一种数字换向阀及其控制方法与流程

1.本发明属于液压传动技术领域，尤其是液压系统的控制阀。


背景技术：

2.液压技术作为现代工程机械设备高速发展中的重要技术，通过使用液压油液作为工作介质，对液压系统进行控制和传递动力。目前，液压技术具有反应快、大功率、高精度的优点，在工程机械领域及军工领域被广泛应用。随着计算机技术、电子信息技术、微电子技术以及通讯技术的发展，传统液压元件、液压系统与计算机技术和电子信息技术相结合，形成了新型液压技术，即数字液压技术。数字液压技术作为新技术是目前研究的热点。
3.传统电磁换向阀响应慢、精度低、抗污染能力差、工作稳定性差。而数字换向阀能够直接与计算机连接，不需要数模转换器。目前常用的增量式数字阀采用步进电机作为电—机械转换器，计算机根据输入信号发出脉冲信号，经信号放大器使步进电机工作，驱动阀芯运动，对液压系统进行控制。
4.现有数字阀是在原有电磁比例阀、伺服阀基础上研发。传统研究者对电子信息技术、通讯技术了解不多，依旧将数字阀研究重点放在阀体本身和数字阀控制算法上，对数字阀采用通讯方式没有进行改进，不利于数字阀后续智能化发展。这就使得增量式数字阀存在以下问题：
5.1)频响低。
6.2)步进电机容易受到外界因素干扰，出现滞后，高频响下容易出现失步问题。
7.3)步进电机低速下容易发生异常抖动，而高速时转矩损失大，效率低。
8.4)步进电机精度低。
9.5)can有线通讯受环境影响大，无法进行拓展，通讯设备移动能力差，整体费用高。
10.6)当有线通讯信道出错、堵塞时数字阀将受到干扰甚至无法正常工作。
11.7)有线通讯数字阀维护成本高，故障检测困难。
12.8)can有线通讯方式具有不可预测性。
13.综上所述，上述问题是增量式数字阀推广受限的主要原因。


技术实现要素：

14.本发明是为了解决现有增量式数字阀所存在的缺陷，现提供一种数字换向阀及其控制方法。
15.一种数字换向阀，包括：阀体1、阀芯2、滚珠丝杠螺母3、连接套4、电机6、光电编码器7、控制器8和限位端盖10，
16.限位端盖10盖接在阀体1首端开口处，阀体1套接在阀芯2主体的外部，阀芯2首端通过花键与限位端盖10相连，且阀芯2首端与限位端盖10之间留有空隙，使得阀芯2仅能够沿其轴向运动，阀芯2伸出至阀体1末端的部分为丝杠，该丝杠与滚珠丝杠螺母3螺纹连接，滚珠丝杠螺母3的末端与连接套4的首端相连，连接套4的末端与电机6的动力输出轴相连，
阀体1、阀芯2、滚珠丝杠螺母3、连接套4、电机6和限位端盖10同轴设置，
17.光电编码器7用于采集阀芯2的实时位移，控制器8用于利用无线方式采集控制人员发送的阀芯2的期望位移，并根据该期望位移控制电机6旋转。
18.进一步的，上述连接套4末端设有轴向盲孔，电机6的动力输出轴伸入该轴向盲孔并通过花键相连，使得电机6能够带动连接套4旋转，连接套4末端面与电机6的接触面之间设有止推轴承11，连接套4首端和滚珠丝杠螺母3末端之间通过开槽平端紧定螺钉14相连。
19.进一步的，上述一种数字换向阀还包括衬套5和套筒13，衬套5同时套接在连接套4和止推轴承11外圆周面，套筒13同时套接在滚珠丝杠螺母3和衬套5外圆周面，衬套5和套筒13均与连接套4同轴设置。
20.进一步的，上述限位端盖10和阀体1之间，以及阀体1和套筒13之间均设有密封圈12。
21.进一步的，上述限位端盖10的外侧设有外端盖9，外端盖9和限位端盖10之间设有止推轴承11。
22.进一步的，上述阀芯2首端设有通道，该通道的一端与限位端盖10与阀芯2首端之间的空隙连通，通道的另一端能够在阀芯2移动过程中与阀体1油路连通。
23.进一步的，上述控制器8包括：dsp控制模块、反馈模块、运算放大器和电机控制模块，反馈模块用于实时采集阀芯2的实时位移，并发送至dsp控制模块，dsp控制模块用于采集阀芯2的期望位移，将实时位移与期望位移之差转换为数字脉冲信号，并发送至运算放大器，运算放大器用于将数字脉冲信号进行放大并发送至电机控制模块，电机控制模块根据放大后的数字脉冲信号控制电机6旋转，使得电机6驱动阀芯2移动，进而实现对数字换向阀开口度。
24.进一步的，上述控制器8还包括：按键模块、以太网模块和can模块，按键模块用于输入期望位移，按键模块的期望位移输出端连接dsp控制模块，以太网模块和can模块均通过无线方式与dsp控制模块进行信号传输，无线局域网模块用于通过局域网传输dsp控制模块的收发信号。
25.进一步的，上述控制器8还包括：数据存储模块、电源模块和继电器模块，数据存储模块用于存储期望位移，继电器模块串联在电源模块和电机6之间。
26.进一步的，上述一种数字换向阀的控制方法具体为：
27.利用无线传输方式向控制器8发送阀芯2的期望位移，
28.利用控制器8将期望位移与光电编码器7采集的实时位移作差，获得位移差，
29.将位移差转换为数字脉冲信号，并利用该数字脉冲信号控制电机6旋转，使得电机6驱动阀芯2移动，进而实现对数字换向阀开口度。
30.本发明所述的一种数字换向阀，阀芯与滚珠丝杠螺母将转动运动变为直线运动，在结构上无需复杂限位装置，结构简单的同时，还能使工作效率提高。采用直流无刷电机驱动阀芯，采用矢量控制方式使电机启动力矩大能够克服液压卡紧力，使数字换向阀能够实现高压、大流量情况下的控制；使用光电编码器进行反馈，避免了电机失步问题，控制更加精准。能够实现局域网远程控制，数字换向阀控制板具有以太网接口模块和can模块，能够将对数字换向阀控制与局域网连接，采用数字信号控制数字阀，不用担心远程输入信号丢失、滞后，实现远程控制、智能控制。
31.综上所述，本发明具有抗污染能力强、结构紧凑、重复性好、频响高，采用数字脉冲信号进行控制、抗干扰能力强。能够广泛用于工程机械、机床工业、智能机械、汽车工业、冶金工业、轻功机械、农业机械、建筑机械等领域。
附图说明
32.图1为数字换向阀的结构示意图；
33.图2为数字换向阀的控制框图；
34.图3为数字换向阀控制原理示意图。
具体实施方式
35.具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种数字换向阀，其特征在于，包括：阀体1、阀芯2、滚珠丝杠螺母3、连接套4、衬套5、电机6、光电编码器7、控制器8、限位端盖10和套筒13。控制器8包括：dsp控制模块、反馈模块、运算放大器、按键模块、以太网模块、can模块、电机控制模块、数据存储模块、电源模块、继电器模块和无线局域网模块。
36.限位端盖10盖接在阀体1首端开口处。阀体1套接在阀芯2主体的外部。阀芯2首端通过花键与限位端盖10相连，且阀芯2首端与限位端盖10之间留有空隙，使得阀芯2仅能够沿其轴向运动。阀芯2首端设有通道，该通道的一端与限位端盖10与阀芯2首端之间的空隙连通，通道的另一端能够在阀芯2移动过程中与阀体1油路连通，防止油液在限位端盖10内积蓄，阻碍阀芯2移动。阀芯2伸出至阀体1末端的部分为丝杠，该丝杠与滚珠丝杠螺母3螺纹连接。滚珠丝杠螺母3的末端与连接套4的首端相连，连接套4末端设有轴向盲孔，电机6的动力输出轴伸入该轴向盲孔并通过花键相连，防止由于传动机构导致失步，使得电机6能够带动连接套4旋转。连接套4末端面与电机6的接触面之间设有止推轴承11，连接套4首端和滚珠丝杠螺母3末端之间通过开槽平端紧定螺钉14相连。衬套5同时套接在连接套4和止推轴承11外圆周面，限制滚珠丝杠螺母位置，保证阀芯2最大位移不变。套筒13同时套接在滚珠丝杠螺母3和衬套5外圆周面。阀体1、阀芯2、滚珠丝杠螺母3、连接套4、衬套5、电机6、限位端盖10和套筒13均同轴设置。限位端盖10和阀体1之间，以及阀体1和套筒13之间均设有密封圈12。限位端盖10的外侧设有外端盖9，外端盖9和限位端盖10之间设有止推轴承11，这里的止推轴承11用于防止电机6转动量过大使阀芯2位移超过极限位置对外端盖9和电机6造成破坏。电机6为无刷直流电机，电机6与阀体1和套筒13通过螺栓连接，使电机6固定。
37.光电编码器7用于采集阀芯2的实时位移，反馈模块用于实时采集阀芯2的实时位移，并发送至dsp控制模块，dsp控制模块用于采集阀芯2的期望位移，将实时位移与期望位移之差转换为数字脉冲信号，并发送至运算放大器，运算放大器用于将数字脉冲信号进行放大并发送至电机控制模块，电机控制模块根据放大后的数字脉冲信号控制电机6旋转，使得电机6驱动阀芯2移动，进而实现对数字换向阀开口度。按键模块用于输入期望位移，按键模块的期望位移输出端连接dsp控制模块。或者，利用以太网模块和can模块通过无线方式与dsp控制模块进行信号传输，向控制器8发送期望位移信号。数据存储模块用于存储期望位移，继电器模块串联在电源模块和电机6之间。或者，利用以太网模块和can模块、无线局域网模块通过无线方式与上位控制机进行信号传输，向控制器8发送期望位移信号。数据存
储模块用于存储期望位移，继电器模块串联在电源模块和电机6之间。
38.本实施方式通过阀芯2的位移控制油路接通、关闭或改变液压系统内的油液流动方向，从而控制执行元件的启动、停止、运动速度及运动方向。
39.本实施方式在实际应用时，数据存储模块为at24c02芯片，使存储的期望位移在掉电时不丢失。继电器模块用于控制电压以免造成人身安全。dsp控制模块型号为tms320f28335或tms320f28377d。电源模块使用hip630x系列，生成直流电压供电路系统使用。使用can转以太网设备将设备接入到局域网实现数字换向阀远程控制。dsp控制模块对直流无刷电机进行foc矢量控制。光电编码器7为混合式光电编码器。
40.本实施方式所述的一种数字换向阀，由直流无刷电机带动连接套旋转，所述滚珠丝杠螺母旋转将旋转运动变为直线运动，使阀芯移动从而改变阀芯开口度，采用限位端盖及连接套限制阀芯最大位移，通过光电编码器对阀芯位移进行控制。所述数字换向阀可直接与计算机连接，也能通过局域网进行远程控制。所述数字换向阀具有控制精度高、抗污染能力强、结构简单、响应快、重复误差小优点。
41.如图2所示，计算机作为上位，通过通讯模块可选择采用以太网模块、can模块、、无线局域网模块等无线通讯方式对数字换向阀进行控制。dsp数字芯片承担控制算法的实现，主要完成直流无刷电机闭环控制算法，以及对数字信号处理。
42.如图3所示，计算机通过can模块与数字换向阀连接，发出阀芯期望位移信号，经由数字换向阀控制器处理后，控制电机转动，有位置环控制电机转动中的位置精度，速度环控制直流无刷电机抗负载力矩扰动能力。电机转动带动滚珠丝杠螺母转动，使阀芯移动，改变阀芯位置控制开口度，从而控制液压系统的接通、关闭或改变油液流通方向和流量。
43.具体实施方式二：本实施方式是具体实施方式以所述的一种数字换向阀的控制方法，所述控制方法具体为：
44.利用无线传输方式向控制器8发送阀芯2的期望位移。利用控制器8将期望位移与光电编码器7采集的实时位移作差，获得位移差。将位移差转换为数字脉冲信号，并利用该数字脉冲信号控制电机6旋转，使得电机6驱动阀芯2移动，进而实现对数字换向阀开口度。
45.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的创新理念和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。