这篇文章写于2011年8月22日，是我对混凝土泵车臂架多路阀PWM控制进行深入研究后得出的结果。这篇文章非常的有价值。目前为止，国内混凝土泵车的臂架多路阀都还是采用最为原始的PWM控制方式（40~50HZ的脉宽调制波），这样控制的结果是，比例阀阀芯振动非常大，滞缓。

        我的这篇文章，引入了一种新的SPWM波形控制技术，有效缓解了电磁阀的大幅抖动问题。实际上，这种控制早已经在国外的泵车上普遍使用。

        这种新的SPWM控制技术是一种采用高频载波加基波的SPWM控制技术，通过调节基波频率、载波频率、基波振幅、基波偏移量可以：

        1、调节电磁阀震颤频率；

        2. 调节等效电流大小；

        3、控制电流脉动幅度；

        4、减少电流谐波分量；

        5、优化比例阀控制，提高阀芯动作灵敏度，稳定阀芯流量，改善臂架、油泵控制效果。

 

        希望能够对广大混凝土泵车厂商、维修人员有所帮助。本博文后续，还会贴出实验数据、实验图片、实验效果。

        本博文共三篇，这是第一篇。

        第二篇参考：http://blog.sina.com.cn/s/blog_402c071e0102v425.html

        第三篇参考：http://blog.sina.com.cn/s/blog_402c071e0102v42a.html

        实验效果分析，请关注本博客另外一篇文章《电磁比例阀驱动实验报告》 

 

        本文简单分析了电液比例阀的控制特性，总结出影响比例阀控制性能的几个重要因素，并详细描述了三一传统比例阀控制方式以及大象36、46米泵车新型比例阀控制方式的特点。本文对不同比例阀驱动方式进行了仿真分析与对比研究，得出了目前我司产品比例阀控制技术与国外产品控制技术存在一定的差距，必须加以改进的结论，建议后续进一步对该技术进行深入研究，并将新型控制技术固化到我司SYMC、SYIO产品中来，使全集团液压控制水平得到质的提升。

 

1比例阀控制特性

 

         比例电磁铁的控制特性，分稳态控制特性和动态控制特性。稳态控制特性，主要指位移-力特性和电流-力持性。

1.1 稳态控制特性

 

         就稳态控制特性而言，不带位移反馈（力控制型、行程控制型）与带位移反馈（位置调节型）两种形式的特性存在着较大的差别。

（1）不带位移反馈型

         这种比例电磁铁衔铁工作在有效行程工作区内时，改变控制线圈电流，可调节输出电磁力的大小。

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图1 位移-力、电流-力特性曲线

        图1左图为典型位移-力特性曲线，右图是相应的电流-力特性曲线。可以看出比例电磁铁存在明显的滞环。

（2）带位移反馈型

        这种比例电磁铁，其衔铁位置由一个闭环调节回路调节。由于有电反馈环节，比例电磁铁的滞环和重复误差均较小，作用在衔铁和比例阀阀芯上的各种干扰力（如液动等）也受到抑制（电磁铁推杆作用于阀芯），使比例阀的控制特性得到大幅度提高。

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图2 位移-力特性曲线

1.2 动态控制特性

 

        比例电磁铁的动态特性由线圈电流，电磁吸力及衔铁位移的过渡过程特性决定。

（1）线圈电流动态特性

        比例电磁铁的线圈电流动态过程不仅与线圈动态电感有关，而且还受衔铁运动速度的影响。衔铁运动速度对电流动态过程的影响表现为，衔铁的运动引起比例电磁铁内部磁通变化，从而在线圈中感应出极性与电流变化方向相反的运动反电动势，阻碍了电流的变化。

比例电磁铁线圈是一铁芯感抗元件，动态过程所表现的电感特性不仅受材料的磁化特性的影响，还受动态过程的涡流效应影响。

（2）输出力动态特性

        当比例电磁铁工作在线性区时，其输出力的动态过程主要有以下几个特征。

        ①电磁滞回：主要由软磁材料动态磁化特性的滞回引起。表现为电流往复变化时，相同电流对应的电磁吸力不同。

        ②摩擦滞回：主要受衔铁与导套的偏心及摩擦系数的影响。偏心产生了径向磁卡紧力，增加了摩擦滞回。

        ③纯时间延迟：表现为动态吸力的变化滞后于电流的变化。

（3）位移动态特性

        由阀芯等效质量、阻尼系数、弹簧刚度组成的二阶惯性系统。

 

1.3 比例阀控制特性的改善

 

如上所述，为改善比例电磁铁的稳态特性，

1、不带位移反馈型电磁铁，需要引入颤振信号，减少滞环影响。

2、在要求较高的场合可使用位置调节型比例电磁铁，消除位置滞环。

3、从比例电磁铁本身看，线圈电感较大，电磁惯性较大。为了提高比例电磁铁的动态性能，在保证稳态性能和可靠性的前提下，应尽可能采用较少的线圈匝数和较大的电流值的比例阀。

4、采用恒流型输出的比例控制放大器。

 

1.4 颤振信号

 

目前泵车上使用的臂架多路阀、主油泵都采用了不带位移反馈型的比例电磁铁进行流量调节。

为了避免比例阀阀芯卡死，通常需要在控制信号中叠加振颤信号。这个振颤信号一般为叠加在直流控制信号中的频率为50～100Hz的小幅度交流信号，用于减小阀芯与阀套之间的摩擦力及磁滞所造成的滞环，并有利于消除卡涩现象。

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图3 颤振信号对比例电磁铁滞环的影响

       颤振信号不能太大，太大则会影响系统性能，会使其他液压件过度磨损或疲劳损坏。颤振信号的波形可以是正弦波、三角波，也可以是方波。

       三一目前使用的臂架多路阀，采用的是PSL型负载敏感式比例多路换向阀（PSL41F/330-3-32L）。规格书中规定的颤振频率为40～70Hz(最佳55Hz)。电流振幅规定在20%～35%。

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图4 PSL41F/330-3-32L臂架多路阀

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图5 PSL41F/330-3-32L臂架多路阀规格

2比例阀驱动技术分析

2.1 传统PLC比例阀驱动的特点

纵观三一工程机械历年的发展，在比例阀驱动技术领域一直没有做深入的研究，普遍采用了简单的PWM技术来实现比例阀的驱动。

具体为采用PLC可编程控制器生成与比例阀颤振信号频率相符合的PWM电压信号，根据需要的直流等效电流大小实时调整PWM的脉宽大小，如图6所示。

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图6 PWM电压波形(50Hz,30%脉宽,24V)

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图7 电流波形

图6为PLC控制器输出的50Hz、30%脉宽、24V电压的PWM电压波形仿真曲线；

图7为该电压波形下的电流脉动仿真曲线。

其中，比例阀参数为25Ω电阻，电感设为40mH。

仿真分析：

由电流曲线可知，电流脉动达到了100%。远远大于比例阀规格书中规定的电流振幅（20%～35%）。

实验结论：

经过对三一泵车现场观察，由于比例阀控制电流脉动大，导致臂架控制多路阀在遥控操作时，多路阀手柄颤振的非常厉害。人的手根本无法握住多路阀手柄。手柄存在严重打手问题。这样的控制方式会严重影响臂架、主油泵的控制性能，也会使阀芯过度磨损，降低臂架多路阀、主油泵使用寿命。

据了解，泵送研究本院相关工程师就该问题咨询了HAWE相关人员，采取简单提升PWM频率的方法来减少颤振。PWM频率由50Hz提升到了80～100Hz。

最后的结果是频率提高了，颤振减小了。但是与规格书中颤振频率不相符，导致阀芯易出现卡死，磁滞加大，控制不精准。因此实施了一段时间后，频率又改回到50Hz。

 

后续转下一篇博文。