杭州安肯液壓技術(shù)有限公司
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閱讀：99發(fā)布時(shí)間：2025-3-31
移動設(shè)備在技術(shù)方面變得越來越復(fù)雜，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行電子控制控制的需求也在隨之攀升。
電子元件的堅(jiān)固和可靠性已經(jīng)得到大幅提升，現(xiàn)在已經(jīng)可以承受移動設(shè)備應(yīng)用中的惡劣環(huán)境條件。
復(fù)雜的電子控制器通常只提供低能量控制信號。用于電磁驅(qū)動的液壓閥時(shí)，通常需要對控制信號進(jìn)行放大。用于液壓設(shè)備的電子控制器通常都配有所需的放大功能。
為什么選用脈寬調(diào)制 PWM?
對閥的線圈施加電壓后，線圈中的電流會產(chǎn)生磁場，從而產(chǎn)生力使滑閥芯或錐閥芯移動。輸入電壓除以線圈電阻等于通過線圈的電流。用于開關(guān)閥時(shí)這一點(diǎn)非常明顯，但是對于比例閥而言，只有當(dāng)通過改變輸入電流，可以準(zhǔn)確地控制閥芯位置時(shí)才有用。
使用簡單的可變電阻可以改變電阻值，從而改變輸入電流。這種控制方法效率較低，而且不適于要求大電流的場合。同時(shí)，如果將連續(xù)變化的 DC 信號用于驅(qū)動比例型電磁閥，放大器的輸出晶體管將起到變阻器的作用。它可以將電源電壓降到電磁線圈在某個(gè)時(shí)刻要求的電壓值。線圈的滿電流可能達(dá)到幾個(gè)安培，需要流經(jīng)輸出晶體管。結(jié)果晶體管就會發(fā)熱，因而需要大型散熱底座來散熱。
脈寬調(diào)制 (PWM) 是一種控制技術(shù)，可以克服上述問題。使用 PWM 時(shí)，輸出晶體管將用作開關(guān)，為電磁線圈提供一系列電壓恒定的開關(guān)脈沖。脈沖的頻率也是固定的，通常為 400～5000+ Hz。信號的大小可通過改變“開”脈沖相對于“關(guān)”脈沖的時(shí)間長短來確定。
這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：在“關(guān)”脈沖期間，輸出晶體管中無電流通過；在“開”脈沖期間，晶體管兩端理論上沒有電壓降，因而產(chǎn)生的熱量也微乎其微。實(shí)際應(yīng)用中，“開”脈沖期間晶體管兩端會有很小的電壓降，在開和關(guān)之間切換所需的時(shí)間也是確定的，因而會產(chǎn)生很少的熱量。但是，這部分熱量與傳統(tǒng) DC 輸出信號產(chǎn)生的熱量相比簡直微不足道。
PWM 已經(jīng)成了各種閥放大器的標(biāo)準(zhǔn)，以便減小放大器的體積和功率消耗。使用該技術(shù)時(shí)，無需對電磁閥進(jìn)行改裝。使用 PWM 可以有效控制流向比例閥線圈的電流。使用 PWM 時(shí)，還可以通過電子方式進(jìn)行電流調(diào)節(jié)、顫振、斜坡、短路保護(hù)以及去處死區(qū)。
PWM 的工作原理
PWM 信號不是恒定不變的，而是開啟一段時(shí)間，接著關(guān)閉一段時(shí)間（參見圖 1）。
工作周期中的“D”指的是周期的“開”部分。工作周期可能位于 0（信號常閉）到 1（信號常開）中的任何位置。50%“D”將形成完整的方波。
PWM 信號的頻率可以很低 (100～400 Hz)，也可以很高（高于 5000 Hz）。高頻 PWM 將產(chǎn)生更恒定的無波紋電流輸出，因而效果會更好。
線圈電感
電感是電路阻止電流啟停或變化的特征。電氣系統(tǒng)中的電感與機(jī)械系統(tǒng)中的慣性類似。電感將在工作周期的波形中產(chǎn)生時(shí)間延遲。理論上，波形應(yīng)該是完整的矩形，有電流時(shí)即可上升，無電流時(shí)即可下降。由于電感的影響，實(shí)際上波形的上升和下降是逐漸的過程（參見圖 2）。
PWM 電流特性
外加 25% 的信號時(shí)，“D”比電流達(dá)到值所需的時(shí)間短（參見圖 3）。這就使得作用到閥線圈的電流輸出變小，進(jìn)而導(dǎo)致閥的液壓輸出變小。如果 PWM 的頻率足夠低，在關(guān)期間電流將會降到零。這稱作“不連續(xù)電流”。
顫振（電流波紋）
粘連和磁滯可使液壓比例閥的行為異常而且無法預(yù)知。
如果輸入信號變化很小，粘連使得閥芯不能移動。當(dāng)信號最終變得足夠強(qiáng)大，可以使閥芯移動時(shí)，閥芯又會超過精確控制要求的位置。
信號在上升或下降變化的過程中，即使控制信號的輸入值相同，閥芯的移動情況也會有所不同，這種特性稱作磁滯。
顫振指的是閥芯在期望位置的附近快速地小范圍移動。顫振使得閥芯不斷移動，從而避免了“粘連”，并且有抵消磁滯的作用。顫振的振幅應(yīng)足夠大，頻率應(yīng)足夠小，從而為閥芯留足響應(yīng)時(shí)間。
顫振是由線圈中的電流“波紋”引起的—電流在所需的控制信號值附近波動。由于慣性的存在，與高頻波紋相比，閥芯可以更好地響應(yīng)低頻波紋。波紋的振幅決定了閥芯在給定頻率的情況下可以移動的距離。
低頻 PWM
典型的低頻 PWM 小于 400 Hz，它會附帶地產(chǎn)生顫振（電流波紋）（參見圖 4）。PWM 的頻率足夠低，因而電流在下次上升前有衰減時(shí)間。顫振（波紋）的強(qiáng)度隨著線圈中平均電流的變化而變化。 顫振在 50% D 時(shí)達(dá)到，在 0％ 和 100％ D 時(shí)減為 0。因此，某些電流值產(chǎn)生的顫振會過大，而某些電流值產(chǎn)生的顫振卻不足。
當(dāng)平均電流確定時(shí)，顫振電流的振幅是線圈電感和PWM頻率的函數(shù)。線圈的電感很大程度上是其額定電壓和功率的函數(shù)。與高功率線圈相比，低功率線圈的電感通常較大—因此在給定 PWM 頻率時(shí)附帶產(chǎn)生的顫振較少。
閥的設(shè)計(jì)不同，對相同的顫振頻率和振幅的響應(yīng)也不同。雖然改變 PWM 的頻率可以調(diào)節(jié)顫振,但其振幅和頻率不能單獨(dú)調(diào)節(jié),而只能根據(jù)不同閥的設(shè)計(jì)來設(shè)定。
高頻 PWM
當(dāng) PWM 的頻率足夠高（通常高于 5000 Hz）時(shí)，在各種實(shí)際應(yīng)用中，線圈中的電流都是恒定的（參見圖 5）。高頻 PWM 不會附帶地產(chǎn)生顫振。
使用高頻 PWM 的優(yōu)點(diǎn)在于可以單獨(dú)產(chǎn)生顫振，然后將其疊加到輸出電流之上（參見圖 6）。這樣，用戶就可以單獨(dú)控制電流，以及顫振的頻率和振幅。這樣的顫振可以在各個(gè)電流水平保持恒定，其頻率和振幅也可由用戶調(diào)節(jié)，從而使特定液壓閥的性能達(dá)到。
斜坡
斜坡用于減緩閥驅(qū)動器對輸入命令變化的響應(yīng)。這樣，當(dāng)命令輸入信號突然發(fā)生變化時(shí)，就可以有個(gè)平緩的過度。如果輸入信號的改變所需的時(shí)間比斜坡設(shè)定時(shí)間長，則斜坡將沒有效果。
斜坡可以是固定的或可調(diào)的，可以對稱或獨(dú)立，也可以是單斜坡或雙斜坡。可調(diào)斜坡的工作時(shí)間通常為 0 至 8秒，由電位器控制。單邊斜坡通常用于僅需要考慮加速的慢速切換控制。
對稱斜坡（參見圖 7）由單電位計(jì)控制，對上升和下降斜坡的調(diào)整也是相同的。
獨(dú)立斜坡（參見圖 8）的上升和下降邊分別配有電位計(jì)，加速和減速可以獨(dú)立設(shè)置。
雙線圈雙向閥的驅(qū)動器的每個(gè)線圈各有兩個(gè)獨(dú)立的斜坡，因此一共有四個(gè)獨(dú)立的控制斜坡（參見圖 9）。
增益或電流
放大器的增益指的是較大的輸出信號（至閥）與較小的控制輸入信號的比值。
增益＝輸出信號÷輸入信號
增益通常由放大器上的分壓計(jì)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)通常稱作“電流”調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)電流即可調(diào)節(jié)放大器的增益。通過這種方式，可以調(diào)節(jié)輸入信號達(dá)到時(shí)，放大器的輸出（對閥的設(shè)置進(jìn)行控制）。
啟用/禁用
有些控制器/放大器含有“啟用”功能。這是一個(gè)用于確保安全的特性，在啟用連接后，只有電壓達(dá)到了特定的值，控制器的輸出才能開始工作。啟用選項(xiàng)可用于緊急停機(jī)開關(guān)或其他安全互鎖裝置。
雖然在電源處設(shè)置緊急停機(jī)開關(guān)是可行的，但我們不推薦這種操作，因?yàn)殚_關(guān)斷開后，電容器中存儲的電荷仍可使閥信號維持一段時(shí)間。
死區(qū)/最小電流
閥芯式比例閥通常有一定的閥芯重疊，從而產(chǎn)生死區(qū)。對于壓力和流量控制器，死區(qū)發(fā)生在閥芯開始移動時(shí)。對于方向閥而言，死區(qū)發(fā)生在中間位置。閥芯重疊減少了零位置時(shí)的泄漏，也為斷電或緊急停機(jī)提供了更大的安全性。閥芯重疊后，電磁線圈中的信號必須達(dá)到特定的最小強(qiáng)度，系統(tǒng)才會出現(xiàn)明顯的動作。
如果不需要該特性，通過設(shè)置控制器/放大器的最小電流(I-Min.)，也可以去處壓力和流量控制器的死區(qū)。如果將最小電流調(diào)到零點(diǎn)以上，閥芯在上電后會即可跳躍至此位置，而不存在死區(qū)。
請注意：最小電流的設(shè)置會影響電流的設(shè)置，因此應(yīng)首先設(shè)置最小電流。
如果使用多功能/雙電磁閥驅(qū)動器控制方向閥，通過撥碼開關(guān)來啟動死區(qū)消除功能。死區(qū)大小通常由工廠設(shè)定，視具體應(yīng)用而定。
電流反饋
流過電磁線圈的電流會產(chǎn)生熱量。產(chǎn)生的熱量將使線圈的電阻增大。例如，如果線圈在 20℃ 的電阻為 7 歐姆，100℃ 時(shí)的電阻就可能達(dá)到 9 歐姆。電阻增大后，線圈功率將會變小，結(jié)果導(dǎo)致閥設(shè)置變低。
為了補(bǔ)償溫度帶來的變化，有些控制器/放大器配有“電流反饋”功能。在電路中為電磁線圈串連一個(gè)電流反饋電阻后，就可以使電磁線圈中的電流與輸入信號的電壓成比例，而與電磁線圈的電阻無關(guān)。電源電壓必須足夠大，以便克服增大的電阻。
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