高速数字开关阀压力控制的研究和运用

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 3.93MB 61 页 15积分

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摘要

课题主要是研究和开发一种新型液压数字控制压力阀，该阀通过 PWM

（脉宽

调制）控制，实现对流量的控制，进而实现了对压力的控制。数字阀是由 PWM 来

控制的，从而实现了用数字信号控制液压系统压力的功能，实现了机电液控制的

一体化。论文以数字阀及其液压控制为研究对象、从理论分析、数字模型、解析

仿真、实验研究，工程设计和技术开发等，多方面相结合地进行了全面的研究，

为今后该类系统的开发，研制提供理论及技术储备。

本论文主要分成以下几块：

1．数字阀的国内外发展现状以及课题的来源。

2．数

字压力阀的控制策略。3．压力控制系统中数字阀的设计。4．PWM 控制的器的设

计和研究。5．数字阀的动态性能和仿真。6．数字阀在压力控制中的应用实例。

由于本课题是基于河南理工大学的仿真系统进行的数字阀的开发，所以文章在研

究和设计数字阀的同时，也进行了实际项目的运用。

在第一部分，搜集了国内外的部分资料，对液压数字技术及其在压力控制方

面的运用做了概述，并且提出了课题的任务。第二部分，提出了用高速数字阀进

行压力控制的概念，并且对控制的策略做了深入的研究。在第三部分，对数字阀

进行分类，提出了数字阀设计的原则，并对数字阀进行了设计。第四部分，主要

对数字阀的 PWM 控制进行了设计，并对其中比较重要的电路做了详细的分析。第

五部分，主要对数字阀的阀芯进行仿真。第六部分主要介绍了数字阀在压力控制

的运用实例，本章通过对项目的分析，进行液压和电控系统的设计，电控系统主

要包括对上位机进行编程，实现对 PLC 的控制，并且达到可视化的要求。

此课题设计生产的设备，已经调试好，通过了客户的验收，在实际运用中取

得比较理想的效果。

关键字：脉冲式数字阀液压系统仿真系统

ABSTRACT

The main purpose of this paper is the research and development of a new digital

control hydraulic pressure valves, this valve uses the PWM control to realize the control

of flow, and the control of pressure. Digital valve is controlled by pulse width

modulation (PWM), thus realized using digital signal control hydraulic pressure system,

and realized the function of the electromechanical integration of control. From the

whole system of digital valve itself to theory analysis, digital model, analytical

simulation to the experimental research, technical development, engineering design,

combination of various studied thoroughly , which provides the theory and technology

development for the future development of the system.

This thesis mainly divided into the following several blocks: 1. the developing

situation of domestic and foreign digital valve and source, 2. the digital pressure control

strategy, 3. pressure control system of digital valve design, 4. PWM control design and

research, 5. the dynamic performance and digital valve simulation, 6 pressure control

applications OF digital valve. Because of this thesis is based on the simulation system in

henan university of technology of digital valve, this thesis is based on the research and

design of digital valve, and also the actual project.

In the first part, I collect the data, overview the hydraulic pressure control system

in digital technology, and put forward the topic of the task. In the second part, I give the

concept of pressure control of the high speed digital valve and make a deep research of

pressure control. In the third part, I classify different kinds of digital valve, put forward

the principle of digital valve design, and design the digital valve. In the fourth part, I

mainly design the PWM control of digital valve, and make a detail analysis for the more

important circuit. In the fifth part, I mainly simulate the core valve of the digital valve.

In the sixth part, I mainly introduce the application example of the pressure control of

digital valve, design hydraulic and electric control system through analysis of the

project. Electric control system mainly includes programming for WINCC to realize the

control of PLC, and achieve visual requirements.

The equipment designed and produced by the theory of this thesis has already

been accepted by the customer, and achieved good effect in actual application.

Key Word: Pulse Digital Valve, Hydraulic System, Simulation System

摘要

ABSTRACT

第一章绪论.....................................................................................................................1

§1.1 数字阀的国内外发展现状................................................................................ 1

§1.2 数字阀在压力控制中的运用............................................................................. 3

§1.3 数字阀的运用的广阔前景................................................................................ 4

§1.4 课题来源和课题研究主要内容：.................................................................... 6

第二章压力数字阀的控制策略.....................................................................................7

§2.1 PWM 高速开关阀的基本原理...........................................................................7

§2.2 数字压力阀的构想及控制策略......................................................................... 7

第三章压力控制系统中数字阀的设计.......................................................................13

§3.1 数字阀及其分类.............................................................................................. 13

§3.2 数字阀设计的原则........................................................................................... 15

§3.3 数字阀的阀芯设计........................................................................................... 18

第四章 PWM 控制器的设计研究 ................................................................................ 20

§4.1 脉宽调制控制工作原理及数学描述.............................................................. 20

§4.2 脉宽调制器的分析.......................................................................................... 21

§4.3 数字阀的驱动设计.......................................................................................... 23

§4.3.1 偏移信号处理回路 ..................................................................................24

§4.3.2 驱动电源回路 ............................................................................................25

§4.3.3 PWM 输出 .................................................................................................. 27

第五章数字阀的动静态性能.......................................................................................30

§5.1 动特性建模...................................................................................................... 30

§5.2 脉冲式液压数字阀的静特性........................................................................... 34

§5.2.1 阀芯位移的静特性 .....................................................................................34

§5.2.2 PWM 高速开关阀阀芯位移的谐波分量 ............................................... 36

§5.2.3 PWM 高速开关阀阀芯位移的频率特性 ............................................... 37

§5.2.4 PWM 式数字阀的静特性 ....................................................................... 39

第六章数字阀在压力控制中的应用实例...................................................................42

§6.1 数字阀控制的基本回路形式.......................................................................... 42

§6.2 数字阀在项目运用中的建模.......................................................................... 45

§6.2.1 液压系统的设计 ........................................................................................46

§6.2.2 控制系统的设计 ........................................................................................46

§6.3 数字阀试验设备及部分曲线分析.................................................................. 50

第七章总结与展望.......................................................................................................54

参考文献.........................................................................................................................55

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................57

致谢.................................................................................................................................58

第一章绪论

§1.1 数字阀的国内外发展现状

自从 1981 年第十届国际流体动力博览会上首次展出数字阀以来已有 26 年的

历史了，其间日本、美国、德国、英国、加拿大和中国等国家的一些科研单位相

继进行了研究和应用，已有了很大进展。

（1）国内发展现状

我国的液压数字阀的开发研究工作则起步相对较晚，但也有了十多年的历史，

也取得了很大的成就。期间所开展的工作大致可以分为两个方面，一方面是跟踪

国外的研究；另一方面则是自主或合作开发数字阀阀样机及与之配套的驱动控制

装置。

广州机床研究所、北京航天工业总公司、上海 704 所、上海液压气动研究所、

华中科技大学、浙江大学、浙江工业大学、湖南大学、重庆大学、兰州理工大学、

北京钢铁研究总院、哈尔滨工业大学等都在开展数字阀的研究。

步进电机增量式直接控制数字阀以广州机床研究所研制的 SZY.F6B 数字先导

溢流阀、SZY.F10B 数字溢流阀、SZQ.F8/16 数字调速阀、84SZ.F10/68B 数字换向

阀为代表。并且该系列产品已经成功投入使用。

北京航天工业总公司一院研制的数字量调节阀，它可以不经过数/模转换的中

间环节接受电子计算机发出的数字量脉冲信号，并按其指令实施开关动作。既可

以直接由电子计算机按预定程度进行开环调节，又可以接收电子计算机发出的脉

冲信号指令实施闭环调节。其动力装置采用步进电机，由于传动系统和执行机构

不同，运动形式分为直线性和旋转性。

重庆大学在 80 年代末期先后开发研制了步进电机控制的各类液压气动组件如

液压数字阀，数字泵、数字缸等等；同时又相继研制了脉宽调制型各类数字液压

气动组件。兰州理工大学从 80 年代末期起，也对数字液压阀做了大量的研究工作，

不仅从阀的结构，电控驱动部分进行了深入的理论研究，而且还很好地结合生产

实际，针对不同的工况需求，先后研制出大流量高频响先导式数字液压阀、数字

式压力调节阀，柴油机高压共轨数字阀，于 2004 年结合市场需要，推出超高速大

吸力燃气电喷阀(HGDV 脉冲调制开关式数字阀)。

脉宽调制式直接控制数字阀以贵州红林机械厂与美国 BKM 公司合作并经过三

年多的努力，研制成功了 HSV 系列高速电磁开关阀为代表。该阀为螺纹插装式结

构，阀的开启时间为 3ms；关闭时间为 2ms；最高额定工作压力为 20Mpa；额定流

高速数字开关阀压力控制的研究与运用

量为 2.9L/min。

在国内 PWM 电液控制系统也逐步得到广泛应用，脉冲调制式数字开关阀作为

一种先导控制用于泵的变量机构、换向阀或比例阀的先导级也日趋明显。但是，

国内的电液数字阀毕竟尚处于研制阶段，离批量生产和普及应用尚有很大距离。

（2）国外发展现状

自二十世纪七十年代末起, 英国Lucas 公司的A.H. Seilly 率先开始了高速

电磁开关阀的研究, 并开发出两种特殊结构的高速电磁开关阀, 即Helenoid 阀

和Colenoid 阀。Helenoid 阀的电磁铁为螺管形结构,而Colenoid 阀的电磁铁则

为圆锥形结构。这两种高速电磁开关阀的共同特点就是通过采用特殊结构形状的

电磁铁, 克服了传统电磁开关阀“电磁作用力越大衔铁加速度反而越小”的矛盾,

使得当阀芯行程小于1mm 时, 阀的响应时间不大于1ms。然而, Helenoid 阀

和Colenoid 阀的结构都相当复杂, 加工与制造难度大且成本高。因此, 这也就限

制了这两种阀在以后的实际应用。与此同时, 德国的G. Mansfeld、J . Tersteegen

和K. Engelsdaf 、P. Dnnken也开始开发研究高速电磁开关阀。他们所研制的阀

的响应时间均在2ms 左右,而且阀的结构也相当复杂。

在这之后, 又有许多外国学者和专家在致力于高速电磁开关阀的研究。到了

二十世纪八十年代中期, 由于柴油机电控燃油喷射技术的迫切需要, 响应时间小

于1ms 的超高压高速电磁开关阀是人们竟相研究的一大热点。据文献报道, 日本

的宫本正彦等人成功地研制出工作压力为120MPa , 开启和关闭时间分别为0.35ms

和0.4ms 的三通型超高压高速电磁开关阀。德国Bosch 公司也成功地开发出一种

适用于超高压下工作的高速电磁开关阀, 该阀的开启时间为0.3ms , 关闭时间为

0.65ms。日本川崎重工的鹿宗等人撰文介绍了他们所研制的高速电磁开关阀,

此阀为三位四通滑阀结构, 最高工作压力为50MPa , 响应时间为1ms,它也是用于

柴油机的电控燃油喷射, 旨在降低柴油机的污染排放量、噪声和节能。另据文献

介绍,德国Daimler . Benz 公司与其它三家公司合作, 为其开发的柴油机新型高

压共轨式喷油系统研制出了响应时间为0.2ms , 工作压力为135MPa 的超高压高速

电磁开关阀。值得注意的是, 上述几种超高压高速电磁开关阀的工作流量都甚小。

1982 年, 美国Ford Motor 公司的专家们开发了一种环状多极高速电磁开关

阀, 阀的响应时间为2ms。美国BKM公司则于1984 年推出了一种三通球形插装式高

速电磁开关阀。据文献报道, 该阀的响应时间为: 开启时间3ms ; 关闭时间2ms ,

工作压力为10MPa 。这种阀主要被用在柴油机中压共轨电控燃油喷射系统中。而

在日本, Diesel KiKi 公司研制出名为“DISOLE”, 电磁铁呈盘状结构的高速、

强力电磁开关阀, 当阀中衔铁达最大行程0.4mm 时的响应时间为0.74ms。不过此

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摘要：

摘要课题主要是研究和开发一种新型液压数字控制压力阀，该阀通过PWM（脉宽调制）控制，实现对流量的控制，进而实现了对压力的控制。数字阀是由PWM来控制的，从而实现了用数字信号控制液压系统压力的功能，实现了机电液控制的一体化。论文以数字阀及其液压控制为研究对象、从理论分析、数字模型、解析仿真、实验研究，工程设计和技术开发等，多方面相结合地进行了全面的研究，为今后该类系统的开发，研制提供理论及技术储备。本论文主要分成以下几块：1．数字阀的国内外发展现状以及课题的来源。2．数字压力阀的控制策略。3．压力控制系统中数字阀的设计。4．PWM控制的器的设计和研究。5．数字阀的动态性能和仿真。6．数字阀在压力...

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