1.2 数字液压元件

1.2.1 数字液压技术简介

自动化工业的发展主要依靠两大基础技术，电传动技术和流体传动技术，在某种程度上可以说，发达国家正是利用这两大技术完成了工业革命。其中，流体传动技术又以液压传动技术为主，在大量的工业主机和自动化作业线中，液压传动和液压控制技术应用极为广泛。

传统液压技术是一种模拟量控制技术，主要分为开关控制、比例控制和伺服控制，这种系统尤其是伺服控制结构复杂、易受干扰、价格高昂，需要专门的流控专业人员才能掌握。自20世纪70年代以来，计算机控制技术和集成传感技术发展得越来越完善，这为微电子技术和液压技术的结合创造了良好的条件。随着计算机的功能越来越强大，数字控制技术在国民经济各部门的广泛应用，其与液压技术和微电子技术的结合已成为一种必然趋势，这就催生了数字液压技术。

其实数字液压雏形可以追溯到20世纪30年代，德国博世公司第一个将高速开关阀应用到汽车ABS中，实现了对轮缸制动压力的控制。高速开关阀作为ABS的关键元件，其本质上就是一个数字阀，而ABS系统本质上就是一个数字伺服系统。此后较长的一段时间内，ABS的发展史就是数字液压的发展史，但此时并没有数字液压的概念。

2010年10月，来自7个国家的115名专家学者召开了第三届数字流体动力会议，众多专家学者对数字液压表现出浓厚的兴趣，但数字液压的概念，目前国际上并没有一个统一的标准，不同国家的专家学者有不同的理解。为此，2011年在芬兰坦佩雷恩理工大学召开的第十二届国际流体会议上，坦佩雷恩理工大学Matti Linjama给出了数字液压即数字流体动力（Digital Fluid Power，简称DFP）的定义：液压或气动系统依靠一定数量离散的元件灵活地控制系统的输出。DFP主要分为两大类：一类是通过PCM（Pulse Code Modulation）控制多个并行排布元件的组合状态实现不同需求的输出；另一类是通过调节频率信号的频率或者PWM（Pulse Width Modulation）信号的占空比控制单个元件实现不同的输出特性。有时也将步进电动机或bang-bang控制滑阀算为广义上的数字液压。此外，有些学者将比例或伺服元件在阀内部集成了D/A转换元件，故从外部看为数字控制，但其最终被控量依然是模拟量，并不是数字液压。

国内，针对数字液压并没有一个权威的定义，有的将比例或伺服元件的数字化控制理解为数字液压，有的将开关液压元件理解为数字液压。某公司给出了数字液压的定义：液压执行器件（缸、马达）的运动特性与电脉冲一一对应，电脉冲的频率对应液压缸的运动速度（液压马达角速度），电脉冲的数量对应液压缸的运动行程（液压马达角度），执行器件的精度几乎不因负载、油压甚至是泄漏等的影响而发生变化，这样的液压技术，称之为数字液压。

由此可知，国内外专家学者对数字液压概念的认知存在较大差别。因此本书很难给出一个数字液压的标准定义。为了概要介绍和理解数字液压的概念，本章将简要介绍几类常见的数字液压。目前研究的数字液压大致可以分为以下几类：

1）控制方式数字化。即控制信号采用PWM信号，而非模拟信号。由于控制信号只有高电平和低电平，故有学者将之称为数字液压。该类数字液压通过PWM信号驱动比例阀或伺服阀的力或力矩马达，进而控制阀芯的运动。该原理实现了控制方式的数字化，省去了D/A卡，且抗干扰能力、稳定性及动态响应都有所提高。20世纪80年代后期以来，随着步进电动机的发展，逐渐出现了用步进电动机代替力或力矩马达的新型比例或伺服阀，其控制方式也为数字控制，且阀芯位移和脉冲数量有关。本书大多数研究内容即是基于步进电动机控制的数字控制技术。

2）元件数字化。即将元件按照一定的规则进行排列组合，通过元件之间的组合实现对系统的控制，此种控制方式因元件只有0和1两种状态，即只有开和关，故也称之为数字液压。例如将阀的通流面积、泵或马达的排量、液压缸的容腔等按照1、2、4、8……即二进制的规则进行排列，工作时通过不同元件的组合实现输出流量的数字化。该种数字液压本质上是将原本连续的流量输出转变为离散的流量输出。

3）高速开关元件。主要为高速开关阀，其控制方式采用PWM控制，通过阀的高频开关实现对系统平均流量的控制，因其控制信号是PWM信号，且阀的输出流量也为数字化流量，故未将此控制归为上述两种类型。

目前，国内外专家学者围绕DFP的概念提出了数字阀、数字泵、数字缸、数字变压器、数字马达等概念，并做了初步的工作原理分析，阐述了可能存在的优点。部分学者通过仿真和试验证明了数字液压系统在节能、无泄漏、高控制自由度、抗污染性、高冗余性、多功能性等方面有着模拟量控制系统无可比拟的优势，是未来液压传动理论与技术的重要发展方向之一。通过对比发现，数字液压技术和传统的液压技术相比，有如下优点：

1）鲁棒性强，结构简单，可靠性高；所用元件均为开关或集成元件，加工制造相对简单，成本较低，可靠性高。

2）更好的特性，较高的灵活性和可编程程度；省去了D/A卡，方便与计算机通信，可编程性好。

3）特性主要由控制软件决定，数字系统对硬件要求简单，不依靠节流达到控制效果，但需要新颖的或复杂的控制策略。

当然，数字液压也面临一些挑战，例如噪声和压力冲击，开关技术的寿命和耐久性，并行连接技术的成本和体积，复杂的非线性控制等。以下分别简要介绍数字阀、数字缸、数字泵、数字马达等。

1.2.2 数字液压阀

用数字信息直接控制的阀，称为电液数字阀，简称数字阀。数字阀可直接与计算机接口，不需要D/A转换器。与伺服阀、比例阀相比，这种阀结构简单、工艺性好、价廉、抗污染能力好、重复性好、工作稳定可靠、功耗小。它的应用也最为广泛，将其与普通的液压缸、泵、马达组合起来，就可以得到不同的数字缸、数字泵、数字马达等。在计算机实时控制的电液系统中，它已部分取代了比例阀或伺服阀，为计算机在液压系统中的应用开拓了一条新的道路。

目前数控液压系统中应用的数字阀按控制方式的不同大致可以分为3种：二进制组合阀、步进式数字阀和高速开关阀。

1.二进制组合阀

二进制组合阀的驱动信号是二进制驱动信号，可方便地与计算机或其他数字式控制装置直接连接。这种数字阀是由多个按二进制排列的阀门组成的阀组。每个阀门的流量系数按二进制序列设计，即按2的幂次设计，例如2^-2、2^-1、2⁰、2¹、2²、2³等设计。例如，8位数字阀由8个二进制信号驱动，当这8个二进制数取不同的值时，可以得到0～255的数值，可调比达255∶1，增加数字阀的位数，可提高可调比。组成数字阀的各阀是开关阀，即只有开和关两种状态。因此，对它们的控制可采用电磁阀或带弹簧返回的活塞式执行机构实现。该阀的特点是分辨率高（数字阀的位数越多，可控制的流量分辨率越高）、精度高、响应速度快、关闭特性好、复现性好、跟踪性好，但缺点是结构复杂，价格高，数字阀位数越多，控制元件越多，结构越复杂，价格也越高，因此影响了其使用范围。

2.步进式数字阀

步进式数字阀是利用步进电动机作为电机械转换器的，步进电动机接收脉冲序列的控制，输出位移转角，转角与输入的脉冲数成正比。然后通过机械转换装置，一般为齿轮减速的凸轮机构或螺杆机构，把转角变成阀芯的阀位移，使阀口开启或关闭。步进电动机转过一定的角度相当于数字阀的一定开度。因此，这种阀可以控制相当大的流量和压力范围。其实，该数字阀的控制主要在于步进电动机的控制，步进电动机则可采用计算机或可编程控制器（PLC）来进行控制。实际上，由于步进电动机的控制方式为步进的，对输入的脉冲数有记忆作用，所以每一采样周期的步数是在原有采样周期步数的基础上增加或减少一些步数来实现，即增量控制法。用这种方法进行控制的阀，又被称为增量式数字阀。步进式数字阀按其结构可以分为滑阀式、锥阀式、转阀式和喷嘴挡板式，按其功能又可分为数字溢流阀、数字流量阀、数字方向流量阀。目前在国内还处在开发研制试验阶段，也可见到不少的产品和种类，但尚未形成系列化，而国外已有系列化的数字流量阀、压力阀和方向流量阀等。

3.高速开关阀

高速开关阀早期主要是应用在一些要求快速操作的液压系统中，其后，由于其数字化的特征在计算机控制的液压系统中越来越受到重视。按电—机械转换装置可分为螺管电磁铁式、盘式电磁铁式、力矩马达和压电晶体式等。目前应用最广泛的是高速电磁开关阀，采用脉宽控制（PWM）方式，借助于电磁铁所产生的吸力，使得阀芯高速正反向运动，从而使液流在阀口处产生交替通断，达到对流量进行连续控制的目的。我国的高速电磁开关阀研究始于20世纪80年代后期，与国外相比，起步较晚，响应时间一般在几毫秒和几十毫秒之间，而响应时间小于1ms的只在日本、美国、德国和英国等少数国家有报道。

1.2.3 数字液压缸

有关数字液压缸的研制，国外早在20世纪六七十年代就开始了，相比之下，国内的起步较晚。1970年，德国力士乐公司研制出一种基于螺纹伺服机构的液压脉冲缸，但它在本质上还属于机液伺服机构，利用三通阀来控制差动缸，这种缸零件少，结构紧凑，但加工难度较高，不利于大规模推广应用。1977年，日本东京计器公司推出一种电液脉冲缸，其原理是利用位置反馈把丝杆装在活塞杆里，使活塞位置直接机械反馈到阀芯，其特点是结构简单，定位精度高。但这些国外产品的价格十分高昂，还达不到工业应用的要求，所以没有得到广泛的应用。

国内研究人员对该技术的研究，则起步于20世纪70年代末，一直在进行不断的研究与改善，尤其是2002年纳入国家“十五”攻关项目后，更进一步促进了该技术的发展。其中，以北京亿美博有限公司为代表，该公司承担了“十五”国家科技攻关计划，于2003年在北京通过专家组验收。

这种数字液压缸实质上是一种增量式电液步进液压缸，具有结构紧凑、可靠性高、使用维护简单等优点，只需一般的技术人员便可掌握，调试十分方便，发展潜力大。它的基本思想是将液压缸、数字阀、传感器设计成一个整体，全部封装在缸内，实物图如图1-1所示，控制器是独立于缸体之外的部分，具有智能性，操作简单易懂。目前开发出的数字缸及其智能型傻瓜控制器，已经可以完成从公斤级到千吨级的精确控制，其速度范围可以实现0.1～500mm/s，可以满足工业控制领域中绝大部分自动控制的要求。

图1-1 数字液压缸及智能控制器

此类步进液压缸的控制原理如图1-2所示，数字阀靠步进电动机驱动，步进电动机可以由计算机或可编程控制器（PLC）发出的脉冲序列来进行控制。利用阀来控制油路的通断进而达到控制液压缸运动的目的，液压缸的运动方向由步进电动机的转动方向控制，液压缸的运动速度和位移与步进电动机的转速和角位移是一一对应的正比关系，而步进电动机的转速和角位移与控制脉冲的频率和个数也是一一对应成正比的，所以通过给计算机或PLC输入一些简单的设定值，就可以完成缸的全部控制。同时由于缸体内置传感器可将运动信息反馈给数字阀，就极大地提高了控制精度，也简化了缸体外部的控制系统，由原来非常复杂的液压伺服闭环控制变成简单的“近似”开环控制，这也是其最突出的一点。

图1-2 步进液压缸的控制原理

1.2.4 数字液压泵

数字泵通常由变量泵和计算机控制器两部分组成，因泵的变量机构接受计算机发送的数字信号而得名。它具有抗介质污染强、滞环误差小、重复精度高、调节灵活、节能、便于与液压设备主机组成机电液一体化系统等特点。根据变量机构执行元件的不同，可归结为4种：基于组合缸控制的数字泵、基于高速开关阀控制的数字泵、基于步进电动机控制的数字泵和基于变频器控制的数字泵。

1.基于组合缸控制的数字泵

图1-3所示为基于组合缸控制的数字泵容积调速系统原理，以组合式缸作为变量驱动机构的变量泵，并构成容积式调速系统。该系统由液压缸7、三位四通电磁阀6、溢流阀5及数字变量泵组成，数字变量泵又由阀组2、变量机构3和变量泵4构成。其中变量机构3就是组合式数字液压缸，其活塞杆的状态由阀组2（即4个二位三通电磁阀）的通电状态决定。图1-3所示变量机构3的活塞杆位置（全部伸出）对应着4个二位三通电磁阀的得电状态（即编码为1111），这时此活塞杆在压力油作用下完全伸出；若编码为0000，则4个电磁阀全部失电，此活塞杆全部缩回。如果变量机构3由n级组成，则可以得到2n个液压泵排量变化。

图1-3基于组合缸控制的数字泵容积调速系统原理

1—数字阀组控制器 2—二进制阀组 3—变量机构 4—变量泵 5—溢流阀 6—三位四通电磁阀 7—液压缸

2.基于高速开关阀控制的数字泵

图1-4是由中南工业大学刘忠等人提出的一种基于高速开关阀控制的恒压变量泵的电液控制系统原理图，该系统中以高速开关阀作为先导控制阀，压力传感器1采样得到的压力信号通过数据采集卡（带A/D、I/O）传输给计算机，计算机（单片机）经过比较计算产生的PWM矩形调制波控制高速开关阀2，高速开关阀产生的先导压力信号又直接作用于恒压变量泵的调压变量机构，因此，可根据高速开关阀输出先导压力的不同来达到调节恒压变量泵4输出压力的目的。

3.基于步进电动机控制的数字泵

这种数字泵的变量机构的执行元件是步进电动机，步进电动机可接受计算机脉冲指令，直接由计算机进行控制，因此通过步进电动机这个接口，数字泵可直接由计算机控制。变量机构将步进电动机的转动转换成伺服阀芯或变量活塞的位移，伺服阀芯或变量活塞驱动配流盘转动从而改变泵的排量。山东省煤炭科学研究所与北京华德液压泵厂联合开发了A7V78NC型斜轴式数字泵，它是以步进电动机做执行元件的机电一体化泵。图1-5所示为斜轴式数字泵工作原理框图，计算机经过反馈比较处理后，将指令发送给步进电动机，步进电动机的旋转经一对齿轮副和滚珠丝杠副传递到变量活塞，进而驱动配油盘在泵盖弧形轨道里滑动并使缸体摆动，实现排量的变化。

图1-4 恒压变量泵的电液控制系统原理图

1—压力传感器 2—高速开关阀 3—溢流阀 4—恒压变量泵

图1-5 斜轴式数字泵工作原理框图

4.基于变频器控制的数字泵

南华大学的李岚、马晓军设计了一种双作用变量叶片泵自动控制系统，该系统的工作原理是在不改变传统调速回路中液压元件和液压系统结构的情况下，靠改变液压泵的转速来调节液压泵输出流量以满足执行元件所需要的速度。当负载所需油液量增大时，通过流量传感器的反馈、加法器的比较运算、计算机的分析处理，得到调节值，进入变频器，变频器输出频率改变，从而改变电动机转速，叶片泵转速改变，达到输出油液量改变的目的。变频器线性度比较好，经变频器调节，液压油流量可基本达到设定值。

1.2.5 数字液压马达

早期，日本富士通公司就研制出一种由步进电动机控制的电液脉冲液压马达，它又被称为步进液压马达或液压转矩放大器，它在数控机床的进给传动中得到了广泛的应用。它是一种阀控马达位置伺服机构，主要组成包括步进电动机、液压马达、控制滑阀、螺杆螺母副和减速齿轮副，其中螺杆螺母副主要起位置反馈作用，使液压马达总能紧跟步进电动机的动作。

电液马达组成原理框图如图1-6所示。其工作原理是：当步进电动机接收控制脉冲信号而转过一定角度时，经减速齿轮副使阀芯旋转，由于阀芯端部的螺杆螺母副的作用，使阀芯产生轴向位移，于是阀口打开，压力油进入马达使马达转动，马达主轴旋转时，带动螺母转动，螺母转动方向与螺杆转动方向相同。此时，当步进电动机连续转动时，螺母和螺杆保持相对静止转动，即阀口保持一恒定开口量。当步进电动机停止转动时，螺杆停止转动，由于液压马达此时尚未停止转动，即螺母仍在转动，于是使阀芯轴向移动恢复原位，阀口重新关闭，液压马达也停止转动。

图1-6 电液马达组成原理框图