智能液压：双阀芯控制技术及其在挖掘机的应用
1 Ultronics双阀芯阀的原理
如图17a所示，传统单阀芯换向阀采用一个阀芯，其进出油口的位置关系在加工的时候就已经确定，在使用过程中不能修改，而且其进出油口的压力和流量不能独立调节。同时由于不同液压系统对换向阀进出油口开口位置关系的要求不一样，所以，针对不同的液压系统需要设计加工不同的阀芯，使得阀芯互换性较差。
Ultronics双阀芯阀的基本原理如图17b所示。双阀芯阀的每片阀内有两个阀芯，分别对应执行机构的进油口和出油口。两个阀芯既可以单独控制，也可以通过一定的逻辑和控制策略成对协调控制。
a）单阀芯 b）双阀芯
图17 单阀芯与双阀芯原理示意图
图18所示为ZTS16型双阀芯阀内部结构，在双阀芯阀的两个阀芯上都装有位置传感器，两个工作油口分别装有压力传感器，可以通过对传感器信号的闭环制方案，以满足液压系统的需要。
（a）结构
b）油路
1.主阀块，2.主阀芯，3.先导阀块，4.激磁线圈，5.复位弹簧，6.先导阀芯，7.位置传感器，8.压力传感器，9.集成电子系统
图18 双阀芯阀结构图与油路
Ultronics控制系统的关键在于其独特的双阀芯控制技术，每片阀有两个阀芯，相当于将一个三位四通阀变成两个三位四通阀的组合，两个阀芯既可以单独控制，也可以根据控制逻辑进行成对控制，并且两个工作油口都有压力传感器，每个阀芯都有位置传感器，通过对传感信号的闭环控制可以分别对两路液压油的压力或流量进行控制，从而具有很高的控制精度，而且通过不同的组合许多的控制方案使机器可以实现多种功能。
2 系统硬件
Ultronics电子液压控制系统的系统硬件非常简单，执行机构所需要的功能都通过软件编程来实现。系统硬件主要是指系统调节阀片、工作阀片、控制装置ECU、手柄以及CAN总线等。
1）系统调节阀片
系统调节阀片的主要功能是负责系统工作压力的调节。系统工作时，通过手柄指令控制输入比例阀电磁铁的电流大小来控制比例阀阀芯的开口，从而控制比例阀入口处的工作压力，该压力加上弹簧力构成变量泵LS口处的工作压力。对比例阀入口处压力的调节也就是对变量泵LS口处压力的调节，进而调节变量泵斜盘的摆角，从而调节恒功率变量泵的排量以实现液压系统工作压力的调节。
2）工作阀片
Ultronics控制系统的核心在于其独特的双阀芯控制技术。其每一工作阀片都有2个阀芯，进、出油路各一，相当于将1个三位四通阀片变成2个三位三通阀片的组合，工作阀片的2个阀芯由先导阀片的2个相应的阀芯进行控制。工作阀片的2个阀芯可以进行单独控制，也可以根据控制逻辑进行成对控制。2个工作油口都有压力传感器，2个主阀阀芯都有LVDT位移传感器，通过对传感器所检测到的反馈信号进行控制，可以分别实现对2个工作油路压力或流量的控制，具有很高的控制精度；通过对2个工作油路进行压力、流量控制的不同组合，可以得到多种控制方案，从而满足不同液压系统的功能需求。
3）控制装置ECU
控制装置ECU有25路和50路2种，可以采用模拟方式或者数字方式与系统进行连接。它主要用于接收手柄所输入的信号，经过处理之后发出相应的控制指令以驱动相关的执行机构。同时，它还提供CAN卡接点，以便从PC机上下载编写好的应用程序，并对所编写的应用程序进行在线调试。
4）手柄
手柄主要用于向控制装置ECU输入指令信号以驱动相关的执行机构，可以输出模拟、数字和CAN总线3种信号。手柄的瞬时延迟与输出曲线可以通过JoyCal Can Edition进行调节与校准。
5）CAN总线。
采用CAN2.0B无源两线式串行电缆将系统调节阀片、工作阀片、控制装置ECU、手柄等连接起来；通过转接头还可以将CAN卡与PC机相连，以进行用户程序的下载与在线调试工作。其传输速度为1Mbps、最大传输长度为30m、最大节点数为100个，最多可以8个节点进行同步通讯。
3 系统软件
与传统液压控制系统不同的是，Ultronics控制系统的所有功能均在系统软件中进行开发，所以系统软件也是Ultronics控制系统的重要组成部分。系统软件主要是指程序编辑与编译环境CodeWright、工具软件CanTools以及手柄调节与校准工具JoyCal Can Edition。
1）CodeWright
CodeWright是一个C语言编辑与编译环境，用户可以在该环境中应用C语言开发自己的程序以实现所需要的功能。同时，该软件还可以将编译好的用户程序通过CAN卡下载到ECU中，从而实现应用程序所设计的功能。
2）CanTools
CanTools是Ultronics控制系统的工具软件。通过该软件可以对阀芯的工作模式、先导阀片的更换等进行管理，可以对阀芯的流量配置参数、零位指令时的阀芯位置、阀芯允许的最大流量、阀口的最大工作压力、阀口的溢流压力、连接设备两腔的面积比，铲斗振动掘削的频率、振幅以及输入波形等参数进行设置，还可以实现对压力控制器、流量控制器的PID参数进行调节，以及对系统调节阀片进行训练以生成前馈曲线等等。此外，还可以在该软件中开展阀片和手柄的模拟工作，以对所编写的应用程序进行离线调试。
3）JoyCal CanEdition
手柄的按钮开关、轴方向可以在该软件中进行校准，手柄的瞬时延迟与输出曲线也可以在该软件中进行调节。
4 挖掘机执行机构控制策略
Ultronics公司的双阀芯控制系统从一开始就是针对工程机械的单机控制系统来设计的，所以可以很方便地组成完整的控制系统，而且硬件网络很简洁，性能的升级也比较方便。目前采用这种技术来实现高性能挖掘机的单机控制系统是比较实用的方案。
由于双阀芯换向阀两油口控制的灵活性，两油口可以分别采取流量控制、压力控制或者流量-压力组合控制。以下结合液压挖掘机的实际工况介绍动臂、斗杆及铲斗3个液压缸的控制策略。
1）负载方向保持不变时的控制策略
液压挖掘机动臂上升、斗杆挖掘、铲斗挖掘时的受力情况如图19a所示，动臂下降时的受力情况如图19b所示。其负载方向在整个工作过程中始终保持不变，因此可以采取“液压缸有杆腔采用压力控制、无杆腔采用流量控制”的控制策略。无杆腔侧采用流量控制，通过检测连接到无杆腔侧阀前后两侧的压差，再根据所需流入或流出流量的多少，计算出阀芯开口大小；有杆腔侧采用压力控制，使该侧维持一个较低的压力，不至于因压力过低而引起空穴现象，不至于因负载变化而引起液压冲击，因该侧压力较低，所以系统更加节能。
a） 速度方向与负载方向相反
. b） 速度方向与负载方向相同
图19 负载方向保持不变时的控制策略图
2）负载方向发生改变时的控制策略
液压挖掘机斗杆液压缸、铲斗液压缸在整个工作过程中负载方向会发生改变，例如当斗杆液压缸缩回、斗杆运动到垂直位置前后，负载方向与运动方向由相同变为相反，负载由超越负载变为被动负载，负载方向的变化可能会导致压力突变，影响斗杆运动的稳定性。
在这种情况下，采取“进油侧压力控制、出油侧流量控制”的控制策略，如图20所示。液压缸有杆腔侧采用压力控制、无杆腔侧采用流量控制，通过检测无杆腔侧的压力来实现有杆腔侧的压力控制。进油侧用压力控制器维持一个较低的参考压力，一方面提高了系统的效率，另一方面保证了该侧不致因压力过低而发生空穴现象。
图20 负载方向发生改变时的控制策略图
为了使负载方向变化的执行机构能够得到很好的控制，在有杆腔侧的压力控制器中使用了另外一个压力控制器。负载方向改变时，无杆腔的压力将减小；如果有杆腔仍维持一个很低的压力，当负载很大时，液压缸活塞杆将向相反的方向运动。此时可以用所增加的压力控制器监视无杆腔压力的变化，当压力控制器检测到无杆腔压力低于所设定的参考值时，提高有杆腔压力控制器设定的压力，从而保证系统的正常工作。
5 挖掘机液压系统
Ultronics电子液压控制系统将液压技术、机械技术、计算机技术以及自动控制理论完美地结合在一起，其中，总线结构和液压系统构成了系统的硬件平台，而系统的功能则通过软件编程进行开发。
1）总线结构
Ultronics电子式液压控制系统的控制指令由Centuri光电手柄通过CAN总线输入到控制装置ECU中，ECU将控制指令转换成相应阀片或者阀组运动的应用编码，并通过CAN总线传输到相关阀片以驱动相关工作装置。运行于个人PC机中的系统软件CodeWright、CanTools以及JoyCal Can Edition可以通过CAN总线和CAN卡与ECU连接，以开展应用程序的下载与调试工作。在网络的两端加接120Ω的电阻作为线路的匹配。
2）液压系统
由于Ultronics电子液压控制系统的功能都通过软件编程进行开发，所以由该系统所组成的挖掘机液压控制系统就变得非常简单。根据实际功能需求，设计出如图21所示的液压系统，该系统由2组8片阀组成，共同完成液压挖掘机动臂、斗杆、铲斗、回转以及左右行走的操作，每片阀组都有自己的减压阀片以向该组其他工作阀片提供先导控制油液，阀组1中的系统调节阀片则负责调整系统压力、检测系统压力及回油压力并对液压系统提供安全保护。
图21 基于Ultronics系统的挖掘机液压系统原理图
采用Ultronics电子液压控制系统一般情况下仅需增加简单的附件，其功能的升级则通过应用程序实现，存储于阀中。与产品应用有关的参数，诸如最大流量、系统压力、控制模式等，都可通过工具软件CanTools进行设置或修改，因此产品的开发周期将大大缩短。
通过CAN总线通讯、独特的双阀芯结构和压力、位移传感器的应用以及压力或流量的闭环控制技术，Ultronics电子液压控制系统使工程机械控制系统在功能的多样性、实现的灵活性、较高的性价比以及控制理念、维修模式等诸多方面都发生变化。
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