液压系统的电子控制

移动设备在技术方面变得越来越复杂，对液压系统进行电子控制控制的需求也在随之攀升。

电子元件的坚固和可靠性已经得到大幅提升，现在已经可以承受移动设备应用中的恶劣环境条件。

复杂的电子控制器通常只提供低能量控制信号。用于电磁驱动的液压阀时，通常需要对控制信号进行放大。用于液压设备的电子控制器通常都配有所需的放大功能。

 

为什么选用脉宽调制 PWM?

对阀的线圈施加电压后，线圈中的电流会产生磁场，从而产生力使滑阀芯或锥阀芯移动。输入电压除以线圈电阻等于通过线圈的电流。用于开关阀时这一点非常明显，但是对于比例阀而言，只有当通过改变输入电流，可以准确地控制阀芯位置时才有用。

使用简单的可变电阻可以改变电阻值，从而改变输入电流。这种控制方法效率较低，而且不适于要求大电流的场合。同时，如果将连续变化的 DC 信号用于驱动比例型电磁阀，放大器的输出晶体管将起到变阻器的作用。它可以将电源电压降到电磁线圈在某个时刻要求的电压值。线圈的满电流可能达到几个安培，需要流经输出晶体管。结果晶体管就会发热，因而需要大型散热底座来散热。

脉宽调制 (PWM) 是一种控制技术，可以克服上述问题。使用 PWM 时，输出晶体管将用作开关，为电磁线圈提供一系列电压恒定的开关脉冲。脉冲的频率也是固定的，通常为 400～5000+ Hz。信号的大小可通过改变“开”脉冲相对于“关”脉冲的时间长短来确定。

这种技术的优点在于：在“关”脉冲期间，输出晶体管中无电流通过；在“开”脉冲期间，晶体管两端理论上没有电压降，因而产生的热量也微乎其微。实际应用中，“开”脉冲期间晶体管两端会有很小的电压降，在开和关之间切换所需的时间也是确定的，因而会产生很少的热量。但是，这部分热量与传统 DC 输出信号产生的热量相比简直微不足道。

PWM 已经成了各种阀放大器的标准，以便减小放大器的体积和功率消耗。使用该技术时，无需对电磁阀进行改装。使用 PWM 可以有效控制流向比例阀线圈的电流。使用 PWM 时，还可以通过电子方式进行电流调节、颤振、斜坡、短路保护以及去处死区。

 

PWM 的工作原理

PWM 信号不是恒定不变的，而是开启一段时间，接着关闭一段时间（参见图 1）。

工作周期中的“D”指的是周期的“开”部分。工作周期可能位于 0（信号常闭）到 1（信号常开）中的任何位置。50%“D”将形成完整的方波。

PWM 信号的频率可以很低 (100～400 Hz)，也可以很高（高于 5000 Hz）。高频 PWM 将产生更恒定的无波纹电流输出，因而效果会更好。

 

线圈电感

电感是电路阻止电流启停或变化的特征。电气系统中的电感与机械系统中的惯性类似。电感将在工作周期的波形中产生时间延迟。理论上，波形应该是完整的矩形，有电流时即可上升，无电流时即可下降。由于电感的影响，实际上波形的上升和下降是逐渐的过程（参见图 2）。

 

PWM 电流特性

外加 25% 的信号时，“D”比电流达到最大值所需的时间短（参见图 3）。这就使得作用到阀线圈的电流输出变小，进而导致阀的液压输出变小。如果 PWM 的频率足够低，在关期间电流将会降到零。这称作“不连续电流”。

 

颤振（电流波纹）

粘连和磁滞可使液压比例阀的行为异常而且无法预知。

如果输入信号变化很小，粘连使得阀芯不能移动。当信号最终变得足够强大，可以使阀芯移动时，阀芯又会超过精确控制要求的位置。

信号在上升或下降变化的过程中，即使控制信号的输入值相同，阀芯的移动情况也会有所不同，这种特性称作磁滞。

颤振指的是阀芯在期望位置的附近快速地小范围移动。颤振使得阀芯不断移动，从而避免了“粘连”，并且有抵消磁滞的作用。颤振的振幅应足够大，频率应足够小，从而为阀芯留足响应时间。

颤振是由线圈中的电流“波纹”引起的—电流在所需的控制信号值附近波动。由于惯性的存在，与高频波纹相比，阀芯可以更好地响应低频波纹。波纹的振幅决定了阀芯在给定频率的情况下可以移动的距离。

 

低频 PWM

典型的低频 PWM 小于 400 Hz，它会附带地产生颤振（电流波纹）（参见图 4）。PWM 的频率足够低，因而电流在下次上升前有衰减时间。颤振（波纹）的强度随着线圈中平均电流的变化而变化。 颤振在 50% D 时达到最大，在 0％ 和 100％ D 时减为 0。因此，某些电流值产生的颤振会过大，而某些电流值产生的颤振却不足。

当平均电流确定时，颤振电流的振幅是线圈电感和PWM频率的函数。线圈的电感很大程度上是其额定电压和功率的函数。与高功率线圈相比，低功率线圈的电感通常较大—因此在给定 PWM 频率时附带产生的颤振较少。

阀的设计不同，对相同的颤振频率和振幅的响应也不同。虽然改变 PWM 的频率可以调节颤振,但其振幅和频率不能单独调节,而只能根据不同阀的设计来设定。

 

高频 PWM

当 PWM 的频率足够高（通常高于 5000 Hz）时，在各种实际应用中，线圈中的电流都是恒定的（参见图 5）。高频 PWM 不会附带地产生颤振。

使用高频 PWM 的优点在于可以单独产生颤振，然后将其叠加到输出电流之上（参见图 6）。这样，用户就可以单独控制电流，以及颤振的频率和振幅。这样的颤振可以在各个电流水平保持恒定，其频率和振幅也可由用户调节，从而使特定液压阀的性能达到最优。

斜坡

斜坡用于减缓阀驱动器对输入命令变化的响应。这样，当命令输入信号突然发生变化时，就可以有个平缓的过度。如果输入信号的改变所需的时间比斜坡设定时间长，则斜坡将没有效果。

斜坡可以是固定的或可调的，可以对称或独立，也可以是单斜坡或双斜坡。可调斜坡的工作时间通常为 0 至 8秒，由电位器控制。单边斜坡通常用于仅需要考虑加速的慢速切换控制。

对称斜坡（参见图 7）由单电位计控制，对上升和下降斜坡的调整也是相同的。

独立斜坡（参见图 8）的上升和下降边分别配有电位计，加速和减速可以独立设置。

双线圈双向阀的驱动器的每个线圈各有两个独立的斜坡，因此一共有四个独立的控制斜坡（参见图 9）。

 

增益或最大电流

放大器的增益指的是较大的输出信号（至阀）与较小的控制输入信号的比值。

增益＝输出信号÷输入信号

增益通常由放大器上的分压计调节。调节通常称作“最大电流”调节，调节最大电流即可调节放大器的增益。通过这种方式，可以调节输入信号达到最大时，放大器的最大输出（对阀的设置进行控制）。

 

启用/禁用

有些控制器/放大器含有“启用”功能。这是一个用于确保安全的特性，在启用连接后，只有电压达到了特定的值，控制器的输出才能开始工作。启用选项可用于紧急停机开关或其他安全互锁装置。

虽然在电源处设置紧急停机开关是可行的，但我们不推荐这种操作，因为开关断开后，电容器中存储的电荷仍可使阀信号维持一段时间。

 

死区/最小电流

阀芯式比例阀通常有一定的阀芯重叠，从而产生死区。对于压力和流量控制器，死区发生在阀芯开始移动时。对于方向阀而言，死区发生在中间位置。阀芯重叠减少了零位置时的泄漏，也为断电或紧急停机提供了更大的安全性。阀芯重叠后，电磁线圈中的信号必须达到特定的最小强度，系统才会出现明显的动作。

如果不需要该特性，通过设置控制器/放大器的最小电流(I-Min.)，也可以去处压力和流量控制器的死区。如果将最小电流调到零点以上，阀芯在上电后会即可跳跃至此位置，而不存在死区。

请注意：最小电流的设置会影响最大电流的设置，因此应首先设置最小电流。

如果使用多功能/双电磁阀驱动器控制方向阀，通过拨码开关来启动死区消除功能。死区大小通常由工厂设定，视具体应用而定。

 

电流反馈

流过电磁线圈的电流会产生热量。产生的热量将使线圈的电阻增大。例如，如果线圈在 20℃ 的电阻为 7 欧姆，100℃ 时的电阻就可能达到 9 欧姆。电阻增大后，线圈功率将会变小，结果导致阀设置变低。

为了补偿温度带来的变化，有些控制器/放大器配有“电流反馈”功能。在电路中为电磁线圈串连一个电流反馈电阻后，就可以使电磁线圈中的电流与输入信号的电压成比例，而与电磁线圈的电阻无关。电源电压必须足够大，以便克服增大的电阻。

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