对电液比例阀几个基本问题的讨论

电液比例阀是指采用电液比例控制技术对液压系统流量、压力和方向流量等物理量进行控制的电液控制元件[1-2]。电液比例阀主要包括压力阀、流量阀、方向流量控制阀和复合阀等。此外，电液比例变量泵、电液比例变量马达的变排量机构的主体也是电液比例阀控制的阀控变排量液压缸动力机构。

电液比例阀与电液伺服阀的主要不同之处在于，比例阀采用比例电磁铁驱动阀芯控制阀口开度 (弹簧力-位移直接转换式、位移-力反馈式和直接位置反馈式)，而伺服阀采用力矩马达液压放大器(喷嘴挡板或射流管阀)反馈(位移力反莉直接位置反馈)控制阀口开度。

比例控制元件采用的电-机械转换装置为比例电磁铁(-般为动铁式电-机械转换器)，它的输入电信号-基金项目：国家自然科学基金资助项 目(51075016)收稿日期：2012-l0-22作者简介：李运华(1963-)，男，河北邢台人，教授 ，博士，主要研究领域：飞行器液压与综合机电控制.车辆和工程机械电子液压控制。

般在 0.6～1.2A之间(最大电流很少超过 2A)，为了提高运行可靠性和输出力。还有采用大电流的趋势，衔铁输出的电磁力的最大值-般在0.020.4kN之间。

普通比例方向阀对阀口压差也没有严格限制，-般以阀口压差为 1MPa时的流量为额定流量。负载敏感阀的阀口压差-般控制在 0.7-1.4MPa之间，而伺服阀的阀口压降-般取为供油压力的 1/3，如果取供油压力为21MPa，则伺服阀的阀口压降高达 7.0MPa，所以电液比例控制系统的效率比电液伺服控制系统要高。

1 基本描述比例阀通过控制比例电磁铁在工作其隙处的电磁力实现对液压参数的控制。以单级电液比例节流阀为例，如图 1所示，线圈电流控制电磁力，通过对中弹簧使电磁力与弹簧恢复力平衡将电磁力转换为阀芯位移实现对滑阀开口量的控制并最终实现阀口流量的控制。

当要求输出的液压功率较大时，需要增加液压先导级。液压先导级将电-机械转换元件输出的功率转换并加以放大，以推动主阀运动来控制流体的输出流量与压力 。这种先导级放大可能是-级或二级，这里统25液 压 气动 与密封/2013年第 04期- 称为先导级，最后控制的输出级液压阀称为功率级主阀。

1-衔 铁 2-对中弹簧 3-弹簧压 4-闽芯图 1 电液比例节流 阀图2为电液比例电磁铁的静态吸力特性曲线翻，图中 为工作气隙。从图 2可以看出，电液比例电磁铁具有很好的水平位移-力特性，即在其有效行程内，当线圈输入电流-定时，其输出力大致保持恒定，输出力随工作气隙增加呈现很小的正斜率增长，这有利于提高比例电磁铁与阀芯质量弹簧组成的阀芯位移系统的稳定性。提高电磁铁输出力能显著提升阀的响应速度。

1-晋通电磁铁 2-比例电磁铁I-吸合区 Ⅱ-工作行程区 Ⅲ-空行程区图 2 电液比例 电磁铁的吸力特性比例电磁铁的推力 与线圈的匝数 Ⅳ和控制线圈中流过的电流i有关，其计算公式为：2- f 1 dG2 /式中 G--气隙中的磁导，-般表达式为G ；0气隙沿磁力线方向的长度；A--气隙部位和磁力线垂直的断面积， 41T×10 H/m为真空磁导率。

比例阀线圈的驱动电流-般在 0.6～2.0A的数量级，为减小管耗广泛采用脉宽调制式(PWM)功率放大驱动[21。PWM具有开关式功率放大的低管耗和类似模拟式功率放大的线性控制特性 ，按准连续方式工作。

PWM式比例放大器如图3所示.图中r和 分别为比例阀线圈的电阻和电感。为提高放大器的等效输出阻抗并减小线圈电感、电阻对动态特性的影响，比例放大器中设有电流负反婪节(通过取样电阻 和反馈电阻 ，实现)。现在面向电液比例控制元件应用的不少现场总线控制器 (如 EPEC的 2023、2024。Rexroth的26RC6-9和 Hawe的PLVC等)中设有的PWM驱动均属于没有电流反馈的比例放大，其性能比设有电流反馈的分立式比例放大器要差-些。

24V功率地图 3 比例 阀用 的比例放大器2 PWM 比例放大器主要参数对比例阀开口控制性能的影响比例阀线圈电流对比例阀开口性能的控制是评价比例阀性能的重要性能指标。这里主要通过实际 PWM比例放大器电流波形测试和 Matlab/Simulink仿真，研究 PWM主要参数对阀口特性的影响。

根据对实际比例流量阀的参数统计，仿真中比例流量阀的主要参数假定如表 1所示。

表 1 比例流量阀主要参数通过对大量现有比例放大器产品输出电流波形的观测，发现比例阀线圈电流仍保持调宽信号特性。这是由于电感和线圈电阻构成的转折频率较高没有滤掉PWM信号高频分量的缘故。实际上，这也是图 3所示的含有电流负反馈比例放大器的特性。所以，这里假定线圈电流i保留调宽信号特性。

为了隔离负载压力对比例阀流量的影响，-般采用空载流量(或阀芯开口)与电流之间的关系来评价比例阀的性能 。基于比例电磁铁和阀芯质量弹簧系统的力平衡方程 ，比例阀的空载流量(滑阀开口量)与线圈电流间的传递函数-般为欠阻尼二阶环节.其表达式为：Gqv(s)里 杰K- - 。r- r上： pvHvdraulics Pneumatics＆ Seals，NO.04.2013式中OJpv--比例阀的固有频率， 、/ ； 无因次阻尼比，乒- 兰二；2V Km和 g。--比例阀的流量增益和空载流量。

在 PWM信号输入设定为低电平 0V和高电平 24V的情况下，取 m100xl0 kg，K25x10。N/m， O.5，计算传递函数中的∞ 对系统进行开环响应特性测试。仿真测试中暂设 1.0进行。Matlab/Simulink下的控制框图如图4示。

脉冲发生器 K 传递函数 显示图 4 Matlab/Simulink仿翼模型在不同的 PWM信号占空比k 参数和信号频率 厂参数下的实验曲线结果如图5所示。

从以下混合仿真结果可以看出：①当控制信号即占空比较小时，对应的被控阀开口也较小但其受 PWM波信号源的频率影响较大，此时阀口信号存在较大的脉动幅值；②当占空比较大时，阀口信号脉动幅值很小且受PWM波信号源的频率影响较小；③阀口脉动幅度随占空比信号的增加而减小；④阀口脉动幅度随PWM信号的频率增加而减校所以，实际应用中应尽量按照厂家推荐选择较高的 PWM信号频率∠低的 PWM信号频率会使小流量时的脉动幅度增加。

舞3025三 20151050t/s(a) 99 9%，f500Hzt/s(C) 99 9 厂 100Hz23O25之 20暴15lO0ts(b) 99%，f250Hz2520三 15丑 簿 105O 丑解15三 10丑簿 5Ot/s(e) 50%，f250Hzt/s(h)kblO%，f250Hzt/s(i)kb10%，厂100Hz图 5 阀口开度与 PWM 信号参数之间的关 系3 结论(1)电液比例控制元件的性能与比例电磁铁 、力-位移转换机构特性和比例放大器的特性有关：(2)使用比例阀时，应正确选择 PWM信号频率，高精度诚应注意控制信号较小时的阀口控制的脉动问题。