場合。而傳統的基于伺服閥或比例閥的閉環同步控制系統，盡管具有較高的控制精度，但由于其組成元件價格高昂且對油路的清潔程度要求很高，使得系統運行成本居高不下［1］。高速開關閥作為一種新型的電液控制閥，具有數字接口，不需D/A轉換即可用計算機直接控制，并且還有閥體結構簡單、抗污染和抗干擾能力強、可靠性高等突出優點［2］，因而將高速開關閥應用于液壓伺服控制，已成為當前流體傳動及控制技術領域的一個重要的研究方向。

同步控制的核心目標是保持各執行元件間運動（位移、速度等）的一致性，可供選擇的閉環控制策略有“同等”及“主從”兩種方式。“同等”方式是指多個執行元件共同跟蹤預先設定的理想輸出的驅動形式；而“主從”方式是指多個需要同步的執行元件以其中一個的輸出為理想輸出，其余執行元件跟蹤這一選定的理想輸出而達到同步的驅動形式。兩種控制策略的側重不同。相比而言，“主從”方式更側重于執行元件之間運動的同步，而不強調對同步過程中運動規律的把握和限制，因此同步的實施相對簡單，適合大多數有同步要求的場合。

1 適用于小流量的同步回路

一般來說，單個高速開關閥的通流能力有限（小于10 L/min），不能直接用于功率較大的場合。但對于負載不大的小型系統而言，卻恰恰能發揮其響應快、精度高且成本低的優勢，從而有效彌補伺服閥和比例閥的不足。

圖1所表示的是基于“主從”方式控制策略的高速開關閥液壓同步控制系統的基本結構圖。系統的執行器為單出式液壓缸，高速開關閥為常閉式的二位二通閥。考慮到高速開關閥所能承受的壓力限制，油路采用出口節流的控制方式。圖中系統將工況設定為活塞桿伸出，即只對活塞桿右移有同步的要求；如果回程亦有同步要求，只需將無桿腔的油路參照有桿腔的布置鏡像即可。同時，為方便控制，系統采用了主從回路對稱的結構形式，此舉不僅有利于同步精度的提高，而且可使從回路的數量不受限制，從而拓寬該方案的適用范圍。

該系統的工作原理為：根據系統對執行器速度的要求，控制器首先對主從兩回路的高速開關閥輸出一個相同的調制率D0（又叫占空比），從而限制液壓缸出口流量，系統穩定后，活塞桿以一定的速度伸出。如果主回路和從回路因負載不一致等因素造成系統不能同步，布置在兩活塞桿上的位移傳感器3、4所傳出的電信號經比較后送入回路的控制器，控制器據此調整高速開關閥2的調制率，加大或縮小從回路的通流量，以實現兩回路同步。

2 針對有大流量要求的改進回路

對于有大流量要求的同步回路，如果單個高速開關閥的通流能力不能滿足要求，則可采用幾個高速開關閥并聯的方法予以解決。可供參考的方案如下。

（1）脈碼調制方式（PCM）

脈碼調制方式（PCM）是指把控制信號以二進制的形式輸出，去控制一組開關閥［3］，如圖2所示。圖中只畫出了高速開關閥的組合部分，其它外圍結構同圖1。為了實現輸出流量成比例變化，將每個高速開關閥的調制率D設置成一個固定的等差或等比數列，如D1∶D2∶D3∶D4=1∶2∶3∶4，綜合節流口的面積即為各開關閥節流口的面積之和。通過設定基準開關閥的調制率，并用二進制信號控制各開關閥的啟閉，便可實現對油路流量的比例調節。即，需大流量時，多個閥同時工作；系統處于穩態，只需要小流量來補償泄漏的影響時，則可開啟其中的小流量閥以滿足要求。

脈碼調制能有效提高回路流量的調節范圍，但這種方式需要至少4個高速開關閥進行組合，而要想獲得理想的成比例變化的流量，必須要同時調節基準開關閥的調制率和用以控制各開關閥通斷的二進制編碼，使得系統的復雜性和成本都增加不少。

（2）復合脈寬調制

復合脈寬調制控制系統原理如圖3所示。圖中只畫出了高速開關閥的組合部分，其它外圍結構同圖1。該系統采用兩個脈寬調制的高速開關閥，其中閥1為小流量閥，閥2為大流量閥。在需要大流量時，閥1和閥2都打開（或只打開閥2）；在需要小流量時，則只打開閥 1 或只打開閥 2［4］。

復合脈寬調制不僅能實現對較大流量的調節控制，而且系統的成本也較脈碼調制的方式為低。這種方式的缺點就是控制方式比較復雜。因為高速開關閥存在死區和飽和區，工作時應盡量避免。但是如果所需的流量處于大流量閥飽和區之上，又處于大流量閥的飽和流量加小流量閥的死區流量之下，這種情況下要想實現線性調節，則必須試湊兩閥的調制率，才能保證兩閥都工作在線性調節區以滿足控制要求。

3 結語

上述幾種基于高速開關閥直接控制的閉環同步系統，小流量的方案的組成結構簡單，控制方案也簡單易行，可以實現很高的控制精度。并且系統可以非常方便地擴展到多缸同步，因此盡管單缸的通流量有限，如果多缸組合，仍然可以承受較大的載荷。多閥組合的大流量回路，可以有效解決高速開關閥的通流能力問題，配以恰當的控制策略，系統的快速穩定性及精度都能得到保證。

［1］許梁，楊前明.電液元件數字化技術進展［J］.現代制造技術與裝備，2007（2）：65 －67.

［2］劉少軍，郭淑娟.高速開關電磁閥及PWM控制技術［M］.長沙：湖南省科協第二屆青學術年會論文集，1995（11）：217－221.

［3］王占林.近代電氣液壓伺服控制［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［4］張志義，孫蓓，黃元峰.高速開關閥位置控制方法［J］.機床與液壓，2005（5）：126 －128.

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Hydraulic Closed-loop Synchronous System Which is Directly Controlled by High-speed On-off Valve

HE Qian，LIU Zhong
（Institute of Mechanical&Electrical Technology，Hunan Normal University，Changsha 410081，CHN）

Aiming at the different current capacity requirements of hydraulic synchronous system，using direct control mode by high－speed on－off valve，two groups and altogether three kinds of closed－loop control hydraulic route have been designed.Considering the difference of their structure，Pulse Width Modulation（PWM），Pulse Code Modulation（PCM）and Compound Pulse Width Modulation have been chosen separately as their control mode.Each of them has simple structure and easy to integrate，and the high－precision synchronous control can be achieved at the same time.

High－speed On－off Valve；Closed－loop Synchronous Control；Current Differentiated Design

TH137.7 文獻標示碼：A

*2008年湖南省高等學校科研資助重點項目：大功率機械臂電液驅動系統設計、建模與控制（08A047）

何謙，男，1971年生，碩士，講師，主要研究方向：機電系統設計及仿真分析。

（編輯 蔡云生） （

2010－02－03）

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