3.4.3 PWM液压阀在工程机械工作机构改装中的应用
随着现代工业自动化程度的提高，液压技术与计算机技术、电子技术的融合已经成为必然的趋势，数字化液压元件的开发应用将是今后液压技术发展的一个方向。PWM（Pulse Width Modu—lation）液压阀，又称为高速开关阀，作为一种新型的数字式电液转换控制元件，具有价格低廉、抗污染能力强、工作可靠、重复精度高、成批产品的性能一致性好等特点，因此在国外已被广泛地应用于汽车、工程机械、农业机械等许多方面。PWM液压阀、伺服阀和比例阀的主要特点和性能对比情况分别见表3-9和表3-10。
表3-9 PWM液压阀、伺服阀和比例阀的主要特点比较
表3-10 PWM液压阀、伺服阀和比例阀的性能对比
下面以日本小松公司生产的D65E—12型多功能推土机为例，说明PWM液压阀在工程机械工作机构改装设计中的应用。
1.PWM液压阀工作原理
PWM液压阀的结构和普通的电液控制阀并无本质区别，由于其阀芯的质量和行程都很小，因而能以很高的响应速度来跟踪控制信号，便于微机和各种单片机进行实时控制。
PWM液压阀的控制原理图如图3-34所示。脉宽调制器将输入的控制信号与载波信号比较后，转换为周期为T的脉宽调制信号。图3-34a中的U为计算机计算输出的控制信号，通过将控制信号与计算机输出的另一系列作为载波信号的锯齿波信号V作比较。如果在某一时刻U的值大于锯齿波V的值，则PWM液压阀开启，否则关闭。随后得到图3-34b中所示的一系列控制指令，将这一系列控制指令施加到PWM液压阀的电磁线圈上，在高电平期间，有流量q通过，其余的时间内则无流量通过。高速开关阀采用脉宽调制原理来控制其平均流量，由于时间T非常小，常为0.01～0.15s，因此，可用平均流量q来表示这一时间内PWM液压阀的输出流量。
图3-34 PWM液压阀的控制原理图
式中，Cd为流量系数；A为阀VI的开口面积，τ为一个周期内的高电平时间Ton与周期时长T之比，Δp为油压差，ρ为油的密度。
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液压阀进入液压缸的平均流量越大，液压缸的运动速度就越快。而且脉宽调制信号可直接由计算机输出，PWM液压阀能够直接以数字信号的方式进行控制，不必经D/A转换，计算机可以根椐控制要求发出脉宽调制信号，控制PWM液压阀电磁铁动作，从而使PWM阀开启或关闭，以控制液压缸液压油流量的大小和流向。
2.改装过程
D65E—12型推土机工作装置液压系统原理如图3-35所示，铲刀是D65E—12型推土机的主要工作部件，它有两个相互关联的操纵机构，分别用来控制铲刀倾斜和铲刀升降的操纵手柄，既可以单独动作，也可以复合动作。铲刀倾斜液压缸7和铲刀提升液压缸6分别由两个PPC阀4A、4B作为先导阀，对主控制多路阀5进行控制，使其按要求进行换向，从而使铲刀进行相应的升降和倾斜动作。
由于图3-35中的PPC阀在工程实践应用中存在冲击大、力量小、控制精度低和运行不平稳等缺点，对D65E—12型推土机的使用性能造成了一定的影响。所以改装过程主要将原来的2个PPC阀（4A，4B）换成4个PWM液压阀（共2组，2个PWM液压阀作为一组代替一个PPC阀），2个操作手柄换成一个手柄，并且在手柄的下方加装了一个和手柄偏转角度成正比的信号发生器，再结合有关的液压元件和PWM液压阀的单片机控制电路，对主控制多路阀5所构成的液压系统进行改装设计。
图3-35 D65E—12型推土机工作装置液压系统原理图
1—PPC泵 2—溢流阀 3—PPC制动阀 4—铲刀控制PPC阀（4A为铲刀倾斜阀、4B为铲刀提升阀） 5—主控制多路阀（SA为铲刀提升阀、5B为铲刀倾斜阀） 6—铲刀提升液压缸 7—铲刀倾斜液压缸 8—可变卸荷阀 9—主卸荷阀 10—液压泵
3.PWM液压阀电控模块的设计
改装后的铲刀电液控制回路框图如图3-36所示，D65E—12型推土机的电控单元接收驾驶员从操作手柄前、后、左、右四个方向发出来的指令，经过A/D转换器进行模拟数字转换后送入单片机。单片机再根椐铲刀位置传感器所检测到的铲刀实际位置信号进行分析和运算，输出的数字信号经过PWM功率放大器以后直接驱动各个PWM液压阀的电磁线圈，控制工作装置的液压系统，驱动液压缸，使铲刀按照所需的方向、速度和工作方式进行动作。其中单片机使用MCS—51系列，模数转换器为ADC0809。因操作手柄传感器最大输出电压必须稳定在5V以下，不能直接使用蓄电池电源电压，因而使用了7805型稳压器，以便获得PWM液压阀所需的稳定占空比。
推土机电控系统软件设计主要是完成手柄角度信号的采集、数字滤波、判定手柄的转动方向，最终确定将要产生的信号来驱动PWM液压阀的工作。具体组成部分是由主程序、数据采集、数字滤波、算术判定控制、PWM信号判定产生等子程序组成，其中主程序流程图如图3-37所示。
4.改装效果
以上方法用来对D65E—12型推土机进行改装。由于减少了一个操纵手柄，将PPC阀换成了脉宽调制式的PWM液压阀，改装后的小松D65E—12型推土机在实际工程应用中使用更加方便，性能更加可靠，反应速度更快，控制精度显著提高。
图3-36 铲刀电液控制回路框图
图3-37 主程序流程图