PWM液压阀在隧道掘进机推进液压系统中的应用

隧道掘进机（T B M）作业环境恶劣，掘进过程中操作人员不仅要根据岩层变化选择不同的掘进速度，还要进行必要的横向与纵向位置调整。上述特殊工况，要求其推进液压系统性能可靠、动作精准。为满足这一要求，在隧道掘进机中多采用控制精度很高的PWM液压阀（又称高速开关阀）对推进液压缸进行控制。

1.PWM液压阀的特性

PWM液压阀由脉冲调制器进行控制。脉冲调制器的原理如图1所示。图1a中的U 为经计算机计算后输出的控制信号，V 为计算机输出的另一系列作为载波信号的锯齿波信号。脉宽调制器将输入的锯齿波信号与输入的控制信号比较后，转换为时间周期为T 的脉宽调制信号。如果在某一时刻U值大于V值，则输出高电平，否则输出低电平。根据这一原理，得到图1b中所示一系列控制指令信号。

将这一指令施加到PWM液压阀的电磁线圈上，在高电平期间该阀有流量q通过，其余的时间内则无流量通过。由于时间周期T非常小，常为0.01～0.15s，因此常用平均流量q 来表示这一时间内PWM液压阀的输出流量，其计算公式如下：

上式表明，PWM液压阀的流量q与脉宽占空比τ 成正比。脉宽占空比τ 越大，通过PWM液压阀进入推进液压缸的平均流量越大，推进液压缸的运动速度就越快。计算机根据控制要求发出相应的脉宽调整信号，控制PWM液压阀开启或关闭，便可调整推进液压缸液压油流量的大小和流向。

2. PWM液压阀工作原理

执行元件的控制方式有2种：一是开环控制方式，二是是闭环控制方式。开环控制方式是采用数字信号控制伺服阀，从而控制执行元件的运行速度和位移。闭环控制方式过程如下：系统的温度、压力以及执行元件的运行速度和位移等信号反馈给控制器，控制器将该信号与设定值进行比较分析后，输出相应的模拟信号，通过比例阀或高速开关阀（PWM)自动调整执行元件的位置。

图1 脉冲调制器的原理

开环控制方式虽然可以通过发射脉冲信号完成动作控制，但无法补偿因系统温度、压力负载、内泄等引起的速度和位移变化，为此常采用闭环方式对精度要求较高的执行元件进行控制。

采用PWM液压阀控制推进液压缸的工作原理如图2所示，其主要由CPU控制器、转换器（A/D、D/A）、PWM功率放大器、位移传感器、PWM液压阀和推进液压缸组成。PWM液压阀根据脉宽调制信号来调整进入推进液压缸的平均流量，在此基础上，将4个PWM液压阀适当组合，便可自动对推进液压缸的运动方向和位移进行调整。

系统的指令信号与各种监测传感器的反馈信号，由A/D0和A/D1转换成数字信号进入CPU控制器。CPU控制器输出控制信号U，经过D/A转换器转换成模拟信号，再经脉宽调制后进入到PWM功率放大器。

PWM功率放大器的驱动单元D1与D4同步（同时开通或断开），分别与PWM液压阀1、4相连；D2则与D3保持同步，分别与PWM液压阀2、3相连。D1和D4接通时，PWM液压阀1、4处于开启状态，D2、D3则断开，PWM液压阀2、3处于关闭状态。反之亦然。

当U＞0时，D1与D4驱动PWM液压阀1、4动作，推进液压缸向右运动。当U＜0时，D2和D3驱动PWM液压阀2、3动作，推进液压缸向左运动。当U=0时，推进液压缸运动停止。

图 2 采用PWM液压阀控制推进液压缸的工作原理

3.应用实例

PWM阀具有结构简单、价格低廉、对控制信号响应速度快和抗污染能力强等优点。缺点是输出流量较小，故其无法直接在高压大流量场合使用。但是将其用于高压大流量锥阀的先导控制，利用其控制精度高的特点，则可对液压缸运动速度和位移精确控制。

图3 隧道掘进机推进液压系统工作原理

隧道掘进机推进液压系统工作原理如图3所示。当没有输入动作指令时，CPU控制器无信号输出，4个锥阀6、7、8、9截止，推进液压缸11处于闭锁状态。当需要活塞杆伸出时，C P U控制器向PWM功率放大器发出信号，PWM液压阀3、5收到该信号后控制锥阀7、9打开。由于此时PWM液压阀2、4无信号输出，所以锥阀6、8继续保持截止状态。

主流源10经锥阀7进入推进液压缸11无杆腔，推进液压缸11有杆腔的油液经锥阀9流回油箱，液压缸活塞杆便以适当的速度伸出。CPU控制器通过位移传感器12，对活塞的位移和速度进行检测，并与设定值进行比较，以及时修正输入PWM功率放大器的脉宽控制信号。

与此相反，需要活塞杆收回时，在CPU控制器的作用下锥阀7、9处于截止状态，而锥阀6、8则处于导通状态。高压油经过锥阀8进入推进液压缸11有杆腔，推进液压缸11无杆腔的油液经过锥阀6流回油箱，液压缸活塞杆便以适当的速度缩回。

通过以上分析可以知道，隧道掘进机推进系统中液压缸控制主要有以下3个特点：一是系统设计柔性较高，控制管路较少，制造和维护费用较低，运行可靠；二是利用各监测传感器检测执行元件位置信号，可在人机界面上反映设备的实时工况，便于操作；三是控制精度很高，并可对因系统温度、压力、负载、内泄等引起的速度、位移变化自动进行补偿。

责任编辑：David