雙閥芯控制在液壓多路換向閥的應(yīng)用

　　隨著微處理控制器、傳感器元件成本的下降，控制技術(shù)的不斷完善，使得雙閥芯控制技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域得以應(yīng)用。英國(guó)Utronics公司利用自己的技術(shù)及專利優(yōu)勢(shì)研制出雙閥芯多路換向閥，已廣泛應(yīng)用于JCB、Deere、DAWOO、CASE等公司的挖掘機(jī)、*車、裝載機(jī)及挖掘裝載機(jī)等產(chǎn)品上。為適應(yīng)中國(guó)工程機(jī)械產(chǎn)品對(duì)液壓系統(tǒng)功能要求。穩(wěn)定性以及自動(dòng)化控制程度的不斷提高，Utronics公司產(chǎn)品適時(shí)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，現(xiàn)已初步完成廈工(5t)裝載機(jī)、詹陽(yáng)(8t)挖掘機(jī)樣機(jī)調(diào)試并進(jìn)入試驗(yàn)階段。

　　1、傳統(tǒng)單閥芯換向閥的缺陷

　　傳統(tǒng)的單閥芯換向閥所組成的液壓系統(tǒng)難以合理解決好以下功能和控制之間存在的矛盾：

　　(1)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少負(fù)載變化對(duì)速度的影響，要么犧牲部分我們想實(shí)現(xiàn)的功能，要么增加額外的液壓元件，如調(diào)速閥、壓力控制閥等，通過(guò)增加阻尼，提高系統(tǒng)速度剛度來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是這樣元件的增加又會(huì)降低效率，浪費(fèi)能源；還會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)的可*性降低、增加成本。

　　(2)由于換向結(jié)構(gòu)的特殊性，使得用戶在實(shí)現(xiàn)某一功能時(shí)必須購(gòu)買相應(yīng)的液壓元件，再加上工程機(jī)械廠家會(huì)根據(jù)不同最終用戶要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的功能，這樣會(huì)造成生產(chǎn)廠家采購(gòu)?fù)悺⒍嘁?guī)格的液壓控制元件來(lái)滿足不同功能要求的需要，不利于產(chǎn)品通用化及產(chǎn)品管理，同時(shí)會(huì)大大提高產(chǎn)品成本。

　　(3)由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)出液壓油通過(guò)一根閥芯進(jìn)行控制，單獨(dú)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩側(cè)壓力是不可能的。因此，出油側(cè)背壓作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的反方向，隨著出油側(cè)背壓升高，為保質(zhì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，必須提高進(jìn)油側(cè)壓力。這樣會(huì)使得液壓系統(tǒng)消耗的功能增加，效率低，發(fā)熱增加。

　　采用雙閥芯技術(shù)的液壓系統(tǒng)，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)出油側(cè)閥口閥芯位置及控制方式各自獨(dú)立，互不影響，這樣通過(guò)對(duì)兩閥芯控制方式的不同組合，利用軟件編程能很好解決傳統(tǒng)單閥系統(tǒng)不能解決的問(wèn)題，同時(shí)還可以輕易實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)的功能。

　　2、雙閥芯換向閥的兩種基本控制策略

　　由于雙閥芯換向兩油口控制的靈活性，兩油口可分別采取流量控制、壓力控制或流量壓力控制。正面介紹兩種簡(jiǎn)單的控制策略。

　　(1)負(fù)載方向在整個(gè)工作過(guò)程中保持不變

　　我們知道，對(duì)于汽車起重機(jī)、挖掘機(jī)、裝載機(jī)等而言，其液壓缸在整個(gè)工作過(guò)程中負(fù)載方向始終維持不變。下面以起重機(jī)變幅液壓缸為例來(lái)探討雙閥芯的控制策略。

　　起重機(jī)變幅缸在工作過(guò)程中其受力，負(fù)載方向始終保持不變，因此我們可以采取液壓缸有桿控用壓力控制、無(wú)桿腔用流量控制的控制策略。

　　無(wú)桿腔流量控制是通過(guò)檢測(cè)連接到無(wú)桿腔側(cè)閥前后兩側(cè)的壓差，再根據(jù)所需流入或流出流量的多少，計(jì)算出閥芯開(kāi)口大??；有桿腔側(cè)采用壓力控制，使該側(cè)維持一個(gè)低值的壓力，使得更加節(jié)能、高效。

　　由于我們?cè)跓o(wú)桿腔采用了流量控制，因此原控制系統(tǒng)中所用的平衡閥可用一個(gè)液控單向閥來(lái)代替。這樣可消除因平衡閥所帶來(lái)的系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　(2)負(fù)載方向在工作過(guò)程中發(fā)生改變

　　在這種情況下，采取“進(jìn)油側(cè)壓力控制，出油側(cè)流量控制”，在液壓缸有桿腔側(cè)用壓力控制，無(wú)桿腔側(cè)有流量控制。

　　如負(fù)載方向不變，由于出油側(cè)采取了流量控制，我們可將雙向平衡閥用液控單向閥來(lái)替換，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。進(jìn)油側(cè)用壓力控制器來(lái)維持一個(gè)較低的參考?jí)毫?，一方面提高系統(tǒng)效率，另一方面使系統(tǒng)不發(fā)生氣穴。

　　為了使負(fù)載方向變化的工作機(jī)構(gòu)能得到很好控制，另外一個(gè)PI控制器將被運(yùn)用到有桿腔的壓力控制器中，當(dāng)負(fù)載方向改變后，無(wú)桿腔的壓力將減??；如果仍將有桿腔維持一個(gè)很低的壓力，當(dāng)負(fù)載很大時(shí)，液壓缸將向反方向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)我們可用所增加的PI控制器監(jiān)視無(wú)桿腔壓力的變化，當(dāng)PI控制器檢測(cè)到無(wú)桿腔壓力低于所設(shè)定的參考值時(shí)，將提高有桿腔壓力控制器所設(shè)定的壓力，從而保證系統(tǒng)的正常工作。

　　3、Ultronics液壓控制系統(tǒng)

　　Ultronics公司是一家集設(shè)計(jì)、研究和制造的電子液壓技術(shù)公司。其液壓控制系統(tǒng)采用了CAN總線通信，雙閥芯控制技術(shù)，通過(guò)兩個(gè)閥芯的組合控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)多種控制，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低能源損耗，同時(shí)還可使得系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，降低成本，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，這些都是傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)所不能做到的。

　　Ultronics控制系統(tǒng)的硬件一般由操縱手柄、電控單元ECU、調(diào)節(jié)閥、雙閥芯液壓閥組和外接傳感器或開(kāi)關(guān)等組成，其間通過(guò)CAN總線通信，液壓閥組為電控系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的交匯點(diǎn)，系統(tǒng)的另一個(gè)重要組成部分就是軟件。

　　手柄為光電非接觸形式，最多可帶4個(gè)比例輸出或2個(gè)比例輸出和最多5個(gè)開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)有比例式和自鎖式供選擇。其防護(hù)等級(jí)達(dá)到了IP67。手柄的延時(shí)特性、輸出曲線和死區(qū)等可通過(guò)專用軟件JoyVal進(jìn)行修改。

　　電控單元ECU其供電壓有12V和24V兩種，25路和50路兩種接口，提供模擬與數(shù)字輸入、輸出接口，同時(shí)該電控單元還提供了CAN信接口，使得系統(tǒng)可以接收傳感器或控制信號(hào)或與其它系統(tǒng)進(jìn)行連接。ECU中存儲(chǔ)了系統(tǒng)控制所需的所有應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序可將來(lái)自于手柄或連接于ECU上的其它器件和信號(hào)(如傳感器檢測(cè)信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)信息等)，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換成各個(gè)閥芯動(dòng)作的指令。

　　Ultronics控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于其獨(dú)特的雙閥芯控制技術(shù)，每片閥有兩個(gè)閥芯，相當(dāng)于將一個(gè)三位四通閥變成兩個(gè)三位三通閥的組合，兩個(gè)閥芯既可單獨(dú)控制，也可根據(jù)控制邏輯進(jìn)行成對(duì)控制，并且兩個(gè)工作油口都有壓力傳感器，每一個(gè)閥芯都有位置傳感器，通過(guò)對(duì)傳感信號(hào)的閉環(huán)控制可以分別對(duì)兩路液壓油的壓力或流量進(jìn)行控制，具有很高的控制精度，通過(guò)不同的組合可以得到許許多多的控制方案，以滿足系統(tǒng)的需要。

　　每片閥都有兩個(gè)完整的設(shè)置好的混合信號(hào)ASIC(模擬型專用集成電路)和一個(gè)RISC(精簡(jiǎn)指令處理器)。這些控制器給傳感器提供激勵(lì)和補(bǔ)償、給控制傳動(dòng)裝置提供動(dòng)力、提供閥芯控制軟件以及CAN總線通信。閥芯動(dòng)作控制策略以及具體的參數(shù)可由用戶根據(jù)被控執(zhí)行元件的要求進(jìn)行設(shè)置或修改?？刂崎y接收到指令后，其內(nèi)嵌式處理器就運(yùn)行閥芯動(dòng)作控制軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)定的機(jī)能，多個(gè)閥間的功能協(xié)調(diào)是由ECU完成的，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)功能。這種分級(jí)控制方式使系統(tǒng)的應(yīng)用具有非常好的靈活性，同時(shí)易于構(gòu)建復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

　　Ultronics控制系統(tǒng)功能的多樣性是通過(guò)應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)有針對(duì)性的編制控制軟件。Ultronics控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能是極其廣泛的。履帶挖掘機(jī)、輪式挖掘機(jī)、裝載機(jī)等先進(jìn)機(jī)型在操作舒適性、作業(yè)效率、作業(yè)成本消耗、故障診斷、環(huán)境保護(hù)等方面所做的努力，比如發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)與液壓系統(tǒng)的適應(yīng)控制、特定作業(yè)功能等，采用Ultronics系統(tǒng)都可實(shí)現(xiàn)。

　　總之，通過(guò)CAN總線通訊、獨(dú)特的雙閥芯結(jié)構(gòu)和壓力、位移傳感器的應(yīng)用以及壓力或流量的閉環(huán)控制技術(shù)、Ultronics公司的電子液壓控制系統(tǒng)使工程機(jī)械控制系統(tǒng)在功能的多樣性、實(shí)現(xiàn)的靈活性、較低的性價(jià)比以及控制理念、維修模式等諸多方面都將引發(fā)一次革命性的變化。