雙閥芯控制在液壓多路換向閥的應(yīng)用
傳統(tǒng)換向閥的進出油口控制通過一根閥芯來進行，兩油口聽開口對應(yīng)關(guān)系早在閥芯設(shè)計加工時已確定，在使用過程中不可能修改，從而使得通過兩油口的流量或壓力不能進行獨立控制，互不影響。
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)在工程機械領(lǐng)域得以應(yīng)用。英國Utronics公司利用自己的技術(shù)及專利優(yōu)勢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、*車、裝載機及挖掘裝載機等產(chǎn)品上。為適應(yīng)中國工程機械產(chǎn)品對液壓系統(tǒng)功能要求。穩(wěn)定性以及自動化控制程度的不斷提高，Utronics公司產(chǎn)品適時進入中國市場，現(xiàn)已初步完成廈工（5t）裝載機、詹陽（8t）挖掘機樣機調(diào)試并進入試驗階段。
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)計時為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少負載變化對速度的影響，要么犧牲部分我們想實現(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，通過增加阻尼，提高系統(tǒng)速度剛度來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是這樣元件的增加又會降低效率，浪費能源；還會使得整個系統(tǒng)的可*性降低、增加成本。
（2）由于換向結(jié)構(gòu)的特殊性，使得用戶在實現(xiàn)某一功能時必須購買相應(yīng)的液壓元件，再加上工程機械廠家會根據(jù)不同最終用戶要求設(shè)計出相應(yīng)的功能，這樣會造成生產(chǎn)廠家采購?fù)悺⒍嘁?guī)格的液壓控制元件來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，同時會大大提高產(chǎn)品成本。
（3）由于執(zhí)行機構(gòu)進出液壓油通過一根閥芯進行控制，單獨控制執(zhí)行機構(gòu)兩側(cè)壓力是不可能的。因此，出油側(cè)背壓作用于執(zhí)行機構(gòu)運動的反方向，隨著出油側(cè)背壓升高，為保質(zhì)執(zhí)行機構(gòu)的運動，必須提高進油側(cè)壓力。這樣會使得液壓系統(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)行機構(gòu)進出油側(cè)閥口閥芯位置及控制方式各自獨立，互不影響，這樣通過對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)不能解決的問題，同時還可以輕易實現(xiàn)傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)中難以實現(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。正面介紹兩種簡單的控制策略。
（1）負載方向在整個工作過程中保持不變
我們知道，對于汽車起重機、挖掘機、裝載機等而言，其液壓缸在整個工作過程中負載方向始終維持不變。下面以起重機變幅液壓缸為例來探討雙閥芯的控制策略。
起重機變幅缸在工作過程中其受力，負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、無桿腔用流量控制的控制策略。
無桿腔流量控制是通過檢測連接到無桿腔側(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，計算出閥芯開口大小；有桿腔側(cè)采用壓力控制，使該側(cè)維持一個低值的壓力，使得更加節(jié)能、高效。
由于我們在無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液控單向閥來代替。這樣可消除因平衡閥所帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
（2）負載方向在工作過程中發(fā)生改變
在這種情況下，采取“進油側(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，無桿腔側(cè)有流量控制。
如負載方向不變，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替換，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。進油側(cè)用壓力控制器來維持一個較低的參考壓力，一方面提高系統(tǒng)效率，另一方面使系統(tǒng)不發(fā)生氣穴。
為了使負載方向變化的工作機構(gòu)能得到很好控制，另外一個PI控制器將被運用到有桿腔的壓力控制器中，當(dāng)負載方向改變后，無桿腔的壓力將減小；如果仍將有桿腔維持一個很低的壓力，當(dāng)負載很大時，液壓缸將向反方向運動。此時我們可用所增加的PI控制器監(jiān)視無桿腔壓力的變化，當(dāng)PI控制器檢測到無桿腔壓力低于所設(shè)定的參考值時，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、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)，通過兩個閥芯的組合控制，可實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)多種控制，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低能源損耗，同時還可使得系統(tǒng)更加簡單，降低成本，加快產(chǎn)品開發(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關(guān)等組成，其間通過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，系統(tǒng)的另一個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個比例輸出或2個比例輸出和最多5個開關(guān)。開關(guān)有比例式和自鎖式供選擇。其防護等級達到了IP67。手柄的延時特性、輸出曲線和死區(qū)等可通過專用軟件JoyVal進行修改。
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或與其它系統(tǒng)進行連接。ECU中存儲了系統(tǒng)控制所需的所有應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序可將來自于手柄或連接于ECU上的其它器件和信號（如傳感器檢測信號、發(fā)動機控制系統(tǒng)信息等），經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換成各個閥芯動作的指令。
Ultronics控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于其獨特的雙閥芯控制技術(shù)，每片閥有兩個閥芯，相當(dāng)于將一個三位四通閥變成兩個三位三通閥的組合，兩個閥芯既可單獨控制，也可根據(jù)控制邏輯進行成對控制，并且兩個工作油口都有壓力傳感器，每一個閥芯都有位置傳感器，通過對傳感信號的閉環(huán)控制可以分別對兩路液壓油的壓力或流量進行控制，具有很高的控制精度，通過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。
每片閥都有兩個完整的設(shè)置好的混合信號ASIC（模擬型專用集成電路）和一個RISC（精簡指令處理器）。這些控制器給傳感器提供激勵和補償、給控制傳動裝置提供動力、提供閥芯控制軟件以及CAN總線通信。閥芯動作控制策略以及具體的參數(shù)可由用戶根據(jù)被控執(zhí)行元件的要求進行設(shè)置或修改。控制閥接收到指令后，其內(nèi)嵌式處理器就運行閥芯動作控制軟件實現(xiàn)設(shè)定的機能，多個閥間的功能協(xié)調(diào)是由ECU完成的，從而實現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)功能。這種分級控制方式使系統(tǒng)的應(yīng)用具有非常好的靈活性，同時易于構(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應(yīng)用軟件實現(xiàn)的，通過有針對性的編制控制軟件。Ultronics控制系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能是極其廣泛的。履帶挖掘機、輪式挖掘機、裝載機等先進機型在操作舒適性、作業(yè)效率、作業(yè)成本消耗、故障診斷、環(huán)境保護等方面所做的努力，比如發(fā)動機狀態(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)都可實現(xiàn)。
總之，通過CAN總線通訊、獨特的雙閥芯結(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)使工程機械控制系統(tǒng)在功能的多樣性、實現(xiàn)的靈活性、較低的性價比以及控制理念、維修模式等諸多方面都將引發(fā)一次革命性的變化。
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)在工程機械領(lǐng)域得以應(yīng)用。英國Utronics公司利用自己的技術(shù)及專利優(yōu)勢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、*車、裝載機及挖掘裝載機等產(chǎn)品上。為適應(yīng)中國工程機械產(chǎn)品對液壓系統(tǒng)功能要求。穩(wěn)定性以及自動化控制程度的不斷提高，Utronics公司產(chǎn)品適時進入中國市場，現(xiàn)已初步完成廈工（5t）裝載機、詹陽（8t）挖掘機樣機調(diào)試并進入試驗階段。
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)計時為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少負載變化對速度的影響，要么犧牲部分我們想實現(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，通過增加阻尼，提高系統(tǒng)速度剛度來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是這樣元件的增加又會降低效率，浪費能源；還會使得整個系統(tǒng)的可*性降低、增加成本。
（2）由于換向結(jié)構(gòu)的特殊性，使得用戶在實現(xiàn)某一功能時必須購買相應(yīng)的液壓元件，再加上工程機械廠家會根據(jù)不同最終用戶要求設(shè)計出相應(yīng)的功能，這樣會造成生產(chǎn)廠家采購?fù)悺⒍嘁?guī)格的液壓控制元件來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，同時會大大提高產(chǎn)品成本。
（3）由于執(zhí)行機構(gòu)進出液壓油通過一根閥芯進行控制，單獨控制執(zhí)行機構(gòu)兩側(cè)壓力是不可能的。因此，出油側(cè)背壓作用于執(zhí)行機構(gòu)運動的反方向，隨著出油側(cè)背壓升高，為保質(zhì)執(zhí)行機構(gòu)的運動，必須提高進油側(cè)壓力。這樣會使得液壓系統(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)行機構(gòu)進出油側(cè)閥口閥芯位置及控制方式各自獨立，互不影響，這樣通過對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)不能解決的問題，同時還可以輕易實現(xiàn)傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)中難以實現(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。正面介紹兩種簡單的控制策略。
（1）負載方向在整個工作過程中保持不變
我們知道，對于汽車起重機、挖掘機、裝載機等而言，其液壓缸在整個工作過程中負載方向始終維持不變。下面以起重機變幅液壓缸為例來探討雙閥芯的控制策略。
起重機變幅缸在工作過程中其受力，負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、無桿腔用流量控制的控制策略。
無桿腔流量控制是通過檢測連接到無桿腔側(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，計算出閥芯開口大小；有桿腔側(cè)采用壓力控制，使該側(cè)維持一個低值的壓力，使得更加節(jié)能、高效。
由于我們在無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液控單向閥來代替。這樣可消除因平衡閥所帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
（2）負載方向在工作過程中發(fā)生改變
在這種情況下，采取“進油側(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，無桿腔側(cè)有流量控制。
如負載方向不變，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替換，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。進油側(cè)用壓力控制器來維持一個較低的參考壓力，一方面提高系統(tǒng)效率，另一方面使系統(tǒng)不發(fā)生氣穴。
為了使負載方向變化的工作機構(gòu)能得到很好控制，另外一個PI控制器將被運用到有桿腔的壓力控制器中，當(dāng)負載方向改變后，無桿腔的壓力將減小；如果仍將有桿腔維持一個很低的壓力，當(dāng)負載很大時，液壓缸將向反方向運動。此時我們可用所增加的PI控制器監(jiān)視無桿腔壓力的變化，當(dāng)PI控制器檢測到無桿腔壓力低于所設(shè)定的參考值時，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、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)，通過兩個閥芯的組合控制，可實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)多種控制，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低能源損耗，同時還可使得系統(tǒng)更加簡單，降低成本，加快產(chǎn)品開發(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關(guān)等組成，其間通過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，系統(tǒng)的另一個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個比例輸出或2個比例輸出和最多5個開關(guān)。開關(guān)有比例式和自鎖式供選擇。其防護等級達到了IP67。手柄的延時特性、輸出曲線和死區(qū)等可通過專用軟件JoyVal進行修改。
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或與其它系統(tǒng)進行連接。ECU中存儲了系統(tǒng)控制所需的所有應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序可將來自于手柄或連接于ECU上的其它器件和信號（如傳感器檢測信號、發(fā)動機控制系統(tǒng)信息等），經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換成各個閥芯動作的指令。
Ultronics控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于其獨特的雙閥芯控制技術(shù)，每片閥有兩個閥芯，相當(dāng)于將一個三位四通閥變成兩個三位三通閥的組合，兩個閥芯既可單獨控制，也可根據(jù)控制邏輯進行成對控制，并且兩個工作油口都有壓力傳感器，每一個閥芯都有位置傳感器，通過對傳感信號的閉環(huán)控制可以分別對兩路液壓油的壓力或流量進行控制，具有很高的控制精度，通過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。
每片閥都有兩個完整的設(shè)置好的混合信號ASIC（模擬型專用集成電路）和一個RISC（精簡指令處理器）。這些控制器給傳感器提供激勵和補償、給控制傳動裝置提供動力、提供閥芯控制軟件以及CAN總線通信。閥芯動作控制策略以及具體的參數(shù)可由用戶根據(jù)被控執(zhí)行元件的要求進行設(shè)置或修改。控制閥接收到指令后，其內(nèi)嵌式處理器就運行閥芯動作控制軟件實現(xiàn)設(shè)定的機能，多個閥間的功能協(xié)調(diào)是由ECU完成的，從而實現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)功能。這種分級控制方式使系統(tǒng)的應(yīng)用具有非常好的靈活性，同時易于構(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應(yīng)用軟件實現(xiàn)的，通過有針對性的編制控制軟件。Ultronics控制系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能是極其廣泛的。履帶挖掘機、輪式挖掘機、裝載機等先進機型在操作舒適性、作業(yè)效率、作業(yè)成本消耗、故障診斷、環(huán)境保護等方面所做的努力，比如發(fā)動機狀態(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)都可實現(xiàn)。
總之，通過CAN總線通訊、獨特的雙閥芯結(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)使工程機械控制系統(tǒng)在功能的多樣性、實現(xiàn)的靈活性、較低的性價比以及控制理念、維修模式等諸多方面都將引發(fā)一次革命性的變化。
文章版權(quán)歸西部工控xbgk所有，未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載。
服務(wù)咨詢