高速开关阀直控式闭环液压同步系统*

何 谦 刘 忠

（湖南师范大学机电技术装备研究所，湖南长沙 410081）

高速开关阀直控式闭环液压同步系统*

何 谦 刘 忠

（湖南师范大学机电技术装备研究所，湖南长沙 410081）

针对液压同步系统不同的流量要求，采用高速开关阀直接控制的方式，设计了两组共三种闭环控制回路。考虑到结构的差异，分别采用脉宽调制（PWM）、脉码调制（PCM）以及复合脉宽的控制方式，结构简单，便于集成，能够实现较高精度的同步控制。

高速开关阀 闭环同步控制 区分流量设计

大型设备因负载力很大或布局的关系，往往需设多个液压执行器同时驱动一个执行机构，因此对同步的要求非常普遍。受液压系统所固有的诸如液体压缩、泄漏、负载不均匀及摩擦阻力差异等因素的影响，基于同步阀、节流阀或调速阀等液压元件的开环同步系统，由于缺乏反馈环节，系统抵抗外界干扰的能力薄弱，不能用于有较高同步精度要求的场合。而传统的基于伺服阀或比例阀的闭环同步控制系统，尽管具有较高的控制精度，但由于其组成元件价格高昂且对油路的清洁程度要求很高，使得系统运行成本居高不下［1］。高速开关阀作为一种新型的电液控制阀，具有数字接口，不需D/A转换即可用计算机直接控制，并且还有阀体结构简单、抗污染和抗干扰能力强、可靠性高等突出优点［2］，因而将高速开关阀应用于液压伺服控制，已成为当前流体传动及控制技术领域的一个重要的研究方向。

同步控制的核心目标是保持各执行元件间运动（位移、速度等）的一致性，可供选择的闭环控制策略有“同等”及“主从”两种方式。“同等”方式是指多个执行元件共同跟踪预先设定的理想输出的驱动形式；而“主从”方式是指多个需要同步的执行元件以其中一个的输出为理想输出，其余执行元件跟踪这一选定的理想输出而达到同步的驱动形式。两种控制策略的侧重不同。相比而言，“主从”方式更侧重于执行元件之间运动的同步，而不强调对同步过程中运动规律的把握和限制，因此同步的实施相对简单，适合大多数有同步要求的场合。

1 适用于小流量的同步回路

一般来说，单个高速开关阀的通流能力有限（小于10 L/min），不能直接用于功率较大的场合。但对于负载不大的小型系统而言，却恰恰能发挥其响应快、精度高且成本低的优势，从而有效弥补伺服阀和比例阀的不足。

图1所表示的是基于“主从”方式控制策略的高速开关阀液压同步控制系统的基本结构图。系统的执行器为单出式液压缸，高速开关阀为常闭式的二位二通阀。考虑到高速开关阀所能承受的压力限制，油路采用出口节流的控制方式。图中系统将工况设定为活塞杆伸出，即只对活塞杆右移有同步的要求；如果回程亦有同步要求，只需将无杆腔的油路参照有杆腔的布置镜像即可。同时，为方便控制，系统采用了主从回路对称的结构形式，此举不仅有利于同步精度的提高，而且可使从回路的数量不受限制，从而拓宽该方案的适用范围。

该系统的工作原理为：根据系统对执行器速度的要求，控制器首先对主从两回路的高速开关阀输出一个相同的调制率D0（又叫占空比），从而限制液压缸出口流量，系统稳定后，活塞杆以一定的速度伸出。如果主回路和从回路因负载不一致等因素造成系统不能同步，布置在两活塞杆上的位移传感器3、4所传出的电信号经比较后送入回路的控制器，控制器据此调整高速开关阀2的调制率，加大或缩小从回路的通流量，以实现两回路同步。

2 针对有大流量要求的改进回路

对于有大流量要求的同步回路，如果单个高速开关阀的通流能力不能满足要求，则可采用几个高速开关阀并联的方法予以解决。可供参考的方案如下。

（1）脉码调制方式（PCM）

脉码调制方式（PCM）是指把控制信号以二进制的形式输出，去控制一组开关阀［3］，如图2所示。图中只画出了高速开关阀的组合部分，其它外围结构同图1。为了实现输出流量成比例变化，将每个高速开关阀的调制率D设置成一个固定的等差或等比数列，如D1∶D2∶D3∶D4=1∶2∶3∶4，综合节流口的面积即为各开关阀节流口的面积之和。通过设定基准开关阀的调制率，并用二进制信号控制各开关阀的启闭，便可实现对油路流量的比例调节。即，需大流量时，多个阀同时工作；系统处于稳态，只需要小流量来补偿泄漏的影响时，则可开启其中的小流量阀以满足要求。

脉码调制能有效提高回路流量的调节范围，但这种方式需要至少4个高速开关阀进行组合，而要想获得理想的成比例变化的流量，必须要同时调节基准开关阀的调制率和用以控制各开关阀通断的二进制编码，使得系统的复杂性和成本都增加不少。

（2）复合脉宽调制

复合脉宽调制控制系统原理如图3所示。图中只画出了高速开关阀的组合部分，其它外围结构同图1。该系统采用两个脉宽调制的高速开关阀，其中阀1为小流量阀，阀2为大流量阀。在需要大流量时，阀1和阀2都打开（或只打开阀2）；在需要小流量时，则只打开阀 1 或只打开阀 2［4］。

复合脉宽调制不仅能实现对较大流量的调节控制，而且系统的成本也较脉码调制的方式为低。这种方式的缺点就是控制方式比较复杂。因为高速开关阀存在死区和饱和区，工作时应尽量避免。但是如果所需的流量处于大流量阀饱和区之上，又处于大流量阀的饱和流量加小流量阀的死区流量之下，这种情况下要想实现线性调节，则必须试凑两阀的调制率，才能保证两阀都工作在线性调节区以满足控制要求。

3 结语

上述几种基于高速开关阀直接控制的闭环同步系统，小流量的方案的组成结构简单，控制方案也简单易行，可以实现很高的控制精度。并且系统可以非常方便地扩展到多缸同步，因此尽管单缸的通流量有限，如果多缸组合，仍然可以承受较大的载荷。多阀组合的大流量回路，可以有效解决高速开关阀的通流能力问题，配以恰当的控制策略，系统的快速稳定性及精度都能得到保证。

［1］许梁，杨前明.电液元件数字化技术进展［J］.现代制造技术与装备，2007（2）：65 －67.

［2］刘少军，郭淑娟.高速开关电磁阀及PWM控制技术［M］.长沙：湖南省科协第二届青学术年会论文集，1995（11）：217－221.

［3］王占林.近代电气液压伺服控制［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

［4］张志义，孙蓓，黄元峰.高速开关阀位置控制方法［J］.机床与液压，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 文献标示码：A

*2008年湖南省高等学校科研资助重点项目：大功率机械臂电液驱动系统设计、建模与控制（08A047）

何谦，男，1971年生，硕士，讲师，主要研究方向：机电系统设计及仿真分析。

（编辑 蔡云生） （

2010－02－03）

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