基于PWM控制技術的電液比例閥的研究

黃圓志

摘 要：該研究針對采用放大器驅(qū)動板和控制器的傳統(tǒng)掘進機電液比例控制系統(tǒng)在實際使用中存在著穩(wěn)定性差、控制精度低、故障率高等缺陷，提出了基于PWM技術的電液比例控制方法，即采用CANopen通信協(xié)議，組建通信系統(tǒng)和PWM信號直接驅(qū)動控制比例閥，它通過對控制器的輸出電流進行反饋保證了控制精度，通過對特性曲線和響應參數(shù)的設計以耦合不同場景應用。實際運行結(jié)果表明，該電液控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運行可靠，有良好的應用前景。

關鍵詞：PWM控制技術 電液比例閥控制單元控制精度

中圖分類號：F205 ? ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2022）06（a）-0000-00

Research on Electro-hydraulic Proportional Valve Based on Pulse Width ?ModulationControl Technology

HUANGYuanzhi

（Lanzhou Resources &Environment Voc-Tech University，Lanzhou，GansuProvince，730021 China）

Abstract：In view of the defects of poor stability，low control accuracy and high failure rate in the actual use of the traditional tunneling electro-hydraulic proportional control system with amplifier driving board and controller，an electro-hydraulic proportional control method based on ?pulse width modulation technology is proposed，thatis，the communication system and ?pulse width modulation signal are established by using CANopen communication protocol to directly drive the control proportional valve，By feedback the output current of the controller，it ensures the control accuracy of the electro-hydraulic proportional valve，makes parametric programming for the characteristic curve and time response of the valve，improves the system performance， and can better adapt to different load applications.The actual operation results show that the electro-hydraulic control system has stable performance，reliable operation and good application prospect.

Key Words： PWM control technology;Electro-hydraulic proportional valve;Controlunit;Control accuracy

當前進入新的科學技術發(fā)展時期，電子技術以及與其相關的信號檢測、處理、傳輸?shù)燃夹g得以提升。一般而言，在傳統(tǒng)掘進機通過電液比例技術結(jié)合放大器驅(qū)動器以及控制方式，通過通信協(xié)議予以完成。然而在現(xiàn)實中，程序運行和信息校驗過程較為復雜，占用大量運行時間，導致比例閥穩(wěn)定性差，由此引發(fā)故障。為了提升系統(tǒng)運行效果，PWM（脈沖寬度調(diào)制）電液比例控制技術被引入。該技術將輸入的信號進行編碼，獲得對外驅(qū)動的控制信令信號，通過數(shù)字控制來提升整體穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)優(yōu)化控制，依托編碼程序控制來對輸入的信令來進行跟蹤補償，結(jié)合PID控制器來進行調(diào)節(jié)，對其電磁閥的響應速度、控制精度和開口大小進行優(yōu)化控制，從而實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)性能等進行很高程度的加強[1]。

1電液比例閥及驅(qū)動及其發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 電液比例閥及驅(qū)動概念

作為當前最為先進的控制技術，比例控制電液控制的主要組成為比例電液閥，其實現(xiàn)電子和液壓之間的連接，從而能夠?qū)碗s指令的處理，以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)可攻至信號的輸出，實現(xiàn)優(yōu)化控制[2]。

比例電液閥從硬件結(jié)構(gòu)看，是一個液壓元件，產(chǎn)生與控制閥芯位置成比例的磁力，并通過類似于比例閥芯電磁閥的信令信號來控制載量和壓力的響應。通常，普通液壓閥只能控制預定義液體流量的壓力和流量。在這一類控制設備的運行中，采用普通液壓閥是難以對控制載量和壓力的響應進行自適應調(diào)節(jié)的[3]。

1.2 電液比例閥及驅(qū)動發(fā)展現(xiàn)狀

PWM驅(qū)動器廣泛應用于自動控制、電氣工程等領域。安裝可靠的驅(qū)動器對控制系統(tǒng)非常重要[4]。目前，大多數(shù)電動比例閥制造商都配備了一種特殊的驅(qū)動裝置——比例放大器。該機械部件會在斷電的過程中出現(xiàn)比例設置放大器驅(qū)動閥負載，這導致兩端的應力尖頭釋放非常高。由開關組成的PWM驅(qū)動器的優(yōu)缺點不僅關系到設備本身，也關系到負載性質(zhì)等因素，電源電路穩(wěn)定性等。

在該電路中，負載驅(qū)動器的比例PWM閥是一個感應負載，穿過電路的線路包含感應散射。我們知道，如果負載包含感應，則切換傳輸電路的過程將非常不同。由于誘導輪固有的內(nèi)部儲能特性，瞬時鏈的折斷會導致高頻和高振幅振蕩，從而對系統(tǒng)本身造成嚴重的電磁干擾，影響系統(tǒng)的正常運行，嚴重影響系統(tǒng)的安全和各方的使用壽命。為確保電路可靠運行，傳感器負載可防止電路在停機期間對系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾（EMI、電磁干擾）。為此減弱傳輸通道上方的這些高頻電壓干擾則顯得極為關鍵，例如：通過創(chuàng)建過濾器來抑制模擬器和差分模式中的電磁干擾，但這種方法只能過濾特定頻率范圍內(nèi)的噪聲[5]。增加緩沖吸收電路和電壓限制方法，改變過程中產(chǎn)生的過電壓由緩沖吸收電路維持，吸收電路將變化損失從裝置內(nèi)部轉(zhuǎn)移到阻尼電路，以避免裝置上的過度熱損失。然而，這種方法不僅增加了系統(tǒng)的額外成本，而且增加了一些RCD吸收電路所吸收的功率;另一方面，使用的阻尼電路很容易與其他設備傳遞。如果吸收電路參數(shù)不合理，將導致更大的振蕩，并由于二極管的固有特性而增加電流和電路過電壓[6]。因此，有必要找到一種更有效的方法來解決由PWM驅(qū)動器引起的IME負載消除問題。250460BF-818D-4010-ABDD-39EB0C58E054

2硬件與軟件

2.1硬件結(jié)構(gòu)設計

PWM電液比例控制系統(tǒng)由HAWE防爆液切換閥和執(zhí)行機構(gòu)、InterControl控制器組成，遠程接收器和指揮單元（HETRONIC遙控系統(tǒng)）。指令單元（遙控發(fā)射機）發(fā)出指令后，遙控接收器通過CANOPEN通信網(wǎng)絡接收和傳輸DCF-I控制器，在內(nèi)部操作后，它使用其PWM輸出接口來控制比例閥和執(zhí)行機構(gòu)，這減少了其他硬件控制和電動液壓比例閥的數(shù)量，顯然實現(xiàn)了設備的安全性能的極大提升，并進一步地提升了產(chǎn)品生產(chǎn)裝備效率，實現(xiàn)了產(chǎn)品成本的深度削減。該結(jié)構(gòu)對應的整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.2軟件設計

Rampancurve控制模塊采用PWM12P研究控制器的PWM工作原理和控制策略，因素分析，影響電液比例閥的動態(tài)響應、穩(wěn)態(tài)精度和孔尺寸，用于參數(shù)化編程的電比例閥的特性和響應時間，并設計了控制方案，為行走機械和懸臂機構(gòu)的實際掘進選擇最佳控制參數(shù)閥門電氣比例的動作模式實時可靠控制。

3影響電液比例閥性能參數(shù)

3.1比例閥啟動控制

電液閥的啟動時間主要與通信系統(tǒng)的傳輸速度和PWM輸出信號的頻率有關。PWM輸出頻率的大小決定了比例閥的動作速度，與閥的大小和比例速度成正比PWM頻率的增加降低了比例閥線圈的頻率，以保持電流波動，但如果PWM頻率過高，電路擾會增加，需采取優(yōu)化PWM頻率的相關措施，減少比例閥繞組中的電流波動和電路中的電磁干擾。在保證比例閥可靠吸收的情況下，應用低頻PWM可以降低比例閥線圈的功率，提高比例閥關閉時的反應速度。端口PWM頻率控制器設置50～1200 Hz范圍，每個通道可單獨設置.綜合考慮提高閥門效率和可靠性的因素，將8個PWM端口的輸出頻率設置為400Hz，瞬時循環(huán)時間為2.5ms。

3.2比例閥控制精度

比例閥的控制精度與輸入信號的精度和比例閥線圈的位移有關。目前，無“煤礦安全證書”來移動與電液成反比的閥門，主要通過優(yōu)化管理過程。PWM的控制輸出信號由PID調(diào)節(jié).通過實時補償調(diào)節(jié)器的流出電流，避免了電液閥開路時電磁電阻變化的影響，在保證輸出信號精度的同時，比例閥在達到設定值時工作，延長了比例閥的使用壽命。具體實現(xiàn)方法：在確定程序總變量時，根據(jù)理論分析和經(jīng)驗確定PWM控制單元中的PID參數(shù)。

運動控制輸出的比例大小與誤差大小成正比，誤差百分比達到P值，則動作結(jié)果為100%?？刂破鞯腜WM輸出范圍為0～1800mA。當P定義為0.05%，PS范圍乘以0.9mA時，比例作用輸出為100%。對于每一個變化為1mA的錯誤，比例動作輸出變化為111%。KP值越高（P值越低），尺度效應越強，動態(tài)響應越快，糾錯能力越強。由于實際系統(tǒng)的慣性，在改變可控輸出后，實際值會慢慢改變。在定量計算的基礎上，并根據(jù)系統(tǒng)響應，對KP值從小到大進行調(diào)整，最終為100。

完整動作的引入將消除靜態(tài)錯誤，將實際PV值實現(xiàn)為指定的SP值，并確保其匹配。消除靜態(tài)誤差的動作積分原理是，在有誤差的情況下進行誤差積分，使輸出連續(xù)增減，直至誤差為0，積分不停止，輸出不變，系統(tǒng)光伏值保持穩(wěn)定，而光伏值等于SP值，達到無誤差效果.將融合時間由大變小，也就是從童年變大。觀測系統(tǒng)的響應可以快速消除誤差，達到設定值而不產(chǎn)生任何波動。最后，TI值的定義是10。

然后調(diào)整比例動作和全動作。對于由負載變化或值變化引起的干擾，只有在產(chǎn)生誤差后才能消除調(diào)整。差動動作是預先的預防性控制，即一旦確定PV有變大或變小的趨勢，它將立即發(fā)出控制信號以避免改變，以避免重疊或重疊。針對當前的控制技術而言，通常TD對應數(shù)值越大，其對應的微分作用越強，而反之對應的TD越小，則表現(xiàn)為微分作用越弱。根據(jù)這一特性，我們將TD差分時間從小到大進行調(diào)整，最終確定TD值為100。

4試驗結(jié)果與分析

為了驗證軟硬件理論設計在整個設計在技術上的可行性和有效性，該文根據(jù)上述組成結(jié)構(gòu)進行了多次重復實驗。從而不斷提升整體效果。具體而言，該文對指揮單元手柄的動作大小進行詳細統(tǒng)計，電磁閥輸入電流和啟動時間等進給參數(shù)時，指揮單元發(fā)出指令，懸臂動作時間，履帶行程比例響應閥小于0.8 s。在此基礎上，依托預設的PC控制器PWM端口電流值結(jié)合實測裝置，來對比兩個結(jié)果之間的差異，從而來確定控制精度。

5結(jié)語

通過研究分析，可以了解電子磁通閥在裝置運行過程中的動作效率和精度對整個系統(tǒng)的性能影響情況。對此該文在此基礎上提出了采用PWM液壓控制技術來進行調(diào)節(jié)，其可通過對輸入的模擬信號編碼為穩(wěn)態(tài)的數(shù)字信令從而為穩(wěn)態(tài)控制提供了魯棒的控制信號，這對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定控制提供了優(yōu)化控制效果。同時也對該文設計的方法提供了有效的技術支持。

參考文獻

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