高速開關式數字閥控制原理
高速開關元件PWM(脈寬調制式)控制思想源于電動機的PWM控制,即通過改變占空比,使一個周期時間內輸出的平均值與相應時刻采樣得到的信號成比例,如果周期是固定不變的,通過改變導通時間來改變占空比的控制方式。
在流體動力系統中,通過控制開關閥的通斷時間比,以獲得在某一段時間內流量的平均值,進而實現對下一級執行機構的控制。脈寬調制信號是具有恒頻率、不同開啟時間t比率的信號,如圖20所示,脈寬時間tp對采樣周期T的比值tp/T為脈寬占空比,用它來表征采樣周期的幅值。用脈寬信號對連續信號進行調制,可將圖20 (a)中的連續信號調制成圖20 (b)中的脈寬信號。此處調制的對象是流量,則每個采樣周期的平均流量為q=qntp/T,與連續信號處的流量相對應,式中qn為調制對象的額定流量。
脈寬調制(PWM)型高速數字開關閥的控制系統框圖如圖21所示。由微型計算機產生脈寬調制的脈沖序列,經脈寬調制放大器放大后驅動數字閥,即高速開關閥控制流量或壓力。由于作用于閥上的信號是一系列脈沖,所以高速開關閥也只有與之對應的快速切換“開”和“關”兩種狀態,而以開啟時間的長短來控制流量。在閉環系統中,由傳感器檢測輸出信號反饋到計算機中形成閉環控制。如果信號是確定的周期信號或其他給定信號,可預先編程存在計算機內,由計算機完成信號發生功能;如果信號是隨機信號,則信號源經A/D轉換后輸入計算機內,由計算機完成脈寬調制后輸出。在需要作兩個方向運動的系統中,要用兩個數字閥分別控制不同方向的運動。與增量式數字閥控制系統相同,該系統的性能與計算機、放大器、數字閥有關,三者相互關聯,使用時必須有這些配套的裝置。
此種控制方式具有不堵塞、抗污染能力強及結構簡單的優點。系統可以是開環控制,也可以進行閉環控制。開環控制不存在穩定性問題,控制比較簡單。
閉環控制精度較高,但控制比較復雜,傳感器及A/D轉換器等價格比較昂貴。其應用范圍受以下缺點的限制:①由于高速開關閥的PWM控制最終表現為一種機械信號的調制,噪聲大,易于產生壓力脈動和沖擊,影響元件自身和系統的壽命及工作可靠性;②控制特性受機械調制頻率不易提高的限制。