1、基于PWM控制技術的電液比例閥特性的研究李光彬，張雪梅，趙  光    摘  要：介紹基于PWM（Pulse Width Modulation）控制技術的電液比例閥的特點和原理。提出了通過改進PWM技術提高控制精度的一般方法。    關鍵詞：電液比例閥；PWM技術；控制精度    中圖分類號：TH137.52    文獻標識碼：B    電液比例閥可以采用性價比高的螺管式比例電磁鐵進行控制，構成比例溢流閥、比例流量閥、比例方向

2、閥等。在一般工程技術只需對力、位移、速度等參量進行控制，對動態性能要求不高，所以電液比例閥能滿足要求，因此已被廣泛采用。    電液比例控制的核心是控制電流。模擬式控制功率輸出級到比例閥線圈的電流是連續的，功率器件功耗大，需加裝散熱裝置。而PWM控制功率輸出級為開關型結構，功耗小；PWM信號中包含了同頻率的脈動量，無需另加顫振信號，抗干擾和抗污染能力強，滯后時間短，重復精度高；由于采用數控，與計算機連接方便，可實現程序控制。    一、電液比例閥的結構及控制器特點    比例閥的結構如圖1所示，是一個三通

3、閥。兩個比例電磁鐵分別控制閥芯的雙向運動，兩端分別有對中復位彈簧。它也可當二通閥用作閥口，并對稱的分為兩組，在軸線方向相對錯開一定的距離，既保持了較高的分辨率，又獲得了較大的控制流量輸出。比例電磁鐵能根據電流的大小產生相應的電磁力，從而能按比例進行控制。    電液比例閥控制器主要解決快速性、電磁滯環和摩擦滯環以及超調量較大的問題。而其控制作用的優勢，直接影響到比例閥的工作性能和可靠性。    采用先進可控的PWM技術，在輸出電路上產生可變的開關電壓，使功率放大管只處于飽和導通和截止狀態，所以功率低、不需加散熱片，這樣可提高功放輸出開

4、關電壓U及縮短電流上升的時間，使輸出響應加快，并提高抗干擾能力，另一方面，功放電壓U加在比例電磁鐵線圈上，由于線圈上的電感作用使其電流I變為小幅度充放電波動的疊加交流信號的直流電流，起到顫振作用，能夠有效降低摩擦，減少磁滯和死區現象，提高電磁鐵靈敏度。顫振作用的效果取決于電流波動的頻率和幅值，頻率低和幅值大時效果明顯，但頻率太低、幅值過大時又會引起系統不穩。通常將方波頻率選取在電磁鐵芯無阻尼自然頻率的1.22倍范圍。    二、電液比例閥線圈的電流模型    比例閥線圈的電壓波形為周期一定、脈沖寬度可控的矩形波。由于脈沖周期遠小于閥芯

5、的響應周期，所以閥芯的運動只響應PWM信號的平均值。PWM電路基本的形式如圖2所示。PWM信號控制著開關管的導通與截止。    占空比 式中：tH三級管導通時間；      tMPWM周期，tM=tH +tL (tL為三極管關斷時間）。    由圖3可知，當占空比D和周期t取值比較合適時，可使比例閥電流保持在平均值。    當占空比從0到100變化時，平均電流I可以從0變化到穩態電流U/RL。取U=24V, R L=12，圖4給出了D、I的仿真關系曲線。可

6、以看出tM與t（比例閥時間參數）的比值越小，I與D的關系越接近直線。當tM與t的比值較大時，占空比只能在某個范圍內取值，平均電流I才與占空比D成近似直線關系。    占空比D的大小可通過對單片機的定時器編程來改變，t的大小可以通過在線圈上串聯電阻來改變。    三、基于PWM控制的電液比例閥的流量特性曲線    圖5所示為一基于PWM控制的電液比例閥的流量特性曲線，當占空比較小時，存在著流量死區，占空比較大時存在著流量飽和現象。這是因為施加給閥的控制信號是矩形電壓波，對應于此電壓波，閥線圈上的電流只能相對

7、緩慢地增大，當大到一定程度才能產生足夠的電磁力來克服彈簧力，而使閥芯移動。    閥芯移動時間的滯后不僅影響液壓系統的動態性能，而且降低控制精度，為了提高控制精度，必須設法消除或減少閥的時間滯后，常用的方法如下。    1對滯后時間進行補償。這一方法首先測定閥滯后時間。在決定占空比D時，根據滯后時間，預先加寬調制脈沖幅以抵消滯后時間的影響。    2差動PWM控制方法。采用對時間滯后進行補償雖然可以消除死區現象，但是閥的流量特性曲線的非線性并未得到改善。采用差動PWM控制方法后，有望使該問題得到改善。    四、結論    使用PWM控制的電液比例閥結構簡單、成本低，對一般的工業可滿足要求，對于精度及動態特性要求很高時可采用閉環控制解決。另外它還有可與計算機直接接口、抗污染性能強、增益特性改變靈活等優點，故有著廣泛的應用前景。參考文獻：1宮文斌，劉聽暉，孫延偉電液比例PWM控制方法J吉林大學學報（工學版），2003，(3)；104-106.2倪文波，王雪梅，李蕭，陳勇等基于PWM技術的電控比例閥研究J機車電傳動，2005，(3):12-15.3李世