高速开关式数字阀
1 高速开关阀控制原理
高速开关元件的PWM(脉宽调制式)控制的思想源于电机的PWM控制，即通过改变占空比，使一个周期时间内输出的平均值与相应时刻采样得到的信号成比例。如果周期是固定不变的，通过改变导通时间来改变占空比的控制方式。
在流体动力系统中，通过控制开关阀的通断时间比，以获得在某一段时间内流量的平均值，进而实现对下一级执行机构的控制。脉宽调制信号是具有恒频率、不同开启时间t比率的信号，如图74所示，脉宽时间tp对采样周期T的比值tp／τ为脉宽占空比，用它来表征采样周期的幅值。用脉宽信号对连续信号进行调制，可将图1(a)中的连续信号调制成图 1(b)中的脉宽信号。此处调制的对象是流量，则每个采样周期的平均流量为q=qntp／T，与连续信号处的流量相对应，式中qn为调制对象的额定流量。
脉宽调制 (PWM)型数字开关阀的控制系统框图如图75所示。由微型计算机产生脉宽调制的脉冲序列 ，经脉宽调制放大器放大后驱动数字阀，即高速开关阀，控制流量或压力。由于作用于阀上的信号是一系列脉冲，所以高速开关阀也只有与之对应的快速切换的“开”和“关”2种状态，而以开启时间的长短来控制流量。在闭环系统中，由传感器检测输出信号反馈到计算机中形成闭环控制。如果信号是确定的周期信号或其它给定信号，可预先编程存在计算机内，由计算机完成信号发生功能。如果信号是随机信号，则信号源经 A／D转换后输入计算机内，由计算机完成脉宽调制后输出。在需要作 2个方向运动的系统中，要用2个数字阀分别控制不同方向的运动。与增量式数字阀控制系统相同，该系统的性能与计算机、放大器、数字阀有关，三者相互关联。使用时必须有这些配套的装置。
此种控制方式具有不堵塞、抗污染能力强及结构简单的优点。系统可以是开环控制 ，也可以进行闭环控制。开环控制不存在稳定性问题，控制比较简单。
闭环控制精度较高，但控制比较复杂，传感器及A／D转换器等价格比较昂贵。而且其应用范围受以下缺点的限制：①由于高速开关阀的PWM控制最终表现为一种机械信号的调制，噪声大，易于产生压力脉动和冲击，影响元件自身和系统的寿命及工作可靠性；②控制特性受机械调制频率不易提高的限制。
2 高速开关阀的驱动器
高速开关阀之所以有很高的响应速度，是因为驱动阀芯运动的驱动器响应速度极高。根据所用驱动器的不同，高速开关阀可分为高速电磁阀、磁致伸缩式高速开关阀、电流变液式高速开关阀、压电式高速开关阀。
1)电磁式高速开关阀
高速电磁阀是以高频电磁铁为驱动元件 ，电磁阀的电磁部件由固定铁芯、动铁芯、线圈等部件组成；阀体部分由滑阀芯、滑阀套、弹簧底座等组成。电磁线圈被直接安装在阀体上，阀体被封闭在密封管中，构成一个简洁、紧凑的组合。电磁铁由PWM信号控制，输入高电平时线圈通电，衔铁与阀芯连成一体，带动阀芯动作；低电平时，磁芯的运转将导致通过阀体的流体被切断，此时将通过弹簧复位。对于电磁铁来说就是带电和失电，而对于所控制的阀门来说就是开和关。
高频开关电磁铁功率小、体积小、结构简单、工作频率很高。目前国内外开发的一些高速开关阀，大多仍采用电磁铁作为驱动器，但阀的切换速度慢。
2)磁致伸缩式高速开关阀
超磁致伸缩材料 (Giant Magnetostrictive Materia1) 有别于传统的磁致伸缩材料 (Fe、Co、Ni等)，典型商品牌号为 Terfenol-D，代表成分为 Tb0.27、Dy0.75、Fe1.93。与压电材料 (PZT)及传统的磁致伸缩材料 Ni、Co等相比，超磁致伸缩材料具有以下独特的性能：①室温磁致伸缩应变量大，伸缩量可达 0.15％ 以上，是镍的40～50倍，是压电陶瓷的5～8倍；转换效率高，机电耦合系数可达到0.75；居里温度高达380℃，工作温度可达200℃。②用超磁致伸缩材料制备的器件驱动电压低，工作时需低电压驱动；而压电陶瓷则需几千伏的高压驱动。③超磁致伸缩应用器件体积大大减少，并对磁化和应力几乎即时响应(达到μs级)，可用于快速执行器件。④超磁致伸缩材料可承受高达200～700MPa的压力，适于高压力的执行器、大功率的声换能器等。当外加磁场为80kA／m时，产生应力在 29.4MPa以上，而压电陶瓷无法承受较大的压力。⑤不存在压电陶瓷中失极化引起的失效问题，同时不存在老化、疲劳问题，因而具有很高的可靠性。⑥超磁致伸缩材料特别适用于低频区工作，在0～5kHz范围内能量转换效率优于压电陶瓷材料。
利用超磁致伸缩材料制作的超磁致伸缩致动器不仅能克服传统电致伸缩致动器反应速度慢、消耗功率大的缺点，而且其电机转换效率具有其它材料无法比拟的优势，如在精密阀门、精密流体控制、数控机床、精密机床的进给系统方面，用精密致动器，位移精确度可达到纳米级，响应速度快，输出功率大，设计相对简单。超磁致伸缩致动器与传统致动器相比具有以下优点：①伸缩范围 (冲程)大，对于100mm长的致动元件，伸长量很容易达到 100μm以上； ②响应速度快，<1μs； ③输出力大，对于直径为l2mm，长度为100mm的致动元件，输出力大于1700N； ④ 抗压强度高，该致动元件抗压强度大于700Mpa； ⑤工作电压低，几伏到几十伏；⑥可靠性好，无疲劳老化 ；⑦使用温度范围宽，一般为0～70℃。
3)电流变液式高速开关阀
电流变液体是一类悬浮体，其在强电场作用下的流变性质(如表现粘度、剪切应力等)增加几个数量级，响应快而且可逆。将电流变液应用于液压控制系统，直接用电量来改变其粘度，可用于没有机械运动部件的流体控制阀，阀的流量和压降可直接由电场信号来调节。利用电流变液的电流变效应代替传统的电磁铁，其性能 (如速度响应等)要比电磁铁优异。
电流变液控制系统与传统的电液控制系统相比较的一个明显的优点是消耗的电能极少。这是因为控制系统在工作时尽管电压较高，但电流十分微弱，是典型的“信号”控制。
电流变技术被公认为具有巨大的工程应用前景，一旦被突破，将在汽车、机电、液压技术和机器人等业中引起技术革命。
4)压电式 (电致伸缩)高速开关阀
压电效应的原理包括2方面：一方面，压电陶瓷在机械力作用下产生变形，引起表面带电的现象，而且其表面电荷密度与应力成正比，这称为正压电效应。另一方面，在压电陶瓷上施加电场，会产生机械变形，而且其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效应。如果施加的是交变电场，材料将随着交变电场的频率作伸缩振动。施加的电场强度越强，振动的幅度越大。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。
压电陶瓷驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动。压电陶瓷致动器具有体积小、位移分辨率极高、响应速度快、输出力大、换能效率高、不发热、可采用相对简单的电压控制方式等特点。但其本身固有的一些特性会影响到输出的精度和线性度。压电陶瓷在电场的作用下有两种效应：逆压电效应和电致伸缩效应。在开关阀中利用其电致伸缩效应，实现阀芯的移动。虽然压电陶瓷驱动器提高了切换速度和频率，但所需电压高，消耗功率大。
注：著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处
注：著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处，作者：广州市新欧机械有限公司黄志坚教授，020-82333916