工作原理与性能特性
出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册上册》第1354页（10605字）
(1)增量式数字阀
A．工作原理
图22．1－2是增量式数字阀控制系统的组成和工作原理框图。
计算机的输出脉冲序列经驱动电源放大，作用于步进电机。步进电机每得到一个脉冲信号，便沿着控制信号给定的方向转动一个固定的步距角。步进电机的转角通过凸轮或螺纹等机构，转变成直线位移，带动液压阀阀芯(或挡板)移动一定距离，阀口形成一定开度。图中双点划线框为增量式数字阀，可见增量式数字阀就是由步进电机驱动的液压阀。
步进电机是一个数字元件，根据增量控制方式工作。图22．1－3是增量控制法图解。增量控制法是由脉冲数字调制法演变而成的一种数字控制方法。是在脉冲数字信号的基础上，使每个采样周期的步数在前一采样周期的步数上，增加或减少一些步数，而达到需要的幅值。步进电机转角步数与输入脉冲数成比例，带动阀芯移动相应的步数，得到与之相适应的阀开口，从而得到与输入脉冲数成比例的压力、流量值。
图22．1－3 增量式数字控制方法
步进电机是数字阀的组成部分，它是一种D／A转换型电—机转换器，利用电磁作用原理工作，接受电脉冲信号，输出脉冲型机械转角。图22．1－4是四相反应式步进电机工作原理图。它由定子与转子组成，转子是一导磁体，定子的四对极靴上绕有A、B、C、D四相激磁绕组。
图22．1－4 步进电机工作原理图
1－转子铁芯；2－定子铁芯；3－定子绕组
当定子得到脉冲信号，各相依次通电时，转子被吸合而一步步转动。输出转角与输入脉冲数严格成比例。在时间上转角与输入脉冲同步，即转速与输入信号的脉冲频率有关。转子每一步的转角称为步距角。为使步进电机得到较小的步距角，在定子的每极上和转子的外周上分割出若干小齿，并且定子相邻极靴上的齿，在周向错开1／4齿距。若脉冲分配器按A－B－C～D顺序向各相依次通电，转子每步转动至其某齿轴线和通电定子极靴中心齿轴线对齐的位置。除上述依A－B－C－D顺序的四相单四拍运行方式之外，步进电机的通电运行方式还有依A－AB－B－BCC－CD－D－DA顺序的四相八拍和AB－BC－CD－DA的四相双四拍运行方式。步进电机步距角
式中 m——定子绕组相数；
Z——转子齿数；
K——通电运行方式系数，四拍供电K=1，八
拍供电K=2。
关于步进电机的性能，请参阅其他有关资料。
增量式数字阀的液压阀部分工作原理与伺服阀和电液比例阀类似。国外现已开发出的系列产品，根据被控液压参量，分为压力阀、流量阀和方向流量阀。现取有代表性者简述其工作原理。
(A)增量式数字压力阀
图22．1－5是日本东京计器公司增量式压力阀的工作原理图及职能符号。阀的驱动部分为步进电机，凸轮1将步进电机的旋转运动转变为顶杆2的上下往复运动。液压阀由先导阀和主阀两部分组成。先导阀弹簧压缩量由步进电机通过凸轮、顶杆给定，从而调节了先导针阀3开口处的压力。主阀口为—锥面。主阀芯7上有一平衡活塞5，其左腔为进口油压，右腔为针阀前油压。活塞上有阻尼孔6，当先导针阀口开启时，阻尼孔使活塞左右腔形成压差，主阀口开启。阀的最高压力和最低压力取决于凸轮的导程和先导阀弹簧刚度。阀上设置有调节手轮，可通过手轮调节与先导针阀并联的手调先导阀，对压力实现手动调节。若拆除主阀部分则上述数字阀成为直动式压力阀，这样它的调压范围、调压方法不变，但通流量大为降低。
图22．1－5 增量式数字压力阀
(a)直动式；(b)先导式；(c)结构原理图
1－凸轮；2－顶杆；3－针阀；4－阀套；5－平衡活塞；6－阻尼孔；7－主阀芯
(B)增量式数字流量阀
a．直接驱动式数字流量阀
图22．1－6是这种阀的结构原理示意图。其工作过程是：步进电机1的转动通过滚珠丝杆2转化为轴向位移。带动节流阀阀芯3移动，控制阀口开度，实现流量调节。该阀的液压阀口由相对运动的阀芯3和阀套4组成，阀套上有两个通流孔口。左边一个为全周开口，右边为非全周开口。阀芯移动时先打开右边的节流口，得到较小的控制流量；继续移动，则打开左边阀口，流量增大，这种设计，使阀的控制流量可达3600L／min。阀的液流流入方向为轴向，流出方向与轴线垂直，这样可抵消一部分阀开口流量引起的液动力，并使结构较紧凑。连杆5的热膨胀，可起温度补偿作用，可减小温度变化引起的流量不稳定。阀上装有单独的零位移传感器6，在每个控制周期终了，阀芯由零位移传感器控制回到零位，以保证每个工作周期有相同的起始位置，提高阀的重复精度。
图22．1－6 步进电机直接驱动式数字流量阀
1－步进电机；2－滚珠丝杆；3－节流阀阀芯；4－阀套；5－连杆；6－零位移传感器
b．压力补偿式数字流量阀
图22．1－7是压力补偿型数字流量阀的工作原理图。该阀的液压部分由喷嘴挡板阀、流量控制滑阀和压力补偿阀组成。流量控制阀芯3左、右端的承压面积分别为A1、A2、A1、A2之比为1∶2。先导控制压力油作用于A1腔，同时经阻尼孔7进入A2腔。A2腔压力也即喷嘴1前的压力，此压力受喷嘴挡板阀控制。
图22．1－7 压力补偿式数字流量阀工作原理
(a)不带压力补偿；(b)减压式压力补偿；(c)安全式压力补偿
1－喷嘴；2－挡板；3－流量控制阀芯；4－压力补偿阀芯；5－弹簧；6－固定节流孔
当步进电机以一定步数转动，通过凸轮使挡板2位移，挡板和喷嘴之间的距离减小，A2面上压力升高，流量控制阀芯3在此压力作用下得到相应位移，打开节流控制口，液流从P腔至C腔得到与步数成比例的流量。主阀芯运动使喷嘴与挡板间距离加大回到原始状态，即A1、A2面上的总作用力平衡时停止。
压力补偿阀芯4左端作用着P口的油压力，右端作用着弹簧力和C腔的油压力。当C腔压力因负载而改变时，补偿阀芯在此压力变化的作用下移动，使P至T油口开启或关闭，P腔压力随C腔压力改变，从而保持P至C腔的压差恒定，起到稳定流量的作用。这种压力补偿方式为溢流式压力补偿，其职能符号见图22．1－7(c)图。若对油道稍作改变，并将补偿阀芯换成减压阀式阀芯，可得到减压式压力补偿流量阀，如图22．1－7(b)所示。溢流式压力补偿流量阀是一个三通阀，供油压力适应负载而变化，可节省能量。
压力补偿式流量阀静态特征性较好，流量稳定性和精度均较高，但结构复杂，动态性能较差，负载变化时有较大的瞬时流量超调。为了改善性能，东京计器公司新一代的产品作了一些改进。图22．1－8表示了D－F(R)G系列数字流量阀的工作原理。
图22．1－8 D－F(R)G系列数字流量阀原理图
1－步进电机；2－齿轮；3－凸轮；4－流量控制阀芯；5－平衡减压阀；6－压力补偿阀
这种阀液压阀部分取消了喷嘴挡板阀，而由流量控制主阀，压力补偿阀和平衡减压阀三部分组成。步进电机1的旋转角经齿轮2、凸轮3传递后，直接作用于流量控制阀的阀芯4，调节节流口开度，控制流量。为了减小步进电机的驱动力，设置了平衡减压阀5。压力油经阀5减压后，作用于流量控制阀芯的两端，合理设计流量控制阀芯两端的承压面积A1、A2和压力pA1、pA2，就可有效降低滑阀所需的驱动力。压力补偿阀部分的工作原理与前述相同，图22．1－8表示的是减压型压力补偿的工作原理。对应的职能符合号为图22．1－7(b)。若将其换成图22．1－7所示的安全型压力补偿方法，则得到溢流式压力补偿型流量阀。压力补偿装置订货时可根据用户的需要选择。
改进后的流量阀，步进电机带动的凸轮直接作用于流量控制阀芯上，调节节流阀口。减少了控制环节，因而增加了控制可靠性，提高了响应速度。
(C)数字方向流量阀
图22．1－9为数字方向流量阀的工作原理图。该阀由方向流量控制滑阀，喷嘴挡板阀和压力补偿阀三部分组成。其中压力补偿阀可根据需要取舍，图中(a)为不设压力补偿，(b)为带压力补偿式方向流量阀的职能符号。
图22．1－9 数字方向流量阀工作原理
(a)带减压型压力补偿；(b)带安全型压力补偿；(c)不带压力补偿；(d)结构原理
1－方向流量阀阀芯；2－固定阻尼孔；3－喷嘴；4－挡板；5－压力补偿阀芯；6－弹簧；7－阻尼孔
这种阀的工作原理与压力补偿式流量阀类似，见结构原理图22．1－9(d)。主滑阀1左端作用着先导控制油口的压力油，承压面积为A1。右端压力经阻尼孔2减压后，有一压力降，此处压力即是喷嘴前控制压力；滑阀右端面承压面积A2，A1与A2的面积比小于1，一般为1：2。步进电机带动挡板4移动；改变滑阀右腔压力，驱动滑阀左右移动，分别接通P－B或PA通道实现换向。滑阀位移至喷嘴与挡板间距离回复到初始距离即滑阀两端受力平衡时停止。所以通过滑阀控制口的流量由步进电机步数决定，而阀口的开启方向由步进电机的转向决定。
压力补偿阀芯5的左腔为P口的压力油，右腔为A或B工作腔的压力油，若负载变化引起工作腔油压改变，压力补偿阀芯感受这一变化而移动。启、闭P至T腔的阀口，调节P腔压力，使P－A(或B)的压降保持恒定，从而稳定流量。压力补偿阀可根据需要取舍。职能符号分别如图22．1－9(a)、22．1－9(b)所示。
B．性能特征
对增量式数字阀的静特性要求主要有：重复精度高，非线性误差小，定位精度高，分辨率高。增量式数字阀的分辨率定义为：阀的被控量从最低至最高所对应的脉冲数，此数大，则分辨率高。
步进电机与比例电磁铁相比，滞环小，无累积误差，重复性好。因而数字阀重复精度高，可得到较高的开环控制精度。
数字控制方式能对被控量精确设定，数字阀芯的位移严格地与步进电机步数成比例，因而阀的定位精度高，线性度也较好。数字控制可对瞬态过程进行编程控制，实现无冲击起动、制动、换向，这是模拟控制难以实现的。而且，控制信号为脉冲逻辑信号，利于提高阀的抗干扰能力。
阀内设有复位机构，输入复位信号，数字阀能准确回到中位，以保证阀的重复精度和定位精度。
增量式数字阀的工作压力和流量，不受其工作原理的影响，日本东京计器公司的产品，压力达21MPa，流量达500～1000L／min，与之对应的步进数约为1000。
增量式数字阀对液压阀部分无特别要求，对液流的控制原理与电液比例阀和普通开关阀类似。因此具有灵活、方便、准确的控制能力、结构简单、工艺性好、抗污染能力强、工作可靠和造价低的优点。
这种阀的主要缺点是：受步进电机惯频和矩频特性限制，响应速度较低，频宽较窄。由于电机惯性引起滞后，在启动、停止时会产生失步现象。存在零位死区。分辨率受限制。
增量式数字阀的静态特性主要是指输入脉冲数与输出流量或压力的关系，其典型曲线见图22．1－10。由此曲线可得出阀的线性度、滞环、死区、饱和等性能指标。一般压力阀约有4%的起始压力，分辨率为1%。流量阀约有15%的死区，这样虽然最大流量时的脉冲数为100，但删去死区后，分辨率约为1．2%，而且在40步以内线性度较差。方向流量阀死区的为±15%，全流量时为±63步，分辨率较低，仅为1．9%左右。
图22．1－10 增量式数字阀的静态特性曲线
(a)压力阀特性；(b)流量阀特性；(c)方向流量阀特性
表22．1－2 增量式数字阀性能比较
另一静态特性曲线是负载特性曲线，用来考察负载流量与负载压力之间的关系。数字阀的压力补偿措施，可使其负载特性大为改善。
增量式数字阀的动态特性主要用响应时间和超调量来衡量。数字压力阀开环控制的阶跃特性如图22．1－11所示。
图22．1－11 数字压力阀的阶跃特性
(a)接触控制；(b)程序控制
图22．1－11(a)是接触控制；信号本身有0．045s的滞后，然后等速上升，输出压力有一定的超调量。图22．1－11(b)所示的程序控制方式，使输入信号，减速上升或下降达额定值，可减少压力超调，缩短响应时间。
流量阀的动态特性除了输出量对输入信号的响应时间之外，有时还要考察输出流量随出口压力变化的瞬态过程。图22．1－12是D－F(R)G系列数字流量阀对阶跃负载压力信号的瞬态响应曲线。可见这种阀抗干扰能力和稳定性均比较好。
图22．1－12 增量式数字流量阀对负载压力变化的响应
增量式数字阀对输入信号的响应时间，与使用的驱动器及励磁方式有较大关系。采样频率对数字阀动态特性也有较大影响。
(2)快速开关式数字阀
A．工作原理
快速开关式数字阀又称脉宽调制式数字阀。其数字信号控制方式为脉宽调制式。即控制液压阀的信号是一系列幅值相等，而在每一周期内宽度不同的脉冲信号。
如图22．1－13所示，脉宽调制信号是频率不变，开启时间比率不同的脉冲信号。开启时间称为脉宽时间tp，tp对采样周期T的比值tp／T称为脉宽占空比，用它来表征该采样周期的幅值。图22．1－13(a)所示的连续信号可用脉宽调制方法调制成图22．1－13(b)所示的脉宽信号。若调制量为流量，则每个采样周期的平均流量为q=qntp／T，与连续信号相对应时刻的流量相当。
图22．1－13 信号的脉宽调制
(a)连续信号；(b)脉宽调制信号
快速开关式数字阀控制系统如图22．1－14所示。计算机根据控制要求发出脉冲信号，经脉宽调制放大器调制放大，作用于电／机转换器，电／机转换器驱动液压阀工作。系统多为开环控制，也可闭环控制如图中虚线所示。
图22．1－14 快速关式数字阀控制组成框图
图中双点划线部分为数字阀，即快速开关式数字阀，它由电磁式驱动器和液压阀组成。由于作用于阀上的信号是一系列脉冲，所以液压阀也只有与之相对应的快速切换的开和关两种状态。而以开启时间的长短来控制流量或压力。
快速开关式数字阀的控制方法以及液压阀的工作原理与比例阀、普通开关阀和增量式数字阀均有较大不同，它是一个快速切换的开关，只有全开、全闭两种工作状态，因此，它的液压阀结构也与其它阀不同。驱动部件，仍以电磁式电／机转换器为主，主要是力矩马达和各种电磁铁。
(A)盘式电磁铁—锥阀组合的数字阀
图22．1－15所示是浙江大学研制的数字阀结构图。通电时盘式衔铁1左移，带动阀芯3开启阀口；断电时弹簧2压衔铁向右复位，阀口关闭。在恒定的采样周期内，控制“开”、“关”时间，即可得到不同的流量。图示为二位三通阀。对阀芯略作修改即为二位二通阀。
图22．1－15 盘式电磁铁—锥阀组合的数字阀结构图
1－盘式电磁铁；2－弹簧；3－锥形阀芯；4－阀套
盘式电磁铁主要受表面力作用，电磁作用力较大；可达120N，而行程较短，因此这种阀的阀芯行程也较短。
(B)螺管电磁铁—液压阀组合的数字阀
图22．1－16为螺管电磁铁—锥阀组合的二位二通快速开关阀，当线圈4通电时，衔铁2右移，使与其连接的锥阀芯1开启，压力油从P口经阀体流入控制腔C。断电时，弹簧3使锥阀关闭。阀套5上有一阻尼孔6，用以补偿液动力。
图22．1－16 螺管电磁铁—锥阀组合数字阀
1－锥阀芯；2－衔铁；3－弹簧；4－线圈；5－阀套；6－阻尼孔
图22．1－17为螺管电磁铁二位三通快速开关阀结构原理。线圈通电时衔铁1左移，通过推杆2使阀芯4左移，接通P－A腔。断电时，弹簧2使阀芯复位，A腔与T腔相通。
图22．1－17 螺管电磁铁—滑阀组合数字阀
1－衔铁；2－推杆；3－阀套；4－阀芯；5－弹簧
图22．1－18为螺管电磁铁—提动阀式快速开关阀结构原理。该阀为二位二通式，通电时衔铁1下移，经推杆2使提动阀芯3向下，打开阀口，P－C腔相通。断电时弹簧5向上推动阀芯，关闭阀口。
图22．1－18 螺管电磁铁—提动阀式数字阀
1－衔铁；2－推杆；3－提动阀；4－阀套；5－弹簧
图22．1－19为螺管电磁铁—球阀组合的数字阀。该阀液压部分为二级，均为二位三通。当电磁铁通电时，衔铁1向上运动，使先导级阀2的负载腔与压力油相通，回油口关闭。先导级阀的负载腔即主阀3的左端。因此，此时主阀左端与压力油相通，推动主阀(球阀)向右运动。于是主阀负载腔与供油相通，回油口关闭。若电磁铁断电，则压力油驱动先导阀和主阀，使之负载腔与供油切断，而与回油口接通。
图22．1－19 螺管电磁铁—球阀组合数字阀结构图
(C)力矩马达—球阀组合的数字阀
图22．1－20为力矩马达和球阀组合的数字阀工作原理图。这种阀的驱动部分为力矩马达，根据线圈通电方向不同，衔铁2顺时针或逆时针方向摆动，输出力矩和转角。液压部分为两组球阀，分为二级，均为二位三通。若线圈通电，使衔铁2顺时针转动，则压下推杆4，并由先导球阀6关闭P－L2通道，而此时球阀5因下部与上部，分别作用着P口与T口的压力，此压力差形成的动力大于推杆3的下推力，所以处于上位，关闭P－T通道。在先导阀的控制作用下，球阀8处于上位，打开P－A通道；球阀T处于下位，关闭PT通道。若交换线圈组的通电方向，四个球阀均反向，主油路改变为，P－A关闭，A－T开启。
图22．1－20 力矩马达—球阀组合数字阀
1－线圈；2－衔铁；3、4－推杆；5、6－先导级球阀；7、8－功率级球阀
(D)压电晶体式数字阀
图22．1－21所示的阀采用压电晶体作为驱动装置，是一种新型结构。压电晶体是一种电致伸缩材料，多片压电晶体叠合，通电时可产生约0．02mm的变形，由此带动滑阀运动，启、闭阀口。
图22．1－21 压电晶体式数字阀
1－压电晶体；2－阀芯；3－阀套
B．性能特征
快速开关式数字阀的主要优点是：结构简单，成本低；对油液污染不敏感，工作可靠、维修方便；阀口压降小，功耗低；元件死区对控制性能影响小；抗干扰能力强；与计算机接口方便，控制程序容易编制。表22．1－3是它与其他类型电液控制阀的性能比较。
表22．1－3 快速开关数字阀性能比较
这种阀的主要缺点是：因为元件工作不连续，衔铁的撞击运动和液流的的脉冲运动产生较大噪声，被控参量的目标值是以开关阀的平均值来代替的，瞬时流量和压力的脉动较大。这会影响元件和系统的使用寿命和控制精度。为得到高频开、关动作，电—机转换器和阀的行程都受到限制，因此这种阀的流量均不大，只能控制小流量，或用作先导级来控制大流量。
快速开关阀的静态特性是脉宽占空比与流量(或压力)的关系，图22．1－22是典型静特性曲线。阀的静态性能与采样周期T有关，当T较小时，由于可控脉宽相应较小，所以输出控制流量也较小，反之亦然。阀有约20%的死区和10～20%的饱和区，但这些区域可在控制程序中加以删除，使控制系统不出现死区和饱和现象。阀有较好的线性度，加之快速开关控制对线性度、零飘等无严格要求，可省去外加的颤振信号。
图22．1－22 快速开关式数字阀的流量特性曲线
快速开关阀的动态特性，主要是响应时间。这种阀总是工作在开与关快速切换的动态，它必须有足够高的响应速度，即阀的开、闭过程足够短，才能实现控制要求。因此切换时间就成为衡量快速开关阀性能的重要指标。
切换时间包括阀的开启时间t。n和关闭时间toff。如图22．1－23所示，开启时间是指从给定开启信号到阀完全打开所需的时间，关闭时间是指从给定关团信号到阀完全关闭所需的时间。采样周期T=ton+toff+tm1+tm2，其中tm=tm1+tm2为可控制的脉宽时间，tm大利于提高系统对信号的分辨率。但tm增加会使T增加，从静态特性看，增加采样周期虽可提高阀的流量增益；却使控制精度下降。降低阀的切换时间ton、t。ff，则可在采样周期不变的情况下，提高可控脉宽时间tm，对改善阀性能很有意义。因此，迄今为止，对快速开关阀的主要研究方向是提高阀的开关速度。
图22．1－23 快速开关式数字的动态响应
V－信号电压；I－线圈电流；x－阀开启程度
快速开关的动作滞后原因，主要有电滞后、磁滞后和机械滞后。
放大器驱动一个电磁铁线圈，是一个以感应为主的负载，电磁铁线圈电流一般较大，电感量也较大，电流切换到额定值需要一定时间，引起较大的电滞后。在线圈电流建立的过程中，伴随着线圈磁通的变化，导磁材料会感应出涡流，引起磁场变化过程滞后于电流变化的磁滞后；导磁材料的磁滞性，磁势和磁感应强度之间也有一定的时间差。机械滞后主要由阀芯及附件运动过程中的惯性力、阻尼力、液动力以及弹性力引起。
上述三种滞后原因中，以线圈电感引起的滞后最为明显，阀的开关时间大部分消耗在此。因此研制新型电—机转换器，开发使用高性能铁磁材料，是快速开关型数字阀的主要研究方向。降低机械滞后的有效方法则是降低液动力，尤其在大流量的情况下。
表22．1－4 各类快速开关式数字阀性能比较