电液数字控制阀详解

1.概述

用数字信号直接控制的液压阀称为电液数字控制阀，简称数字阀。数字阀不需要D-A转换器，可以与计算机直接相连。与伺服阀、比例阀相比，数字阀的结构简单，抗污染能力强，重复性好，工作稳定可靠，功耗小。在计算机实时控制的电液系统中，电液数字阀已经部分取代了电液伺服阀和电液比例阀，开辟了一个液压系统控制的新领域。

用数字量控制的方法很多，目前用得最多的是脉宽调制法和由脉宽调制法演变而来的增量控制法。

2.脉宽调制式数字阀

脉宽调制式数字阀可以直接用计算机控制。计算机的二进制工作信号可以量化为“开”和“关”。控制这种阀的开和关及开和关的时间长度（称为脉宽），即可以达到控制液流的方向、流量或压力的目的。

脉宽调制式数字阀的结构形式多种多样，其主要是高速开关电磁阀，也称之为高速开关阀，从工作原理而言，与普通的电磁阀并无本质区别，也是利用电磁力和弹簧力驱动阀芯以改变油液流向，或接通/关闭油路来进行控制的。不过由于其阀芯质量和行程都很小，因而能以很高的响应速度来跟踪控制信号。采用电磁线圈的阀，其切换频率可达200Hz以上。它是近年来美国、德国和日本等国研究开发的一种新型数字阀，它利用脉冲宽度调制信号（PWM）的变化频率和调制率大小来控制阀的开关频率和开关时间比，由此实现对液压系统压力或流量的比例控制。其控制方式简单，直接与计算机接口（无须A-D转换），通过计算机输出脉冲宽度调制信号给放大器就能直接驱动，价格也很便宜，该阀对油液清洁要求不高，抗污染能力强，因此，是一种很有前途的电液数字控制阀。在国外，该类阀已在工程机械、农业机械、汽车及建筑机械等许多领域得到应用。这里介绍三种形式。

图2-88 力矩马达球阀型二位三通高速开关型数字阀

1、2—先导级球阀 3、4—主阀级球阀

（1）利用力矩马达和球阀组成的高速开关型数字阀 图2-88所示为利用力矩马达和球阀组成的高速开关型数字阀的工作原理。该阀由先导级球阀1、2，主阀级球阀3、4组成。力矩马达通电时衔铁偏转，若推动先导级球阀2向下运动，则关闭液压油口P，L₂与T相通，主阀级球阀4在液压油的作用下向上运动，P、A相通；同时，先导级球阀1受P口液压油作用处于上位，L₁与P相通，主阀级球阀3向下关闭，断开P与T腔通路。反之，力矩马达反向偏转时，情况正好相反，A腔和T腔相通。这种阀的额定流量仅为12L/min，工作压力可达20MPa，最短切换时间为0.8ms。

（2）螺纹插装式二位三通高速开关型数字阀 其工作原理如图2-89所示。当电磁阀断电时，供油球阀7在供油口和回油阀座的密封座面上，使供油口与控制口断开，在供油球阀左移的同时，通过分离销的作用推动回油球阀5离开其密封座面。此时控制口与回油口接通，控制口为低压；当电磁阀通电时，衔铁1产生的电磁推力通过顶杆和分离销6使回油球阀5与供油球阀7一起向右运动，直到回油球阀靠到其密封座面上，此时回油球阀关闭，供油球阀7打开，控制口为高压。

图2-89 HSV系列高速开关阀的结构原理

1—衔铁 2—线圈 3—极靴 4—阀体 5—回油球阀 6—分离销 7—供油球阀

这类高速开关阀的性能特点如下：(www.xing528.com)

1）结构简单紧凑。球阀组件中的阀座有两个同轴阶梯孔，钢球放在大孔内，限制了钢球的径向运动，大孔周围开了小孔的台阶处有一个宽度约为0.1mm的均匀密封环带，球阀开度通过选配分离销的长度来保证。与普通滑阀相比，这类阀具有阀芯质量小、结构简单、便于加工等特点。

2）响应速度快。HSV 3000开关式高速电磁阀的小质量球阀为提高其响应速度创造了条件。此外，在通过衔铁获得较大的电磁推力方面采用了以下措施：①采用软磁材料；②减小衔铁与极靴间的气隙，减小气隙可以起到降低磁阻、增大推力、提高响应速度的作用；③增加线圈的安匝数，HSV 3000高速开关阀采用小阻抗线圈，通过增加线圈电流来提高匝数，但电流增大后会产生线圈过热问题，为解决此矛盾，HSV 3000高速开关阀的驱动电路中具有可变电压输出特性，即在阀开启的过程中输出为额定电压，此时线圈内产生一个较大的电流，促使阀快速打开，当阀开启后，要求衔铁产生的推力只要能够维持电磁阀处于开启状态即可，且此时衔铁与极靴之间的气隙最小，电压下降，线圈内产生维持工作电流。

3）重复性好。HSV 3000开关式电磁阀阀座的大孔、小孔及密封环带三者具有较高的同心度，钢球与其导向孔配合间隙小，所以只要钢球上作用足够的压差，钢球便具有可重复性的回位动作及一致的落座力。另外，该阀的整个运动部件配合间隙大、摩擦力小，并且衔铁行程在装配时被精确控制，开启过程电磁推力较大，因此使该阀的整个动态过程具有良好的重复性。

4）抗油污染能力强，寿命长。

（3）应用 近年来，由高速开关阀构成的各种电液PWM数字压力、流量、位置及速度控制系统有了较大的发展。如液压泵排量的PWM控制、汽车主动悬架的PWM控制、汽车液压防抱死系统控制、液压缸位置的PWM最优控制、开关定压网络液压马达的PWM控制以及内燃机全电子燃油喷射系统的PWM控制等。

3.增量式数字阀

在原理上，将普通液压阀的调节机构改用计算机发出的脉冲序列经驱动电源放大后驱动的步进电动机直接驱动，即可构成增量式数字阀。

图2-90所示为采用步进电动机直接驱动的数字流量阀。

图2-90 采用步进电动机直接驱动的数字流量阀

1—阀套 2—阀芯 3—滚珠丝杠 4—零位移传感器 5—步进电动机

步进电动机按照计算机的指令转动，通过滚珠丝杠转换为轴向位移控制节流阀阀芯的开启，从而控制流量。该阀有两个节流口，面积梯度不等，阀芯首先打开右边的节流口，由于是非全周通流，因此流量较小，步进电动机继续转动，打开左边全周节流口，流量增大，流量可达3600L/min。

该阀无反馈功能，但装有零位移传感器4，在每个工作周期终了时，阀芯可在其控制下回到零位，从而保证每个周期都从相同的位置开始，使该阀具有较高的重复精度。