工程机械新型电液比例阀放大器研发设计.docx

1、工程机械新型电液比例阀放大器研发设计工程机械新型电液比例阀放大器设计黎职富 肖昌炎 彭楚武（湖南大学 电气与信息工程学院，长沙 410082）伴随着微电子、计算机和液压传动技术的发展和成熟，数字化、网络化、分布式控制已成为现代工程机械控制领域的研究热点。电液比例阀作为电液机械转换的核心部件，具有推力大、结构简单、对油质要求不高、价格低廉等优点1，在工程机械中得到广泛应用。由于控制器产生的低功率信号无法直接驱动阀心线圈，放大器成为电液比例控制系统中必不可少且非常重要的组成部分。传统的比例阀放大器一般以模拟电路为主，参数设置、控制算法调节和现场调试比较困难，无法满足当前工程机械在线调试、网络集成和

2、分布控制的要求。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。为适应这一需求，本文在分析影响比例阀控制特性因素的基础上，对现有的PWM比例放大技术进行改进。以微处理器为核心，研究数字化的功率控制方法。同时扩展CANopen总线接口，实现远程参数设置、程序下载和网络互联。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。1.比例放大器原理及相关因素应用于工程机械的电液比例阀，按功能划分有流量阀、方向阀和压力阀等类型。其内部大都采用一种具有固定行程的线性马达，称为螺旋管。在稳定条件下，流过线圈的电流与阀芯位移直接相关。比例放大器正是通过改变线圈平均电流来间接调节阀芯位移。然而，作为一个实际系统，比例阀放大器设计不仅要实现控制信号放大，还要考虑诸多复

3、杂因素。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。1.1 高频PWM与颤振工程机械电液比例阀一般采用直流电源供电。假设线圈内阻恒定，通过PWM信号控制开关功率管的通断时间，能实现线圈平均电流调节。电流大小与PWM波占空比成正比。PWM波频率取值范围为100Hz5kHz以上，一般将100400Hz称为低频，5kHz以上称为高频。与PWM波频率紧密相关的是颤振现象。它表现为阀芯相对理想位置的快速、小幅往复移动。颤振能有效消除摩擦阻力和回程误差，是实际系统中必须考虑的一种有利因素。颤振设计要酽锕极額閉镇桧猪訣锥。求幅值足够大、频率足够低，使阀芯能正确响应。通常，颤振幅值和频率应该针对不同类型、不同工作环境的比例阀进行调

4、节。从电气角度分析，颤振本质上是线圈电流的纹波。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。颤振信号的发生方式受PWM波频率的制约。对低频PWM波（典型值200300Hz）而言，由于线圈的电感特性，线圈电流在临近周期过渡区域表现为一定幅值的下降和上升。这实际上是一种寄生的纹波，其幅值和频率受PWM信号和线圈电感的共同影响。由于纹波与PWM信号耦合，该方法不能实现平均电流和颤振的独立调节。目前，微电子技术的发展使得5kHz以上高频PWM在电液比例控制中的应用成为可能。高频PWM作用于阀芯线圈时，其低通特性占主导地位，在单个控制周期中线圈电流相对平稳，基本上消除了寄生纹波。此时需要外接纹波发生电路，与控制信号叠加共同完

5、成平均电流和纹波调节。实现了平均电流与纹波的解耦，两者单独可调。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。1.2 电流检测和反馈在电源电压和线圈内阻恒定的条件下，线圈电流与PWM占空比成比例关系。但是，在工程机械运行过程中，电源电压波动和线圈发热引起内阻变化是常见问题。此时，需要测量线圈电流，作为反馈、构成闭环系统（内环）将平均电流调节到设定值3。线圈电流闭环控制可以用硬件或软件实现。传统放大器大都采用硬件构成PI调节器，但调试、参数设置和灵活性方面存在缺陷。软件方法以MCU为基础，通过嵌入式算法完成PID整定和在线测量参数反馈。比较适合网络环境下的电液比例控制系统开发和调试。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。电流检测的另一

6、个重要用途是用于间接测量阀芯位移。直接测量比例阀的下游液压参数往往比较困难、或者成本很高，比例阀外环控制的反馈常以阀芯位移代替。虽然内置LVDT（线性可变差分变压器）位移传感器的比例阀产品已经面市，但由于价格和体积等原因在工程机械领域难以普及。通过线圈电流间接测量阀芯位移是一种现实可行的选择。因为机械负载施加在螺旋管上的力与磁场强度成比例关系，而磁场强度与线圈电流成比例。然而，实际系统中比例阀的构造、外部负载的变化、甚至不同工况都会影响螺旋管运动与线圈电流间的对应关系。此时必须依靠特性曲线进行校正。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。1.3 斜坡控制、死区、增益及其它斜坡控制模块主要用于延缓输入命令信号的变

7、化速度。不同控制周期间的输入瞬变会造成比例阀输出振荡，长期作用会损害比例阀性能、降低使用寿命。斜坡控制分上升沿调节和下降沿调节，一般要求单独可调。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。阀芯类比例阀通常在起始或中心位置设置一定的死区（或交叠）。此时，线圈电流必须超过一定阈值，系统才能动作。死区能消除零位置的阀芯泄漏，同时也为电源故障或紧急刹车等异常情况提供了更大的安全保障。放大器增益定义为输出电流与输入命令信号的比值。如果定义I-max为满量程命令信号输入时所对应的最大输出电流，那么调节I-max就等效于调节增益。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。另外，工程机械用比例放大器通常要求提供“使能”控制引脚。它通过一定电平信号打

8、开或关闭放大器，主要用于紧急刹车和安全互锁。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。1.4 现场总线与网络接口以现场总线为基础的分布式控制系统是现代工程机械电子控制技术发展的方向。作为汽车内部ECU串行通信的标准，CAN总线在工程机械领域得到广泛应用。但是传统的CAN总线只包含数据链路层和物理层的部分内容。要解决不同厂商设备间信息互换和检测、组态、操作节点等问题，尚需一种开放、标准化的高层（应用层）协议。目前，由CiA（CAN in Automation）组织提出的CANopen协议，在汽车和工程机械领域处于主导地位，已成为事实上的应用层标准2。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。比例阀放大器是工程机械现场总线网络和分布式控

9、制系统的典型节点。支持ISO 11898标准的CAN收发器和控制器芯片已相当普及，因此放大器节点实现的难点主要集中在CANopen协议的实现。工程上主要有三种方法：铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。根据CiA的CANopen协议和设备行规，自行开发应用层软件。购买源码（如：Sys Tec、Peak、Port等），针对特定的MCU进行移植。选择带协议固件（Firmware）的CANopen模块，利用开发套件进行参数配置和网络组态。其中，自行开发的方法一般周期较长，而且存在协议不兼容的风险。模块方法成本较高、且灵活性较差、难于扩展。源码移植方法难度介于两者之间、批量成本低、且灵活性强，比较适合于OEM设备的开

10、发。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。放大器CANopen接口产生的价值不仅限于分布式控制所带有的可靠性增强、硬件成本降低和连线简化。CANopen协议所提供的SDO（服务数据对象）可用于远程参数设置和程序下载（前提是微控制器具有在系统和在应用编程功能），PDO（过程数据对象）能将过程参数实时传送到组态、显示终端。这使得比例放大器的在线和在现场调试成为可能，为产品开发、安装、调试和维护带来了方便。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。2. 系统设计与实现比例放大器的系统结构如图1所示。图中，螺线管驱动采用BB公司的PWM高端（High-Side）驱动芯片DRV104。高端驱动的优点是允许负载接地，符合工程机械电气设计的规

11、范。DRV104芯片内置PWM波发生器：振荡频率通过外接电阻设计，在500Hz100kHZ间可调，占空比可由控制引脚的外加电压调节，输入范围为1.3V3.9V，对应占空比为5%90%。PWM信号直接驱动片内的DMOS开关管，最大负载能力为1.2A。DRV104还具有满量程启动、内部过电流保护和过热关断功能。本设计中微处理器的DAC输出经斜坡调制、纹波叠加后与DRV104相连，实现线圈电流的数字调节。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。图1 比例阀放大器系统结构框图纹波发生器是比例阀颤振的实现方式。采用专用信号发生器芯片ICL8038构成三角波发生器，信号频率通过外接电阻调节，信号幅值通过增益电阻调节。颤振频

12、率和幅值需要针对特定的比例阀和负载设定，为方便调试，本设计中用数字电位器代替传统电位器，由微处理器完成参数设置。斜坡控制模块本质上是一阶惯性环节，利用二极管的单项选择功能，可实现上升、下降斜坡单独可调。调试过程中，斜坡坡度设置也是通过数字电位器由微处理器完成。死区和增益调节相对简单，在微处理器软件中对DAC输出做相应限制即可。与传统比例放大器比较，分布式环境下的紧急刹车和安全互锁实现方式差异较大。本设计利用DRV104的使能引脚实现。但控制量包括微处理器的看门狗复位、外接急停开关、网络紧急报文和安全互锁PDO绑定等，各控制量通过逻辑运算、经IO口与DRV104使能引脚相连。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘

13、。螺线管线圈电流检测是比例放大器设计中的重要环节。从精度、成本、安装尺寸等方面考虑，我们采用采样电阻分压的测量方法。电阻采样的一个主要问题是电阻发热引起的温漂误差。根据经验，如果电阻分压值不超过100mV，在散热良好的环境下温漂误差可限制在1以下。另外，为检测螺线管漏电电流，汽车行业相关标准强制要求采用高端采样（High-Side Sense）。此时，采样电阻安装在螺线管之上、靠近电源端。为抑制高达24V的共模电压，我们采用AD公司AD8202高共模电压差分放大器进行调理放大。考虑到感兴趣的是线圈平均电流，低通滤波是必需的，滤波器截止频率要求足够低以抑制纹波和线圈产生的噪声，本设计中采用模拟滤

14、波与数字滤波相结合的方法，模拟滤波截止频率200Hz，数字滤波器根据具体应用进行调整。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。3. 微处理器选型和CANopen移植作为现场总线网络的节点，比例放大器不光要完成传统的控制和检测功能，还要求支持程序和组态参数的网络下载。ATMEL公司的增强8位MCU芯片AT89C51CC03，内置标准CAN控制器、64K Flash存储器，更重要的是，它支持基于CAN总线的在系统和在应用编程，这使得系统开发、调试和维护可以采用统一的总线接口。选用AT89C51CC03作为放大器微处理器，再加上TJA1050高速收发器，系统就具备了CANopen接口的硬件基础。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。

15、典型CANopen设备（节点）要求符合DS-301或DS-401标准，其设备模型如图2所示，由“通信接口和协议软件”、“对象字典”、“过程接口和应用程序”三部分组成。考虑成本、周期和存储容量等因素，我们选用Esacademy公司的MicroCANopen源码进行移植。MicroCANopen是一种简化版的CANopen协议实现，它支持基于SDO的对象字典访问、心跳、最多4个发送和接受PDO、层设置服务（LSS）以及用户回调函数等功能。对放大器而言，这些功能已经可以满足网络互联和分布式控制的要求。将MicroCANopen移植到AT89C51CC03后所占的存储容量为8kbs左右，包括对象字典、

16、对象映射和回调函数接口等。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。图2 CANopen设备模型系统调试平台由安装NI公司LabView软件的PC机和Sys Tec公司的USB-CANmodul接口模块组成，通过双绞线与放大器远程连接。调试时无需修改目标板软件，过程参数经CANopen网络传送到PC机，利用Labview软件的优秀波形显示能力对数据进行实时分析。调试完毕后，参数和代码仍由CAN总线下载到在板存储器中。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。4. 结束语本文对比例放大器设计过程中应注意的问题进行了详细阐述，提出一种基于微处理器和CANopen现场总线技术的解决方案，具有结构简单、成本低、调试和维护方便，便于网络集成等

17、优点，适应当前工程机械行业电液控制技术的发展方向。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。论文创新点：1该放大器采用高频PWM驱动方式，使线圈平均电流和颤振信号独立可调。2该放大器扩展CANopen接口，便于网络集成，实现远程参数设置、程序下载和信息反馈。参考文献：1罗安，韩波. PWM电液比例放大器的研制J，机床与液压，1996，3:13-162何光宇,胡正.针对工业控制的CANopen系统J，微计算机信息，2003.12:5-63 J. C. Renn, C. Tsai, Development of an unconventional electro-hydraulic proportional valv

18、e with fuzzy-logic controller for hydraulic pressesJ, Int J. Adv Manuf Technol, 2005, 26:10-16.4 B. Scott, W. Chuck. Current measurement in solenoids for automotive control system J, Analog Dialogue, 2004,38(4):1-3.構氽頑黉碩饨荠龈话骛。作者简介：黎职富（1981），男，汉族，湖南华容人,湖南大学电气与信息工程学院，硕士研究生, 主要从事嵌入式系统及计算机测控网络研究。輒峄陽檉簖疖網

19、儂號泶。联系人：肖昌炎，男，汉族，湖南大学电气与信息工程学院副教授，主要从事嵌入式系统与计算机测控网络研究。Biography：LI Zhi-fu(1981- )，male(Han ethnic)，Hunan，HUNAN University，graduate，Research Area：embedded system尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。XIAO Chang-yan(1972- )，male,(Han ethnic)，Hunan，HUNAN University，professor，Research Area：embedded system and computer monitor netw

20、ork识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。该项目尚处在产品开发，调试阶段，预期产生实际经济效益300万以上，数据来源长沙华德科技有限公司。附1：第一作者联系方式：通信地址：湖南长沙湖南大学电气与信息工程学院407室邮编：410082什么是插装阀？插装阀应是自身不能够完成全部功能，而必须将其放入一个阀腔内，与其它各种阀共同或独自完成所要求的功能。许多螺纹形式和非螺纹形式的元件可满足这个定义。1. 设计因素插装阀和其阀孔的设计通用性的重要性在于大批量生产。就某一种规格的插装阀为例，为了批量生产，其阀口的尺寸是统一的。此外，不同功能的阀可采用同一规格阀腔，例如：单向阀、锥阀、流量调节阀、节流阀、两位电磁阀等等。如

21、果同一规格、不同功能的阀无法采用不同阀体，那么阀块的加工成本势必增加，插装阀的优势就不复存在。插装阀在流体控制功能的领域的使用种类比较广泛，已应用的元件有是电磁换向阀，单向阀，溢流阀，减压阀，流量控制阀和顺序阀。通用性在流体动力回路设计和机械实用性的延伸，充分展示了插装阀对系统设计者和应用者的重要性。由于其装配过程的通用性、阀孔规格的通用性、互换性的特点，使用插装阀完全可以实现完善的设计配置，也使插装阀广泛地应用于各种液压机械。2. 体积小、成本低批量生产的对用户益处在阀块还未装配线终点时就已显现。采用插装阀设计的整套控制系统可为用户大大减少制造工时；该控制系统的每个元件在组装成集成阀块前就可

22、进行独立测试；集成块在发给用户之前就可进行整体测试。由于必须安装的元件和连接的管路大大减少，为用户节省大量的制造工时。由于系统污染物的减少，泄漏点的减少和装配错误的降低，使可靠性显著提高。插装阀的应用实现了系统的高效、方便。以轮式装载机为例，采用插装阀集成块来代替故障不断、难以诊断和维修的动力传动控制装置。原有控制系统有60多个连接管件和19个独立元件。用来替代的整体特制集成块上只有11个管件和17个元件。体积为12 x 4 x 5立方英寸，是原系统所占空间的20。采用插装阀的特点如下：减少安装时间 减少泄漏点 减少易污染源 减少维修时间（因为插装阀无需取下管接头配件即可更换） 3. 功能全、

23、应用广泛装阀已经广泛应用于多种工程机械、物料搬运机械和农业机械。在常被忽视的工业领域中，插装阀的应用在不断的扩大。特别是在许多重量和空间的限制的场合中，传统工业液压阀束手无策，而插装阀却大显身手。在某些应用场合，插装阀是提高生产力和竞争力的唯一选择。新型插装阀的功能正不断被开发出来。这些新开发成果将保证将来可持续的生产效益。过去的经验证明：想象力的贫乏是采用插装阀实现生产既期效益的唯一限制。译自 AUGUST 1991 /HYDAULICS & PNEUMATICS目前，国内的液压工程机械的操作方式多是手动拉杆或液控比例减压阀方式。前者劳动强度大，作业效率低; 后者安装维修困难，整机自动化程度

24、低。DELTA POWER公司为各种手动/机械换向阀的生产厂家提供了新型电液一体化升级包, 适应于传统手动机械控制/液控的移动液压机械的电液一体化升级改造，如：50-80吨汽车起重机、大型装载机、挖掘机、液压叉车、多功能作业车等。电液一体化升级包集成化程度高，性能可靠，安装便捷，可以提高整机的操作性能，提高作业率。电液比例控制升级包包括系列电子摇杆、MPC编程控制器和电液比例减压阀。特点如下： 电控比例流量调速, 微控性能显著 具备与机械现存电子控制管理系统连接的接口重量限制、力矩限制、三圈保护、中位怠速节能 结构简单, 安装方便 主要部件如下：1，电子摇杆（单轴双向，双轴双向）2，MPC编程

25、控制器（2/4/8比例通道）3，电液比例减压阀(2/4/6片装) 负载感应通常是描述开式回路变量泵时常用的术语。之所以称之负载感应，是变量泵可以感应节流环的出口负载感应压力，泵可以维持节流环两端的压差恒定，并实现流量的比例调节。该节流环通常是比例换向阀，但是根据不同的应用，也可以是锥阀或固定节流环。 在液压工程机械中，流量、压力波动较大，采用负载感应回路可以实现节能，较少功耗。详见图1. 系统中流量转为有用功，输入功率的发热损耗与容积效率的损耗相当。在安装溢流阀的定量泵回路中，泵流量100%做功的工况十分有限，多数情况系统都是在部分工况或微动工况工作，大部分流量都通过溢流阀发热损耗了。如果负载

26、压力低于溢流阀设定压力，溢流发热加上换向阀进出口压降的发热损耗，能量损耗则更加严重。同样，装有压力补偿器的变量泵系统在部分工况或微动工况时，流量小且负载压力大大低于溢流阀设定压力时，由于这种泵是在最大压力下调节，泵流量为最大，换向阀进出口的压降导致发热损耗同样严重。负载感应控制的变量泵基本消除了无效功的发热损耗。系统的发热损耗仅限于换向阀进出口实际流量的压降发热损耗，而且随实际系统工作压力的变化保持恒定。见图1的最下图示。负载感应回路通常包括轴向柱塞变量泵，负载感应驱动机构和配置有负载感应梭阀网络的比例多路换向阀（见图2）。负载感应网络的LS口与变量泵负载感应控制阀的X口相连。多路换向阀中负载

27、感应网路（红色图示）通过一系列梭阀与每个工作控制阀片的A口和B口相通，从而保证所感应到最高负载压力可以通过梭阀传至变量泵的控制阀。图2. 典型负载感应油路 为了说明负载感应泵和多路换向阀的配合作用。我们用一个手动换向阀和液压绞车的例子来做对比。操作员推动手动阀，滑阀行程为20%，绞车滚筒以5RPM速度旋转。为了说明原理，我们把换向阀比做固定节流环。当节流环进出口两端的压降不断降低，流经节流环的流量则相应减少。 当绞车的负载增加时，节流环（换向阀）出口的负载感应压力亦相应增加。此时，流经节流环（换向阀）的压降降低，节流环的流量减少，绞车速度开始减慢。在负载感应回路中，节流环（换向阀）出口的负载感

28、应压力通过换向阀的负载感应梭阀网络传至变量泵的控制阀。变量泵的负载感应控制阀即刻响应增加的感应压力，推动斜盘使泵排量缓缓增加，节流环（换向阀）进口的压力开始上升。这种作用可以维持节流环（换向阀）进出口的压力恒定，流量恒定，从而达到绞车速度的恒定。节流环（换向阀）进出口的压降delta P维持在10-30公斤。当所有换向阀回到中位，负载感应压力释放至油箱，泵负载感应控制阀维持在相当于或略高于设定压降值，变量泵处于起始待命状态。由于变量泵只根据负载感应驱动器的指令大小来输出流量，负载感应控制方式无节流发热损耗，节能效应明显。正如上述例子所示，驱动控制效果明显改善。负载感应控制可以保证流量控制的恒定

29、，而不受泵驱动轴速度变化的影响。如果泵的速度减低，负载感应控制阀推动斜盘增加排量，维持节流环（换向阀）的压差，直到排量达到最大量。 在多支路驱动器同时动作的应用设计中，等速同步驱动出现问题较为突出。为简化问题，用两个油缸的举升平台为例，下列公式和计算方法适应与多数驱动器，马达或油缸。如果载荷时对两个油缸不对称，油缸速度V1和V2不同，Q1和Q2流量不同，则油缸（1）和油缸（2）举升油缸受载荷压力变化出现偏载，油缸速度快慢不一。看看下面的例子中油缸伸出速度不同对平台的水平位置的影响。图1：两个油缸的举升平台图2：平台的水平倾斜根据公式计算，速度变化时，平台倾斜角度随之变化，请见上表。可以根据工况

30、来选择不同的设计方案。方案1：压力补偿分流阀压力补偿分流集流阀将一路供油分为两路等量供油，即可分流也可集流，适应双向控制不受输入输出压力的影响。当平台负载变化时，滑阀（4）在分流阀（3）中自动滑移，以补偿P1与P2压力的压差。压力通过滑阀内部的钻孔作用于相反一侧滑阀的端面，若P1压力较高，则相反一端的开口减少，其Q2开口流量相应减少,反之皆然。进口压力=高压出口的压力+开口的压降。集流阀的同步精度约为3-10%。注意：DELTA POWER用于行走机构马达的分流集流阀不同于多个油缸的分流集流阀，两者共同特点是等量分流，但行走马达分流阀注重车轮马达打滑时控制，而油缸分流阀注重于平衡不同负载的流量

31、。方案2：压力补偿流量阀 压力补偿流量阀可以不受压力波动的影响，通过独立对个阀流量进行调整，满足同步速度的要求。该方案适用等量或不等量同步控制，对两路阀手动微动调整可以满足不同速度的要求。同步精度约为5%。方案3：同型号液压泵 采用两个同样型号的液压泵也可实现同步控制。但是负载压力波动会影响液压泵的内泄。两泵方案实现调速较困难。控制的精度约为5%。方案4：双杆等速油缸串联回路 采用双杆等速油缸串联回路的主要优点是容积效率较高。由于油缸1排出的流量与进入油缸2的流量相等，所以两油缸的速度相等。该方案等速同步控制精度约为1%。缺点是油缸1的压力为负载的2倍，另外双杆油缸的安装空间较大。方案5：同步液压齿轮分流器 旋转式齿轮马达分流器是将一路供油分为两路或多路等量或不等量供油，供油不受输入、输出压力的影响。双片分流器是由两个相同排量的马达组成，采用公共轴连接，因此两个马达的速度相同，流量也相同。工作原理同于马达，由于驱动轴几乎不损失动力，所以各马达片间压降极小。在结构可以根据流量速度采用不同数量和不同流量的马达组合，选配灵活，适应范围较广。由于马达内泄较低，同步控制精度约为1-3%。注意：同步齿轮马达，可分流不可集流。用于油缸同步控制时，分流时油缸加载施压，油缸反向空载回缩时直接经换向阀回油箱。该方案在同步控制中精度高，成本低，应用