电液式执行器分类技术详解

如图6-33是一般电液控制系统的框图。其中电液控制阀+液压缸或液压马达组成电液式执行器去驱动负载，如柴油机电控系统中的直列式喷油泵齿杆。

图6-33 电液控制系统的基本组成

根据电液式执行器中所用电液控制阀的不同，电液控制系统又可分为电液伺服控制系统、电液比例控制系统、数字式电液控制系统。

1.电液伺服控制系统

电液伺服控制系统在20世纪40年代因军事上的需要而发展起来。电液伺服阀的输出量（压力或流量）正比于输入的控制电流或电压。它是电气和液压的接口元件。电流伺服系统在20世纪50～60年代已完善。由于电液伺服阀的快速响应及高的控制精度，以其明显的技术优势，迅速在高精度、快速响应的领域中，如航空、航天、武器装备、机床、轧钢设备等中取代了传统的机电控制方式。但人们也发现，由于电液伺服器件的价格昂贵，对油液的清洁度要求十分严格，控制损失（阀压降）较大，使电液伺服技术难以为更广泛的工业应用所接受。

2.电液比例控制系统

在许多工业应用场合，要求有一般的高质量控制手段，却并不要求太高的控制精度或响应性。电液比例控制系统正是在此基础上，自20世纪60年代发展起来的新型电液控制系统。

电液比例控制系统的发展可从两个方面分析：一方面是在高性能的电液伺服阀的基础上发展了工业伺服技术，其特点是适当简化伺服阀的结构，降低它的制造精度，增大电—机械转换器的输出功率水平和改善阀的抗污染性能。这虽然降低了制造成本，但因其结构复杂，价格仍然十分可观，使它的应用仍受到限制。另一方面，在普通液压阀的基础上，采用廉价而可靠的比例电磁铁作为电—机械转换元件，取代原来阀内的手动调节器或普通开关式电磁铁，并相应地改进了阀内的设计和引入各种内反馈控制，从而出现了一种价廉的、耐污染性能与一般工业阀相同，控制性能又能满足大部分工业控制要求的比例阀。由于比例阀的上述特点，因此它获得了远比伺服阀更为广泛的工业应用。

3.数字式电液控制系统

用数字信息直接控制的液压阀，称为数字控制阀，简称数字阀。在计算机技术日益得到广泛应用的情况下，用计算机对电液控制系统进行实时控制是现代液压技术发展的重要趋势。数字阀可直接与计算机连接，不需要D-A转换器，它与伺服阀、比例阀相比，具有结构简单、工艺性好、价格低廉、抗干扰及抗污染能力强、重复性好、工作稳定可靠、功率消耗低等优点。因此受到国内外的广泛重视。国外已有数字阀形成系列批量生产。在微机实时控制的电液系统中，它可部分取代比例阀或伺服阀的工作，为计算机在电液系统中的应用开拓了一个新的方向。(www.xing528.com)

电液控制系统中最普遍的信号是连续变化的信号，如电压或电流，然而对计算机来说，最基本的信号是量化为二个量级的信号，即“开”和“关”。用数字阀进行控制的方法有脉宽调制（PWM）、脉频调制（PFM）、脉数调制（PNM）、脉码调制（PCM）和脉幅调制（PAM）。其中用得最多的是脉宽调制。调制方式如图6-34所示。数字阀在电液控制系统中应用最多的有两种，一种采用步进电动机作D-A转换器，用增量方式进行控制的数字阀，另一种是采用脉宽调制原理控制的高速开关型的数字阀。高速开关型的数字阀已在本章的前面作了介绍，从那里可知，这种高速电磁开关阀，不仅是数字式电液控制系统的核心部件，也是柴油机电控系统中不可缺少的关键部件。如位置控制式电控喷油系统中应用高速开关电磁阀组成脉宽调制（PWM）式的数字式电液位置控制系统来控制直列泵齿杆的位移，从而实现喷油量的控制，也可实现喷油正时的控制。

脉宽调制信号是具有恒频率，不同开启时间比率的信号，如图6-34，脉宽时间t_p对采样周期T的比例t_p/T为脉宽占空比。用它来表征该采样周期的幅值，用脉宽信号对连续信号进行调制，可将图6-34中的连续信号（图6-34a）调制成脉宽信号（图6-34b）。若调制的是流量，则每个采样周期内平均流量为，与连续信号相对应。

脉宽调制式数字阀控制系统的框图如图6-35所示。计算机根据控制的要求发出相应的脉宽信号，经放大器放大后控制电—机械转换器工作，从而带动高速开关阀开或关，以开启时间的长短来控制流量，在需要作两个方向运动的系统中，要用两个数字阀分别控制不同方向的运动，也可以用弹簧作为一个方向的控制作用力。

图6-34 信号的脉宽调制

a）连续信号 b）脉宽信号

图6-35 脉宽调制式数字阀电液控制系统框图

在公式中，令τ=t_p/T称为占空比，也叫调制率。若调制周期T非常小，则当τ=t_p/T连续变化时，这一平均流量Q可作为瞬时流量，因此理论上可以通过调节占空比τ使流量得到连续的控制，并且可达到任意的精度要求。占空比τ的理论取值范围是0≤τ≤1。由于阀的开关时间的影响，在τ很小时，阀不能开启，存在死区。τ值接近1时，存在饱和特性，所以实际可控范围比上述小。采用PWM控制方式，优点是PWM信号产生方便，无论是用计算机通过编程产生PWM信号或是用硬件来产生都是比较简单的。