1、新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 新型液壓元件新型液壓元件 與集成技術與集成技術 (New-type Hydraulic Component & Integrated Technology) (New-type Hydraulic Component & Integrated Technology) 授課教師：龍威授課教師：龍威新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 掌握新型液壓元件（插裝閥、疊加閥、數字元件等）的工作原理、結構及特點 了解和掌握新型液壓元件及系統中的比例控制技術了解和掌握新型液壓元件及系統中的比例控制技術了解和掌握新型液壓元件

2、及系統中的數字控制技術 了解和掌握新型液壓元件及系統的集成技術等學科理論和知識 了解采用新型液壓元件的液壓控制系統設計方法對新型液壓元件有一個初步的認識和了解，并掌握相關知識新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 新型液壓元件新型液壓元件及集成技術及集成技術新型液壓閥與集成系統電液比例技術的基礎理論液壓控制放大器電液比例控制系統與集成技術插裝閥及其集成技術數字式液壓元件與集成技術 液壓元件疊加集成技術新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 由數字信號直接控制的液壓元件，稱為數字式液壓元件。由數字信號直接控制的液壓元件，稱為數字式液壓元件。數字控制是指

3、控制信號在進行處理和運算過程中，是以數字數字控制是指控制信號在進行處理和運算過程中，是以數字量的形式來進行的控制形式。量的形式來進行的控制形式。 液壓控制進入了與計算機相結合的電子液壓控制階段，液壓控制進入了與計算機相結合的電子液壓控制階段，出現了模擬式流體控制及脈沖流體控制，稱為連續流體控制出現了模擬式流體控制及脈沖流體控制，稱為連續流體控制和脈沖流體控制。脈沖流體控制是將電信號轉換為可直接進和脈沖流體控制。脈沖流體控制是將電信號轉換為可直接進行控制的流體脈沖，從而使液壓控制數字化。即用液壓產生行控制的流體脈沖，從而使液壓控制數字化。即用液壓產生很大的動力，通過微型計算機進行復雜的信息處理，

4、能對大很大的動力，通過微型計算機進行復雜的信息處理，能對大功率系統完成高精度、高速度和高可靠性的控制法。這就是功率系統完成高精度、高速度和高可靠性的控制法。這就是液壓數字控制的本質。液壓數字控制的本質。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 電、液、氣控制的分類電、液、氣控制的分類模擬信號數字信號電輸入放大器控制閥特征流體輸出線性運算器線性放大器模擬信號伺服閥比例閥步進電機操縱閥高速開關閥輸出脈沖流體普通開關閥連續地輸出流體微型電子計算機D/A轉換器簡單的晶體管放大器脈沖信號程序裝置 低電流、高速響應、輕型；低壓力損失；PWM 脈寬調制PFM 脈沖頻率調制PNM 脈數調制

5、PCM 脈沖碼調制PAM 脈幅調制微機繼電器開關新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 液壓數字控制技術的最大優勢是可以采用各種控制理論，液壓數字控制技術的最大優勢是可以采用各種控制理論，甚至智能控制理論，形成先進的控制手段，保證電液系統獲得甚至智能控制理論，形成先進的控制手段，保證電液系統獲得最優的性能，控制功能更強大，可實現復雜的運算，可以采用最優的性能，控制功能更強大，可實現復雜的運算，可以采用軟件代替部分復雜的硬件，簡化系統結構，提高系統控制精度。軟件代替部分復雜的硬件，簡化系統結構，提高系統控制精度。它充分地結合了液壓能傳遞較大功率的優越性與電子控制及計它充分地

6、結合了液壓能傳遞較大功率的優越性與電子控制及計算機控制的靈活性。目前研制開發的數字式液壓元件產品，有算機控制的靈活性。目前研制開發的數字式液壓元件產品，有電液數字閥、電液數字液壓馬達（直線式、旋轉式）、電液數電液數字閥、電液數字液壓馬達（直線式、旋轉式）、電液數字變量泵、電液數字缸等。字變量泵、電液數字缸等。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 電液數字控制閥（簡稱數字閥）是由數字信號直接控制液電液數字控制閥（簡稱數字閥）是由數字信號直接控制液流的壓力、流量和方向的液壓閥。計算機的輸出信號是電脈沖流的壓力、流量和方向的液壓閥。計算機的輸出信號是電脈沖序列，經驅動電源調制

7、放大，輸出一定頻率和頻寬的電壓、電序列，經驅動電源調制放大，輸出一定頻率和頻寬的電壓、電流信號，數字閥接受驅動電源的電信號，移動液壓閥芯，并根流信號，數字閥接受驅動電源的電信號，移動液壓閥芯，并根據脈沖頻率和寬度輸出相應的流量和壓力。據脈沖頻率和寬度輸出相應的流量和壓力。計算機數字式驅動電源電液數字閥液壓執行元件傳感器脈沖序列輸入pq數字閥控制系統的組成數字閥控制系統的組成新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 數字閥和電液伺服閥及比例閥相比，突出的特點是，能直數字閥和電液伺服閥及比例閥相比，突出的特點是，能直接與計算機接口，不需接與計算機接口，不需D/A轉換器，結構簡單

8、，價格低廉，抗轉換器，結構簡單，價格低廉，抗污染能力強，工作可靠，操作維修方便，數字閥的輸出量污染能力強，工作可靠，操作維修方便，數字閥的輸出量 。能。能準確，可靠地由脈沖頻率或寬度調節控制，抗干擾能力強，而準確，可靠地由脈沖頻率或寬度調節控制，抗干擾能力強，而且滯環小，重復精度高，可得到較高的開環控制精度等，因此且滯環小，重復精度高，可得到較高的開環控制精度等，因此得到了迅速發展。在計算機實時控制的電液系統中，能取代伺得到了迅速發展。在計算機實時控制的電液系統中，能取代伺服閥和比例閥。服閥和比例閥。 新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 數數字字閥閥、電電液液比比例例

9、閥閥和和伺伺服服閥閥的的性性能能比比較較 閥類 項目 增量式數字閥 高速開關式數字閥 伺服閥 電液比例閥 介質過濾精度/m 25 25 3 20 工作簡易程度 容易 容易 難 較容易 滯環、重復精度 0.1% 3% 3% 抗污染能力 很強 差 較強 負載敏感度 好 好 好 抗干擾能力 強 強 中 中 溫度漂移(2060) 2% 23% 68% 閥內壓降/MPa 0.255 7 0.52 新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 控制方式 簡單 較復雜 較簡單 響應 階躍0.10.25s 2030Hz 10Hz 動態響應 較低 高 中 中位死區 有 有 無 有 結構 簡單 簡

10、單 復雜 較簡單 功耗 中(8w) 低(0.055w) 中(315w) 價格因子 1 0.5 3 1 按控制方式不同，可分為增量式數字閥和脈寬調制按控制方式不同，可分為增量式數字閥和脈寬調制（PWM）式高速開關數字閥兩大類。）式高速開關數字閥兩大類。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 脈沖信號脈沖信號 脈沖是脈動和短促的意思，凡是具有不連續波形的信脈沖是脈動和短促的意思，凡是具有不連續波形的信號均可稱為脈沖信號。廣義講，各種非正弦信號都是脈沖號均可稱為脈沖信號。廣義講，各種非正弦信號都是脈沖信號。信號。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 脈沖

11、信號的參數脈沖信號的參數trtftpT0.9 Um0.5 Um0.1 UmUm矩形脈沖信號的主要參數矩形脈沖信號的主要參數 脈脈沖沖幅幅度度 脈沖周期脈沖周期脈沖寬度脈沖寬度上升時間上升時間下降時間下降時間占空比占空比D D脈沖寬度與脈沖周期的比值，脈沖寬度與脈沖周期的比值，D Dt tp p/T/T 。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 增量式數字閥的控制方式增量式數字閥的控制方式是采用由脈沖數調制（是采用由脈沖數調制（PNM）演變而成的增量控制方式。電演變而成的增量控制方式。電/機轉換器是步進電機，用它來機轉換器是步進電機，用它來驅動液壓閥芯工作的，因此又驅動液壓

12、閥芯工作的，因此又稱步進式數字閥。高速開關式稱步進式數字閥。高速開關式數字閥的控制方式主要是脈寬數字閥的控制方式主要是脈寬調制式（調制式（PWM），按被調制），按被調制的參數不同，還有脈幅調制的參數不同，還有脈幅調制（PAM），脈碼調制（），脈碼調制（PCM），），脈數調制脈數調制(PNM)和脈頻調制和脈頻調制(PFM)等。等。PAMPWMPCMPNMTtPFMR五種脈沖量的調制方法五種脈沖量的調制方法新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 脈幅調制脈幅調制(PAM)：用調制信號控制脈沖序列的幅度，使脈：用調制信號控制脈沖序列的幅度，使脈沖幅度在其平均值上下隨調制信號的瞬

13、時值變化。這是脈沖調沖幅度在其平均值上下隨調制信號的瞬時值變化。這是脈沖調制中最簡單的一種。脈幅調制是制中最簡單的一種。脈幅調制是A.H.里夫在里夫在20世紀世紀30年代發明年代發明的，在第二次世界大戰中期已付之實用。但后來發現，脈幅調的，在第二次世界大戰中期已付之實用。但后來發現，脈幅調制的已調波在傳輸途徑中衰減制的已調波在傳輸途徑中衰減,抗干擾能力差，往往只用作連續抗干擾能力差，往往只用作連續信號采樣的中間步驟。信號采樣的中間步驟。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 脈寬調制脈寬調制(PDM)：用調制信號控制脈沖序列中各脈沖的：用調制信號控制脈沖序列中各脈沖的寬度

14、，使每個脈沖的持續時間與該瞬時的調制信號值成比例。寬度，使每個脈沖的持續時間與該瞬時的調制信號值成比例。此時脈沖序列的幅度保持不變，被調制的是脈沖的前沿或后沿，此時脈沖序列的幅度保持不變，被調制的是脈沖的前沿或后沿，或同時是前后兩沿，使脈沖持續時間發生變化。脈寬調制也是或同時是前后兩沿，使脈沖持續時間發生變化。脈寬調制也是20世紀世紀30年代里夫發明的。年代里夫發明的。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 脈位調制脈位調制(PPM)：用調制信號控制脈沖序列中各脈沖的：用調制信號控制脈沖序列中各脈沖的相對位置（即相位），使各脈沖的相對位置隨調制信號變化。相對位置（即相位）

15、，使各脈沖的相對位置隨調制信號變化。此時脈沖序列中脈沖的幅度和寬度均保持不變。脈位調制在第此時脈沖序列中脈沖的幅度和寬度均保持不變。脈位調制在第二次世界大戰中期已付之實用。脈位調制的傳輸性能較好，常二次世界大戰中期已付之實用。脈位調制的傳輸性能較好，常用于視距微波中繼通信系統。用于視距微波中繼通信系統。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 脈頻調制脈頻調制(PFM)：用調制信號控制脈沖的重復頻率，即：用調制信號控制脈沖的重復頻率，即單位時間內脈沖的個數，使脈沖的重復頻率隨調制信號變化。單位時間內脈沖的個數，使脈沖的重復頻率隨調制信號變化。此時脈沖序列中脈沖的幅度和寬度均

16、保持不變。主要用于儀表此時脈沖序列中脈沖的幅度和寬度均保持不變。主要用于儀表測量等方面。測量等方面。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 脈碼調制脈碼調制(PCM)：1937年脈幅調制和脈寬調制的發明者年脈幅調制和脈寬調制的發明者A.H.里夫提出用脈沖的有無的組合來傳遞聲音，后來把這種方里夫提出用脈沖的有無的組合來傳遞聲音，后來把這種方法稱為脈碼調制。但脈碼調制到法稱為脈碼調制。但脈碼調制到20世紀世紀50年代才開始實用化。年代才開始實用化。脈碼調制有三個過程：采樣、量化和編碼。即先對信號進行采脈碼調制有三個過程：采樣、量化和編碼。即先對信號進行采樣，并對采樣值進行量化

17、（整量化），再對經過采樣和量化后樣，并對采樣值進行量化（整量化），再對經過采樣和量化后的信號幅度進行編碼，因此脈碼調制的本質不是調制，而是數的信號幅度進行編碼，因此脈碼調制的本質不是調制，而是數字編碼，所以能充分保證傳輸質量。由編碼得到的數字信號可字編碼，所以能充分保證傳輸質量。由編碼得到的數字信號可根據需要再對高頻振蕩載波進行調制。脈碼調制不是用改變脈根據需要再對高頻振蕩載波進行調制。脈碼調制不是用改變脈沖序列的參數來傳輸信息，而是用參數固定的脈沖的不同組合沖序列的參數來傳輸信息，而是用參數固定的脈沖的不同組合來傳遞信息來傳遞信息 。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課

18、程 新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 增量式數字閥就是步進電機驅動的液壓閥。步進電機轉增量式數字閥就是步進電機驅動的液壓閥。步進電機轉角與輸入脈沖數成比例，步進電機每得到一個脈沖信號，便角與輸入脈沖數成比例，步進電機每得到一個脈沖信號，便得到與輸入脈沖數成比例的轉角，每個脈沖使步進電機沿給得到與輸入脈沖數成比例的轉角，每個脈沖使步進電機沿給定的方向轉動一固定的步距角，再通過機械轉換器（絲桿定的方向轉動一固定的步距角，再通過機械轉換器（絲桿-螺母副或凸輪機構），使轉角轉換成軸向位移，帶動閥芯移螺母副或凸輪機構），使轉角轉換成軸向位移，帶動閥芯移動相應的步數，得到與之相

19、適應的閥開口度，從而獲得與輸動相應的步數，得到與之相適應的閥開口度，從而獲得與輸入脈沖數成比例的壓力，流量值。入脈沖數成比例的壓力，流量值。 微型計算機電源和驅動器步進 電機機械式轉換器液壓閥 主體液壓缸或馬達及負載被控量傳感器脈沖序列步距角 位移 x 流量 q壓力 p增量式數字閥新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 . .輸入脈沖數和頻率液壓輸出（壓力、流量）閥步數（位置）輸入脈沖數與壓力、流量的變化量成比例移動步數(b)輸入輸出特性(a)脈沖速率與液壓輸出的關系T/sT/sT/s壓力、流量壓力、流量（與輸入脈沖數成比例） 1放大1脈沖速率與液壓輸出的相互關系0 1

20、2 3 4 5 6 7閥的步數新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 閥的輸出量與輸入脈沖數成正比，輸出響應速度與輸入閥的輸出量與輸入脈沖數成正比，輸出響應速度與輸入脈沖頻率成正比，對于步進電機的步距角，閥的輸出量有一脈沖頻率成正比，對于步進電機的步距角，閥的輸出量有一定的分辨率，它直接決定了閥的最高控制精度。定的分辨率，它直接決定了閥的最高控制精度。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 由于步進電機的控制方式為步進的，對輸入的脈沖數有由于步進電機的控制方式為步進的，對輸入的脈沖數有記憶作用，并且輸出量與累計的輸入脈沖數量成比例，所以記憶作用，并且

21、輸出量與累計的輸入脈沖數量成比例，所以這種控制方式又稱脈數調節這種控制方式又稱脈數調節(PNM)控制。控制。 實際上，每一采樣周期的步數是在原有采樣周期的基礎實際上，每一采樣周期的步數是在原有采樣周期的基礎上增加或減少一些步數來實現，因此上增加或減少一些步數來實現，因此PNM的控制方式已演化的控制方式已演化為增量控制方式，從而達到需要的幅值。這種在前一次控制為增量控制方式，從而達到需要的幅值。這種在前一次控制的基礎上，增加或減少一些脈沖數（反向控制）以達到控制的基礎上，增加或減少一些脈沖數（反向控制）以達到控制目的的方法稱為增量控制法。目的的方法稱為增量控制法。 新型液壓元件及集成技術昆明理工

22、大學流體傳動與控制技術模塊課程 步進電機是數字閥的組成部步進電機是數字閥的組成部分。它是一種分。它是一種D/A轉換型的電轉換型的電機機轉換器，利用電磁作用原理工作，轉換器，利用電磁作用原理工作，接受電脈沖信號，而輸出脈沖型接受電脈沖信號，而輸出脈沖型機械轉角，最后使液壓閥在脈沖機械轉角，最后使液壓閥在脈沖流體控制下工作。由定子和轉子流體控制下工作。由定子和轉子組成，轉子是一導磁體，定子是組成，轉子是一導磁體，定子是由繞有由繞有A.B.C.D四相激磁繞組的四四相激磁繞組的四對極靴構成，當定子得到脈沖信對極靴構成，當定子得到脈沖信號，各相繞組依次通電時利用轉號，各相繞組依次通電時利用轉子和定子間的

23、徑向間隙吸力使轉子和定子間的徑向間隙吸力使轉子被吸合，促使轉子一步步轉動，子被吸合，促使轉子一步步轉動，輸出轉角與輸入脈沖數嚴格成比輸出轉角與輸入脈沖數嚴格成比例。在時間上轉角與輸入脈沖同例。在時間上轉角與輸入脈沖同步，即轉速與輸入信號的脈沖頻步，即轉速與輸入信號的脈沖頻率有關。率有關。123BCDABCDA1轉子鐵芯；轉子鐵芯； 2定子鐵芯；定子鐵芯；3定子繞組定子繞組新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 123BCDABCDA1轉子鐵芯；轉子鐵芯； 2定子鐵芯；定子鐵芯；3定子繞組定子繞組 轉子每一步的轉角稱為步距角。轉子每一步的轉角稱為步距角。為使步進電機得到較小

24、的步距角，為使步進電機得到較小的步距角，在定子的每一極上和轉子的外周上在定子的每一極上和轉子的外周上分割出若干小的輪齒，并且定子相分割出若干小的輪齒，并且定子相鄰極靴上的齒，在周向錯開鄰極靴上的齒，在周向錯開1/4齒齒距。若脈沖分配器按距。若脈沖分配器按A-B-C-D順序順序向各相依次通電，轉子每步轉動至向各相依次通電，轉子每步轉動至其某齒軸線和通電定子極靴中心齒其某齒軸線和通電定子極靴中心齒軸線對齊位置。軸線對齊位置。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 脈寬調制式脈寬調制式(PWM)數字閥又稱高速開關數字閥，其數字信數字閥又稱高速開關數字閥，其數字信號控制方式為脈寬

25、調制式。即控制液壓閥的信號是一系列幅值號控制方式為脈寬調制式。即控制液壓閥的信號是一系列幅值相等，而在每一周期內寬度不同的脈沖信號。其實質是高速開相等，而在每一周期內寬度不同的脈沖信號。其實質是高速開關閥通過脈寬調制關閥通過脈寬調制(PWM)使流體形成脈沖流體，再利用脈沖寬使流體形成脈沖流體，再利用脈沖寬度的變化而連續地控制流量和壓力的變化。度的變化而連續地控制流量和壓力的變化。 微型計算機 脈寬調制放大器 電/機 轉換器 液壓閥 主 體 液壓執行器 傳感器 被控量 高速快關式數字閥 脈寬調制式高速開關數字閥控制系統工作原理框圖脈寬調制式高速開關數字閥控制系統工作原理框圖新型液壓元件及集成技術

26、昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 高速開關數字閥由電磁式驅動器和液壓閥組成高速開關數字閥由電磁式驅動器和液壓閥組成,其中液壓閥其中液壓閥的工作原理及結構與其它閥不同的工作原理及結構與其它閥不同, 它是一種快速切換的開關它是一種快速切換的開關,只只有全開和全閉兩種工作狀態，以開啟時間的長短來控制流量或有全開和全閉兩種工作狀態，以開啟時間的長短來控制流量或壓力等液壓參數，其驅動部件仍以電磁式電氣機械轉換器為壓力等液壓參數，其驅動部件仍以電磁式電氣機械轉換器為主，主要是力矩馬達和各種電磁鐵。脈寬調制信號是頻率不變，主，主要是力矩馬達和各種電磁鐵。脈寬調制信號是頻率不變，開啟時間比率不同的脈沖信

27、號。開啟時間開啟時間比率不同的脈沖信號。開啟時間tp稱為有效脈寬時間，稱為有效脈寬時間，tp對采樣周期的比值對采樣周期的比值tp/T稱為脈寬占空比。稱為脈寬占空比。 (b) (a) 0tpTttq qqo連續信號脈寬信號 (b) (a) 0tpTttq qqo連續信號脈寬信號信號的脈寬調制信號的脈寬調制新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 6.3 典型的數字閥結構6.3.1 數字溢流閥6.3.2 數字流量閥 (1) 直接驅動式 (2) 壓力補償式6.3.3 數字方向閥6.3.4 高速開關數字閥 (1) 滑閥式

28、 (2) 錐閥式 (3) 球閥式 1. (4)壓電晶體式 (5)超磁滯伸縮式新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 ( a ) 結構圖 ( c ) 先導式職能符號 圖6 . 1 0 增量式電液數字溢流閥 1 步進電機；2 支架；3 凸輪；4 電機軸；5 蓋板；6 調節桿；7 閥體；8 出油口T ；9 進油口P ；1 0 復位彈簧；1 1 主閥芯；1 2 遙控口K ；1 3 ，1 5 ，1 6 阻尼；1 4 閥套；1 7 導閥座；1 8 導閥芯；1 9 調節彈簧； 2 0 閥蓋；2 1 彈簧座；2 2 零位傳感器 MPT(b)直動式職能符號新型液壓元件及集成技術昆明理工大學

29、流體傳動與控制技術模塊課程 凸輪凸輪3將步進電機的旋轉運動轉變為調節桿將步進電機的旋轉運動轉變為調節桿6的軸向往復運動。的軸向往復運動。先導閥調節彈簧先導閥調節彈簧19的壓縮量由步進電機通過凸輪、調節桿給定，的壓縮量由步進電機通過凸輪、調節桿給定，從而調節了先導錐閥芯從而調節了先導錐閥芯18開口處的壓力。開口處的壓力。閥的最高壓力和最低壓力取決于凸輪閥的最高壓力和最低壓力取決于凸輪3的導程和先導閥調節彈簧的導程和先導閥調節彈簧19的剛度。的剛度。該閥的該閥的電電機轉換器機轉換器為混合式步進電機；為混合式步進電機； 機械轉換器機械轉換器為凸輪機構。為凸輪機構。工作原理：工作原理：新型液壓元件及集

30、成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 增量式數字流量閥1步進電機；步進電機；2滾珠絲杠；滾珠絲杠；3節流閥閥芯；節流閥閥芯；4閥套；閥套；5連桿；連桿；6零位傳感器零位傳感器增量式數字流量閥增量式數字流量閥新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 步進電機步進電機1的轉動通過滾珠絲杠的轉動通過滾珠絲杠2轉化為軸向位移，帶動節轉化為軸向位移，帶動節流閥閥芯流閥閥芯3移動，控制閥口的開度，從而實現流量調節。移動，控制閥口的開度，從而實現流量調節。 該閥的閥口由相對運動的閥芯該閥的閥口由相對運動的閥芯3和閥套和閥套4組成，閥套上有兩組成，閥套上有兩個通流孔口。左邊一個為全

31、周開口，右邊一個為非全周開口。個通流孔口。左邊一個為全周開口，右邊一個為非全周開口。閥芯移動時先打開右邊的節流口，得到較小的控制流量；閥芯閥芯移動時先打開右邊的節流口，得到較小的控制流量；閥芯繼續移動，則打開左邊閥口，流量增大。繼續移動，則打開左邊閥口，流量增大。 工作原理：工作原理：新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 閥的液流流入方向為軸向，流出方向與軸線垂直，這樣閥的液流流入方向為軸向，流出方向與軸線垂直，這樣可抵消一部分閥開口流量引起的液動力，并使結構緊湊。可抵消一部分閥開口流量引起的液動力，并使結構緊湊。 連桿連桿5的熱膨脹，可起溫度補償作用，減小溫度變化引的

32、熱膨脹，可起溫度補償作用，減小溫度變化引起流量的不穩定。起流量的不穩定。 閥上的零位傳感器閥上的零位傳感器6用于在每個控制周期終了控制閥芯用于在每個控制周期終了控制閥芯回到零位，以保證每個工作周期有相同的起始位置，提高閥回到零位，以保證每個工作周期有相同的起始位置，提高閥的重復精度。的重復精度。特特 點：點：新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 1 噴嘴；噴嘴；2 擋板；擋板；3 流量控制閥流量控制閥4 壓力補償閥芯壓力補償閥芯5 彈簧彈簧6、7 固定節流孔固定節流孔新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 該閥的液壓部分由該閥的液壓部分由噴嘴擋板閥

33、噴嘴擋板閥、流量控制滑閥流量控制滑閥和和壓力壓力補償閥補償閥組成。組成。 流量控制閥芯流量控制閥芯3 3左右端的承壓面積分別為左右端的承壓面積分別為A A1 1、A2A2且之比且之比為為1 1：2 2。先導控制壓力油作用于。先導控制壓力油作用于A1A1腔，同時經阻尼孔腔，同時經阻尼孔7 7進進入入A2A2腔。腔。A2A2腔壓力也即噴嘴腔壓力也即噴嘴1 1前的壓力，前的壓力，此壓力受噴嘴檔此壓力受噴嘴檔板閥控制。當步進電機以一定步數轉動，通過凸輪使檔板板閥控制。當步進電機以一定步數轉動，通過凸輪使檔板2 2位移，擋板和噴嘴之間的距離減少，位移，擋板和噴嘴之間的距離減少，A A2 2面上壓力升高，

34、面上壓力升高，流量控制流量控制閥芯閥芯3 3在此壓力作用下得到相應位移，打開節流在此壓力作用下得到相應位移，打開節流控制口，液流從控制口，液流從P P腔至腔至C C腔得到與步數成比例的流量。主閥腔得到與步數成比例的流量。主閥芯運動使噴嘴與擋板間距離加大回到原始狀態，即芯運動使噴嘴與擋板間距離加大回到原始狀態，即A A1 1、A2A2面上的總作用力平衡時停止。面上的總作用力平衡時停止。 工作原理：工作原理：新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 1 定義：定義： 高速開關式高速開關式數字數字閥：閥：又稱脈寬調制式數字閥。又稱脈寬調制式數字閥。2 分類：分類：(1) 按按工作

35、位置數目及通道數工作位置數目及通道數可分為可分為:三位四通、二三位四通、二位三通和二位二通。（其中二位三通和二位二通兩位三通和二位二通。（其中二位三通和二位二通兩種最常見。）種最常見。）(2) 按按電電-機轉換裝置機轉換裝置可分為可分為: 螺管電磁鐵式、盤式螺管電磁鐵式、盤式電磁鐵式、力矩馬達式和壓電晶體式等多種。電磁鐵式、力矩馬達式和壓電晶體式等多種。(3) 按按閥芯的結構形式閥芯的結構形式可分為可分為: 圓柱滑閥式、錐閥式、圓柱滑閥式、錐閥式、球閥式和噴嘴擋板式球閥式和噴嘴擋板式 。 新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 這種閥的優點是容易獲得液壓力平衡和液動力補償

36、，可在較這種閥的優點是容易獲得液壓力平衡和液動力補償，可在較大的壓力和流量下工作，可得到多工位和多通道的開關閥，但會大的壓力和流量下工作，可得到多工位和多通道的開關閥，但會使工作行程加長，影響快速性，要求加工精度高，而密封性差，使工作行程加長，影響快速性，要求加工精度高，而密封性差，因泄漏會影響控制精度。電磁鐵斷電時，彈簧因泄漏會影響控制精度。電磁鐵斷電時，彈簧5使閥芯使閥芯4復位保持復位保持在在A口和口和T口相通位置上，電磁鐵通電時，銜鐵口相通位置上，電磁鐵通電時，銜鐵1左移通過推桿左移通過推桿2使使閥芯閥芯4左移左移P口與口與A口相通。口相通。 螺管電磁鐵驅動的螺管電磁鐵驅動的滑閥式二位三

37、通滑閥式二位三通高速開關數字閥高速開關數字閥1銜鐵；銜鐵；2推推桿；桿；3閥套；閥套；4閥芯；閥芯；5彈簧彈簧新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 此閥的優點是可克服滑閥的行程長和泄漏，也可克服球閥的此閥的優點是可克服滑閥的行程長和泄漏，也可克服球閥的壓力不平衡，作為二位二通開關數字閥比較理想，但不能做成三壓力不平衡，作為二位二通開關數字閥比較理想，但不能做成三通或四通開關數字閥。通或四通開關數字閥。 盤式電磁鐵盤式電磁鐵-錐閥組合的數字閥結構圖錐閥組合的數字閥結構圖1盤式電磁鐵；盤式電磁鐵；2彈簧；彈簧；3錐形閥芯；錐形閥芯；4閥套閥套 通電時盤式銜鐵通電時盤式銜鐵1

38、左左移，帶動閥芯移，帶動閥芯3開啟閥口；開啟閥口；斷電時彈簧斷電時彈簧2壓銜鐵向右壓銜鐵向右復位，閥口關閉。在恒復位，閥口關閉。在恒定的采樣周期內，控制定的采樣周期內，控制“開開”“”“關關”時間，即時間，即可得到不同的流量。盤可得到不同的流量。盤式電磁鐵主要受表面力式電磁鐵主要受表面力作用，電磁作用力較大，作用，電磁作用力較大，可達可達120N，而行程較短，而行程較短，因此這種閥的閥芯行程因此這種閥的閥芯行程也較短。也較短。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 電磁鐵驅動的錐閥式高速開關數字閥電磁鐵驅動的錐閥式高速開關數字閥1錐閥芯；錐閥芯；2銜鐵；銜鐵；3彈簧；彈簧

39、；4線圈；線圈；5阻尼孔；阻尼孔；6閥套閥套 當線圈當線圈4通電時，銜通電時，銜鐵鐵2右移，使與其連接的右移，使與其連接的錐閥芯錐閥芯1開啟，壓力油從開啟，壓力油從P口經閥體流入控制腔口經閥體流入控制腔A口，為防止開啟時閥因穩口，為防止開啟時閥因穩態液動力而關閉和減小控態液動力而關閉和減小控制電磁力，該閥通過射流制電磁力，該閥通過射流對鐵芯的作用來補償液動對鐵芯的作用來補償液動力。斷電時，彈簧力。斷電時，彈簧3使錐使錐閥關閉。閥套閥關閉。閥套6上有一阻上有一阻尼孔尼孔5，用以補償液動力。，用以補償液動力。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 6.4 6.4 數字閥的性能

40、分析數字閥的性能分析6.4.1 靜態特性靜態特性 (1) 增量式數字閥的靜態特性增量式數字閥的靜態特性 (2) 高速開關閥的靜態特性高速開關閥的靜態特性 (3) 改善靜態特性的途徑改善靜態特性的途徑6.4.2 動態特性動態特性 (1) 增量式數字閥的動態特性增量式數字閥的動態特性 (2) 高速開關閥的動態特性高速開關閥的動態特性 (3) 改善動態特性的途徑改善動態特性的途徑 數字閥的性能指標，既與數字閥的性能指標，既與閥本身的性能閥本身的性能有關，也有關，也與與控制信號和放大器的結構控制信號和放大器的結構及及主機的匹配主機的匹配有關，是一有關，是一項綜合性指標。項綜合性指標。新型液壓元件及集成

41、技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 數字閥的靜態特性可用輸入的脈沖數或脈寬數字閥的靜態特性可用輸入的脈沖數或脈寬占空占空比與輸出流量或壓力比與輸出流量或壓力之間的關系式或曲線表示。之間的關系式或曲線表示。（a）壓力閥特性）壓力閥特性 （b）流量閥特性）流量閥特性 （c）方向流量閥特性）方向流量閥特性增增量式數字閥的靜態特性曲線量式數字閥的靜態特性曲線新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 增量式數字閥的增量式數字閥的分辨率：分辨率：是指是指閥的被控量從最低至最高所對應閥的被控量從最低至最高所對應的脈沖數的脈沖數。此數大，則分辨率高。此數大，則分辨率高。 閥的其他靜

42、態性能指標還包括：閥的其他靜態性能指標還包括：線性度線性度、滯環滯環、死區死區、飽和飽和等。等。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 脈寬占空比脈寬占空比1 1二位三通型流量特性二位三通型流量特性 脈寬占空比脈寬占空比1二位三通型壓力特性二位三通型壓力特性 閥的靜態性能與閥的靜態性能與采樣周期采樣周期T有關：當有關：當T較小時，由于可控脈寬相應較小，較小時，由于可控脈寬相應較小，所以輸出控制流量也較小；反之亦然。所以輸出控制流量也較小；反之亦然。 閥有約閥有約20%的死區的死區和和10-20%的飽和區的飽和區。 閥的平均流量閥的平均流量q隨著占空比的增加而增加，并且基本

43、滿足線性關系。在隨著占空比的增加而增加，并且基本滿足線性關系。在占空比不變時，閥的占空比不變時，閥的q隨供油壓力增加而增加：隨供油壓力增加而增加： (1) 調制頻率較低時，曲線粗糙度大即流量脈動大，調制頻率較低時，曲線粗糙度大即流量脈動大， (2) 隨著調制頻率的增加，流量脈動會減小。隨著調制頻率的增加，流量脈動會減小。 閥有較好的線性度。閥有較好的線性度。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 對于對于增量式數字閥增量式數字閥，可通過選用，可通過選用步距角較小的步進電機步距角較小的步進電機或或采取采取分頻分頻等措施提高閥的分辨率，從而提高閥的控制精度。等措施提高閥的分辨

44、率，從而提高閥的控制精度。(2) 對于對于脈寬調制式數字閥脈寬調制式數字閥，當控制信號太小時不足以驅動閥，當控制信號太小時不足以驅動閥芯，太大時又使閥始終處于吸合狀態，因而有起始脈寬和芯，太大時又使閥始終處于吸合狀態，因而有起始脈寬和終止脈寬限制。起始脈寬對應死區，終止脈寬對應飽和區，終止脈寬限制。起始脈寬對應死區，終止脈寬對應飽和區，兩者決定了數字閥實際的工作區域。因此，可以兩者決定了數字閥實際的工作區域。因此，可以用控制軟用控制軟件在控制程序中或放大器的硬件結構中把死區和飽和區消件在控制程序中或放大器的硬件結構中把死區和飽和區消除除，使控制系統不出現死區和飽和現象。當采樣周期較小，使控制系

45、統不出現死區和飽和現象。當采樣周期較小時，最大可控流量也小，相當于分辨率提高。時，最大可控流量也小，相當于分辨率提高。改善靜態特性的途徑：改善靜態特性的途徑：新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 增量式數字壓力閥的階躍特性曲線增量式數字壓力閥的階躍特性曲線接觸控制接觸控制程序控制程序控制 增量式數字閥的動態特性主要用增量式數字閥的動態特性主要用響應時間響應時間和和超調量超調量來衡量。來衡量。與輸入信號的控制規律密切相關。與輸入信號的控制規律密切相關。信號本身有信號本身有0.045s的滯后，然的滯后，然后等速上升，輸出壓力有一定的超調量。后等速上升，輸出壓力有一定的超調量

46、。 采用采用程序控制方式程序控制方式，使輸入信號減速上升或下降達到額定值，使輸入信號減速上升或下降達到額定值，可減少壓力超調，縮短響應時間。可減少壓力超調，縮短響應時間。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 增量式數字流量對負載壓力變化的響應增量式數字流量對負載壓力變化的響應 數字流量閥的動態特性除了輸出量對輸入信號的響應時間之數字流量閥的動態特性除了輸出量對輸入信號的響應時間之外，有時還要考察外，有時還要考察輸出流量隨出口壓力變化的瞬態過程輸出流量隨出口壓力變化的瞬態過程。圖。圖示是示是增量式數字流量閥對階躍信號的瞬態響應曲線。可見這種閥抗干增量式數字流量閥對階躍信號

47、的瞬態響應曲線。可見這種閥抗干擾能力和穩定性均比較好。擾能力和穩定性均比較好。新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 這種閥的動態特性主要是這種閥的動態特性主要是響應時間響應時間。由于閥芯的位移較難測。由于閥芯的位移較難測量，可用控制電流波形的轉折點得到閥芯的切換時間。量，可用控制電流波形的轉折點得到閥芯的切換時間。 脈寬調制頻率：脈寬調制頻率：fp=200Hz，脈寬占空比：脈寬占空比：=50%，閥的工作壓力：閥的工作壓力：15MPa 新型液壓元件及集成技術昆明理工大學流體傳動與控制技術模塊課程 對于對于數字閥數字閥：因為增量式數字閥對輸入信號的響應時間與：因為增量式數字

48、閥對輸入信號的響應時間與使用的驅動器及勵磁方式有關，采樣頻率對其動態特性也使用的驅動器及勵磁方式有關，采樣頻率對其動態特性也有較大影響；所以可采用有較大影響；所以可采用高、低壓過激驅動高、低壓過激驅動和和抑制電路抑制電路來來提高其開關速度，用提高其開關速度，用程序優化控制程序優化控制可得到良好的動態特性。可得到良好的動態特性。 (2) 對于對于脈寬調制式數字閥脈寬調制式數字閥：可采用：可采用壓電晶體或超磁致伸縮壓電晶體或超磁致伸縮材料驅動的電機轉換器材料驅動的電機轉換器；為了使閥的開啟速度既無滯后壽；為了使閥的開啟速度既無滯后壽命又長，在電流放大回路中可選擇命又長，在電流放大回路中可選擇性能優良的變阻器與閥性能優良的變阻器與閥并聯并聯，可獲得很好的動態特性。，可獲得很好的動態特性。改善動態特性的途徑：