伊顿正式发布
CMT片式多路阀 P/11
“工业4.0”下的“液压4.0”
| 智能技术与元件产品 P/1
“数字液压”之我思 P/5
数字化创新
| 它来了 P/9
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工程化解读最前沿的液压技术
#数字液压 专刊
数字化创新
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2020 iHydrostatics｜静液压
主编：李春光
编辑：王 鑫
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数字化创新| 它来了
数字排量泵，它以轴向柱塞泵为蓝本，结合高速开关电磁阀实现了泵的数字化控制。
伊顿正式发布CMT
片式多路阀
CMT是CMA数字多路阀产品系列的扩展，它的一个工作片可以同时独立控制两组动作
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Contents
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“工业4.0”下
的“液压4.0”
数字液压之我思
数字阀的发展
数字液压阀及其阀
控系统发展和展望
数字泵（DDP）
如何实现排量控制
数字变量泵技术
在挖掘机上的应用
| Artemis
液压系统数字化
现状与趋势
如何向数字化迈进？
| 博世力士乐
Alexander Flaig
博士为你揭秘
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内，与此同时还必须具备嵌入式微处理器在内的电控板或电控器件，以及在元件主体内部的传感器。实际上，任何一个元件也就是一个完整的具有闭环自主调整分散控制的
控制系统。
图2 Eaton_Ultronics 昆山航天智能技术公司独立双阀芯智能电子阀系统图与实体
“工业4.0”下的“液压4.0”
| 智能技术与元件产品
作为液压智能元件与液压传统无智能元件主体，在原理上可以完全相同，在结构上也可以基
本相同。所不同的是作为液压智能元件往往要将微处理器嵌入在电磁阀中，因此结构需要有所适应而 变化。同时，现在也在发展更适合发挥液压元件智能作用的新结构，元件的功能与甚至外形都会有所 改变。 例如在PVG 比例多路阀中，可以用二位二通先导电磁数字阀的桥式回路阀组实现传统的三 位四通的电磁阀功能（图1）；在ZTS 比例多路阀中用二个二位四通先导电磁阀分别控制二个独立的 二位三通主阀芯，使它具有一些新的功能或性能的优势（如节能）等等（图2）。
图1 Danfoss PVG 智能先导数字阀组
从图1 与图2 可以看到，智能液压元件必须是机电一体化为基体的元件，也就是说智能液压元件一定具有电动或电子器件在
图3 电液比例多路阀（非智能性）
在一般液压比例元件的基础上，带有电控驱动放大器配套，归属与电液控制元件（图3 所
示）。这种元件的比例控制驱动放大器是外置的。在就是液压3.0 时代的产品。 将控制驱动放大器与一个带有嵌入式微处理器的控制板组合并嵌入液压主元件体内形成一
个整体，这样这个元件就具有分散控制的智能性（图4）。从而带来下列好处：减少外接线无需维 护降低安装与维护成本，简化施工设计，免除电磁兼容问题，可以故障自诊断自监测，可以进行 控制性能参数的选择与调整，能源可管仅在需要时提供可节能，可以快速插接并通过软件轻易获 得有关信号值，可以通过软件轻易地设置元件或系统参数等等。这样一来，这种智能元件就将传 统的集中控制的方式，转变成为分散式控制系统。不仅实现了智能控制功能，系统设置也是柔性 的，通讯连接采用标准的广泛应用的CAN 总线协议，外接线减到最少，系统是可编程的可故障 诊断的。这种演变实际上从上世纪的80 年代就开始了，现在已经在液压元件上采用了较长时间， 结构、外形、质量、性能等各方面都比较成熟。市场已经接受并有一定的市场占有率，但还不显 著，工业4.0 的明确提出无疑将会极大地促进这类智能产品的市场应用。我国在这方面几乎是空 白领域。
液压智能元件的控制在调节功能上与传统的液电一体化产品相比有相同地方，如流量调节、斜坡发生调节、速度控制、闭环速度控制、闭环位置控制与死区调节等等。但性能参数会有提高。这包括控制精度的提高、CAN 总线的采用（图5）、故障监控与报警电路等。例如PVG 阀的比例控制的滞环可以降低到0.2%（一般可能3-5%）。在故障监控上，具有输入信号监控、传感器监控、闭环监控等。
图4 智能型PVG 比例多路阀数字先导阀
图5 具有CAN 的控制电路
至目前为止，液压元件智能控制系统主要采用的是CAN 总线。 CAN 总线的优点非常明显，
首先减少了接线降低成本、传输速度高可以多主实时、信息有优先级区分、故障与其节点可自检、 无电磁兼容问题以及安全可靠。由图6的CAN 接线图可见，作为液压智能元件的功能配置与其相近。同时液压元件体积小，因此不存在总线长度与通讯速度的问题（图7），对于工程机械而言也比较合适，而这一点是工业
控制需要考虑的。
图6 用于汽车控制的CAN 连接图
图7 通讯速度与总线长度的关系
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许仰曾
CAN 总线实质上是一种局域网，其通讯距离有限制。要将CAN 总线与以太网连接就达到了
移动远程控制或通讯的目的。这方面目前尚在发展，解决方案很多。图8提供了Beckhoff 的自 动化技术，可以将它看成是CAN 总线的网关，用于实现工业自动化的以太网解决方案。
这样一来，我们可以看到液压智能元件可以与以太网联系起来，具备远程数据交换与通讯的
功能。从而进行对于液压元件的调节、远程控制以至故障诊断等都提供了物质基础。没有疑问， 液压智能元件的CAN 总线是可以双向交互通讯的，这就是智能元件的基本特征之一。
图8 CAN 局域网与互联网的连接
液压智能元件在系统里的使用与传统元件是完全一样的。但是它的性能参数的设置、调整
等需要提供外设进行，这些外设可以是公司专设的控制器或者一般的PC 机，但是都需要该产品所对 应的该公司提供的开发软件系统。目前较多的是各公司各自提供的控制器与配套软件系统。图9清晰说明任何液压智能元件需要该厂商提供相应的控制器与配套软件，用来进行对该元件的设置、控制以及监控等。
图9 智能元件配套控制器与软件
这部分是对应于该系列元件或该公司同类型智能元件的，因此对用户而言可以只购买一次即可以用于相应所有同类型元件进行设置等功能。
本文根据工业革命的发展规律与液压技术的比照，由于液压技术的发展与历次工业革命高度重合，因此从《工业4.0》引申出《液压4.0》的概念及其本身的发展特点。
为了让我们液气密行业更加深入更加快速地开展《工业4.0》的智能化发展，在这里比较深入
地剖析了液压智能元件的原理、构成与功能，与此同时对于传统液气密行业过去很少涉及的CAN 总 线的技术基础与概念作了介绍，并涉及一些入门的技术概念，以便行业的企业管理者与工程技术人员 能更快运用他们。最后也分析了液压智能元件给用户与生产商带来效益。
传统液压领域很少涉足控制器与软件。因此智能化的方向将会影响行业的视野、结构与理念。所有看起来技术是成熟的，工程实施是可以进行的，但是作为元件增加的功能无疑会对现有液压行业提出极大的挑战。这个挑战来自技术、人员素质、上下游关系与经营理念等等。因此必须不断通过创新解决面临的智能化新的问题。
液压智能化从工程角度上来讲，是现实可行的。然而作为市场推广、制造技术、成本掌控、营运环境与来自应用的动力都面临巨大的挑战。还是一句话，方向已经无可怀疑，再大的困难 必须用我们今天的“智慧”去换取明天“智能”的实现。
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“数字液压”逐渐成为一个炙手可热的话题，不论是国内还是国际液压行业圈，都在追捧这个新时代的宠儿。然而对于数字液压的概念，也是每个人有每个人的理解。到底什么是“数字液压”，我们如何来界定“数字液压”的范畴？
1、高抗干扰性
现实世界基本是模拟的。实际用来保存传递信息的物理量，在保存、传输、再接收的过程中，总会受到不可预计的干扰，有无法确定的损失。例如，磁带上的磁性会减弱；电磁波在空气、导线中，光波在光纤中，长距离传输后，强度会衰减；光盘上的反射凹凸点经过几十年也会由于氧化而出现不均匀的高度损失。这样，实际接收到的信号强度与原始的就会有差别。比如说，发送端的信号强度是1.000±0.001V，接收端可能是0.990±0.005V。如果使用模拟技术，根据接收到的信号强度来处理，就会出现失真。转发次数越多，失真就越大。
数字技术的基础原理大致如下：发送接收方约定，发送方对要传递的模拟量采样，得到离散量，再把离散量逐个转化为由数码0 和1 组成的二进制数字量，用脉冲成组地发给接收方。接收方把收到的幅度小于一定值，比方说，0.3 的脉冲都看作0，幅度在一定范围内，比方说，0.7~1.3 的脉冲都看作1（图1），在此范围之外的都看作无效。然后，在需要处再把成组的二进制数转化成八进制、十六进制或日常生活习惯的十进制数，然后复原为模拟量。这就具有了极高的抗干扰性，获得了极强的可再现性，从而可多次转发。例如，手机、PC 机中的USB 接口约定，把+3~+15V 作为0，-3~-15V 作为1（图2）。
这种抗干扰性，二进制胜过其它所有进制，例如，三进制。所以，现在在整个社会备受欢迎的数字技术，实际上是二进制数字技术。
编码信号传递时的频率一般固定，但不用Hz 作为单位，而是用b/s（bit/s 比特率，每秒能传送的数码个数），从早期的几千b/s 到现在的几百万b/s（Mb/s）乃至几十亿（Gb/s）。
2、可校核性
模拟量转化成数字量后就便于校核了。比如，在发送一批数据的结尾再发送一个校验码。约定，这批数据的总和的最后两位应该等于校验码。否则，这批数据全部无效，请求重发。
信息的可靠性由于可校核而进一步提高了。
3、综合表述能力
使用一串数字组合，数字技术现在已可同时表述世界上几乎所有的在用文字，表述各种声音、色彩、图像、音乐、电影等，其失真已达到常人难以察觉的地步。
4、可编程性
在数字技术基础上发展起来的计算机程序，一方面可被计算机执行，另一方面又可表述极其复杂的逻辑，从而使计算机可以实现复杂的过程控制，具有了一定的自学习能力，正在向人工智能挺进。
5、高速运算能力
手机中的中央处理器CPU 都已能进行每秒上亿次算术和逻辑运算。有些手机同时装有4 个CPU（4 核），其运算——执行复杂程序的能力已很难想象了。
6、高速传递能力
数字技术，一方面，由于利用电磁波和光波传播，速度达30 万km/s。另一方面，以极高的频率传播（手机的3G、4G、5G，本质上是应用了更高的频率），可以载送极多的信息。现在,家用光纤的传播速率都可达100Mb/s，已经可以同步传送高分辨率的视频。不消一秒钟，就可以传送完四大古典名著。
7、高集成度
现在，可携式硬盘，巴掌大小，存储量已超2T，相当于1 万亿个汉字，约80 万本红楼梦。而大规模云服务器的存储能力，则已难以用日常生活语言来描述。二进制数字信号被用电路的两个稳态来表示，因此，电路中的元器件不需要很高的精度，可以压缩得极小。现在，大规模集成电路中元件的大小只有头发丝的几百、几千分之一，一颗芝麻大小的集成电路可含几百万个电子元件。
8、低价格
制造集成电路的主要原材料硅，是地壳中第二丰富的元素，因此，取之不尽。过去五十年以来，随着制造技术的成熟，集成电路体积的缩小，每隔18个月，相同功能的集成电路的价格就下降一半。
1、脉码调制PCM
脉码调制PCM，全称Pulse Code Modulation 脉冲编码调制，是把模拟信号离散化，转化为数字信号的处理过程：根据一个约定的频率，对模拟信号采样；再把得到的离散的脉冲的幅值转化为二进制编码的数字量（图3）。
语音通讯（电话）在上世纪七十年代就开始采用这一过程。例如，采样频率为8k，即每秒采8k（8000）个脉冲，再转化为
8 位的二进制编码，即一个脉冲8 个bit。
图1 二进制编码信号传递原理
图2 USB 接口对信号的约定
图3 脉码调制PCM
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在欧洲，数字液压的研究主要集中在芬兰坦佩雷理工大学（Tampere University of Technology）、奥地利的林茨大学（Johannes Kepler University Linz）等几个研究机构。
坦佩雷理工大学Linjama 先生曾提出如下定义：“Digital Fluid Power means hydraulic and pneumatic systems having discrete valued component(s) actively controlling system output.”[2] 大意为：数字流体动力指的是那些液压和气动系统，它们具有离散量元件主动控制系统输出。注意：此定义只提及数字系统和离散量元件，并未提及数字元件。该文给出了一些可能的模式。参考文献[6]指出了一些模式可会遇到的问题。一并归结如下。
1、阀控离散化
使用开关阀，代替传统液压中的模拟阀。所控制的流量理论上是离散的。但如果开关非常频繁，分级相当细的话，效果就可接近或等同模拟控制（见下表1）。
单阀，利用PWM 信号驱动，通过控制开启时间来控制通过流量（图7a）。如果用步进电机控制阀，虽然接收的是步进脉冲，但控制流量阀是模拟阀，不能是开关阀。所以，只能算是介于离散液压与模拟液压之间的产品。
多阀（图7b），有两种可能： a）各阀相同，由信号控制开启个数。 b）各阀（节流孔）不同，通流面积按2 倍递增。这样，如果用6 个阀，理论上就可以获得共64 种通流面积。
2、泵控离散化
单泵，利用PWM 信号，通过控制旁路阀开启时间的长度来旁路流量，这样就不再需要用于维持恒压的溢流阀，可以僐少能耗（图8a）。这里，蓄能器的液容就起着类似比例电磁线圈的电感的作用，尽管压力是脉冲的，但保持流量连续。
旁路阀的开启关闭总是需要一定时间，在这段时间中，会有一定流量通过阀口，造成能量浪费。时间越长，浪费越大。所以，最好使用高速开关阀。但时间越短，则对泵的压力冲击梯度越大，对泵的寿命危害越严重。
多泵（图8b），根据需求关闭旁路阀，可以得到不同的输出流量，以取代变量泵。此方案的原理并不是全新的。用低压大流量高压小流量的双泵来离散地代替恒功率变量泵，已有上百年历史了。
以上这些方案，实际上是用离散元件取代了模拟元件。所以，笔者认为，称为“离散液压”更贴切一些。国内有文献将此称为“狭义的数字液压”，而将国内出现的形形色色使用PWM和PNM 控制的所谓“数字液压”称为“广义的数字液压”。
图4 脉幅调制PAM 和脉频调制PFM
图5 脉宽调制PWM
图6 脉数调制PNM
表1 阀控离散化的可能模式
图7 阀控离散化的可能方案
图8 泵控离散化的可能方案
阅读原文
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这样，64k 个bit 就可以表达一秒钟的语音了。这样，就可以把语音变成数据包，高速输送了。如果网络的传播速率为100Mb/s 的话，就可以同时传送约（100M/64k≈）1560 个语音（电话）。收到后再按约定的频率（8k）复原，基本可以反映人声。现在，通过互联网传送的声音也都是这样数字化了的。
一般模拟信号数字化，常称为模数A/D 转化的，大致都采用这一过程。所以，PCM 是数字技术的基石。
8 位二进制数只能表达0~255，对液压测量，分辨率太低，所以常采用12 位，可以表达0~4095，即约0.025%的分辨率。
2、脉幅调制PAM 和脉频调制PFM
这两者都不属于数字技术。脉幅调制PAM，全称Pulse Amplitude Modulation 脉冲幅度调制，简称调幅（AM），直到上世纪80 年代，还是被普遍用于无线电广播（长波、中波、短波）：用要传递的模拟信号去调制一个具有较高的固定频率电波（载波）的振幅，得到可发射的调幅信号（图4）。接收端再把收到的信号滤去载波，还原出模拟信号，放大，推动喇叭。由于调幅信号中的干扰难以识别排除，因此，收听到的广播常是带杂音的。
脉频调制PFM，全称Pulse Frequent Modulation 脉冲频率调制，简称调频（AF）：用要传递的模拟信号去调制一个更高频电波的频率，得到可发射的调频信号。因为干扰一般只会影响信号的幅值，不会影响信号的频率，因此，从调频信号中解调得到的模拟信号所含干扰极少。所以，调频广播的音质较调幅好得多。自上世纪后期开始，沿用至今。
3、脉宽调制PWM
脉宽调制PWM，全称Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制，由一系列方波组成（图5）。虽然脉冲形状有点像数码脉冲，但作用原理截然不同。
- 幅值是离散的，只有0 和满幅值（例如24V）。
- 有固定的频率，液压技术中使用的一般为100 至200Hz，即周期10~5ms。
- 脉冲宽度可以取任意值，比如说，周期的35%、52.5%等。 方波的持续时间，在多数工况，是离散的。在脉冲宽度100%时，就不再离散。
- 液压技术中，PWM 被用于传递功率，驱动比例电磁铁，最大电流在1A 上下，功率在几到几十W。
- PWM 不具有前节所述数字技术的高抗干扰性、可校核性、综合表述能力、可编程性、高速运算能力和高速信息传递能力。
- PWM 可以算为离散量，但不应该算作数字量，因为它不具有数字量的基本特点——有序。
PWM在上世纪七十年代就与比例电磁铁技术一起被应用了。如果因为用了PWM就算是数字液压，那目前所有使用电比例阀的液压系统都可算作数字液压了。
4、脉数调制PNM
脉数调制PNM，全称Pulse Number Modulation 脉冲数目调制，也被称为脉冲密度调制（图6）。虽然脉冲形状有点像数码脉冲，但作用原理也截然不同。
数
字
化
创
新
它
来
了
目前，绝大多数液压机械所配备的控制机构基本和1893 年首次获得专利的控制机构相同。120 多年来，斜盘倾角可变的液压泵一直是传输流体动力的可靠方式。目前，我们已经尽力使它的反馈机构和电子控制机构向数字化方向发展，但是由于其基本原理的局限性，依然无法发挥数字化应有的优势。
为此，我们发明了数字排量泵。它以轴向柱塞泵为蓝本，结合高速开关电磁阀实现了泵的数字化控制。
数字排量泵的优点是：
- 可大幅降低能源损耗(不到通常斜盘泵的三分之一)
- 显著增加的响应速度(通常是10倍)
- 显著降低恼人的高频噪音
数字排量泵的每一个柱塞都可以单独工作，当负载需要压力的时候，柱塞就会进入工作状态，而当负载不需要压力时，柱塞就会进入空转状态。你可以根据系统的需要，决定启用哪几个柱塞来进行工作，从而来满足系统需求。
通过电子和数字控制装置来代替传统的机械或液压装置，不仅可以为流量计量、系统控制、自我诊断和自动化带来前所未有的可能性。而且通过远程信息处理，数字排量泵还能够实现实时创建与传输数据。
以传统的16吨挖掘机为基体，用数字排量泵替换了原来的轴向柱塞泵，经过多次现场测试后，发现在标准工作循环过程中，挖机的燃料消耗量减少了16~21％，同时生产率还提高了28％。
丹佛斯独有的数字液压技术在苏格兰已经历经了25年的研发过程，在生产力、响应速度和工作效率等方面，有着其他市场竞争对手无可比拟的优势。
《液压工业4.0》
“中国制造2025”(工业4.0)是国家从制造大国向制造强国迈进的发展战略，而液压工业4.0则是 “中国制造2025”的基础和先行者。目前，我国液压行业还在液压工业2.0“补课”的台阶上，应该在夯实液压工业2.0的基础上仰视液压工业4.0，借助工业4.0技术以 “三步并两步”的措施尽快踏上液压工业4.0的台阶。
本书叙述了 “中国制造2025”下液压行业与液压技术的发展趋势，包括 “中国液压制造2025”的液压智能制造的内涵。中国液压工业智能制造之路与液压工业智能制造实践；详细探讨了工业4.0下液压数字开关元件，包括液压高速开关数字阀研发路线图、产品标准及其设计思路、电控驱动技术及应用拓展；探索了未来智能数字液压元件的创新，包括智能数字液压元件的应用价值、功能与作用、基本工作原理、电控单元(ECU)，建立未来传动与控制大智能互联圈的理念和技术生态环境，以及智能液压元件下的未来概念液压；简述了液压行业智能制造生态系统。
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OEM Off-highway对丹佛斯DDP总监的采访，听听他怎么说DDP
原文发表于：丹佛斯动力系统 微信公众号
伊顿公司很高兴地宣布， CMT片式多路阀正式发布。CMT是CMA数字多路阀产品系列的扩展，它的一个工作片可以同时独立控制两组动作——这在业界尚属首次——不仅提高了设计灵活性，还降低了CMA阀组的尺寸、重量和整体系统成本。
与现有的CMA数字多路阀（工作片也称为CMZ）一样，新发布的CMT也同样可以通过软件配置，具有CAN通信、板载传感器、数字流量共享和电子负载传感(E-LS)功能，可提供精确的流量控制和高响应性。CMT利用和CMA相同的双阀芯结构控制两组动作，实现这两组动作独立工作。这样可以将阀组中所需的工作片数量减少50%，从而最大限度地减少阀组的尺寸和重量。
CMT工作片可与CMA工作片完美叠加，增加了CMA多路阀的设计灵活性。您既可以通过配置CMA实现卓越的控制精度和性能，也可以配置CMT实现常规的功能，以满足车辆的所有要求。
要了解更多关于CMT行走机械阀工作片的信息，请访问：Eaton.com/CMT
CMA典型应用场景：
- 臂架控制
- 钻探/进给控制
- 角度控制/水平
- 回转动作
- 卷扬
CMA行走机械阀：入口片+2片CMT工作片+2片CMA
CMT工作片剖面图：两组阀芯分别控制两组动作
CMA工作片剖面图：两组阀芯配合控制一组动作
伊顿正式发布CMT片式多路阀
CMT典型应用场景：
- 铲斗
- 夹持
- 伸长
- 悬架
- 辅助动作
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在高速开关阀及其系统方面，各个研究机构均提出了很多研究点，但是目前并没有完整的系统解决方案。其形式包括了PWM信号控制的开关阀的流量控制以及多个开关阀组合的形式。如下图所示:
其中，对于单个高速开关阀的PWM控制是通过PWM信号控制高响应频率开关阀的开启和关闭的占空比，来调节阀的输出平均流量，从而实现对输出流量的控制；
对于多个开关阀组合的控制形式，学者们提出了DFCU(digital flow control unit)的概念，其主要是通过在一个阀块上插装多个高速开关阀而实现最终输出调节作用的。
DFCU的概念是由坦佩雷大学和林雪平大学研究开发研究提出的，它是一种基于开关控制技术的数字阀块。油路中并联的多支开关阀（通径可相同也可不同），其系统的最大输出流量等于各个开关阀输出流量总和，通过对各个开关阀状态的编码，可以实现对系统输入及输出的流量进行控制。当系统中有 N 个开关阀组成一个 DFCU 时，理论上有 2N 种不同的输出流量，当需要改变输出流量时，只需要改变阀组的编码信号即可。这是一种将流量由连续变为离散化的液压数字化技术，也是数字液压技术提出的基础。
下图展示的是一种应用多个开关阀组合控制点的方式，对执行机构进行控制的阀控方案。其中控制阀部分由5个开关阀组成。DFCU的控制过程从结果上看，和传统的数字式比例阀很相似。在下图所示的系统中，DFCU的输出是流量大小，也就是液压缸的运动速度。由于开关阀组合带来的离散化特点，是使液压缸的移动速度不能按照定义曲线平稳的运动，这也就是DFCU所带来的一个很重要的问题，就是震动和噪声。
图3：DFCU应用
高速开关阀阀体目前主要采用二位二通阀，也有二位三通阀，但后者的频响有所损失或在流量方面会受到限制。因此，二位二通阀已成为高速开关阀的主要阀种与关注点。液压高速开关阀的设计与常规阀有些异同。由于要追求高频响，因此阀芯的位移比常规阀要小，因此其流量受到较大限制，目前一般在10 L/min 以下。同时，高速开关阀中的电磁执行机构性能提升也是当前和今后发展中不可忽视的领域。
为了在实现多阀组融合技术的基础之上，保留液压阀原本紧凑的结构，微型嵌入式高速开关阀也将作为本技术的研究内容。多个结构相同而开口面积不同的微型嵌入式高速开关阀通过复杂矩阵并联的方式，在实现流量离散化控制的同时，将阀体体积控制最小范围。正是这种高精度的流量阶梯控制，可以完美地拟合比例阀等连续的流量。在能实现流量高精度控制的情况下，高速开关阀简单的结构，超强的抗污染能力，以及较低的制造成本将是比例阀和伺服阀所无法比拟的。
增量式数字阀的研发以日本较为领先，东京计器公司的压力阀、数字流量阀、方向流量控制阀等产品均己投入市场，流量范围为 1～500 L/min，压力最高可达 210 MPa，输入脉冲数为 100～126，其滞环精度和重复特性精度均在 0.1%以下。日本的油研公司、内田油压公司、Danfoss 公司、丰兴工业公司和 URATA，德国 Hauhinco，美国的 Sperry、Vickers 等公司等均已有自己的数字阀产品投放市场。英国、法国、加拿大等也进行了相关研究及应用。
广州机床研究所也已经研制了多种不同规格的增量式流量阀和压力阀，并通过了相关专业鉴定；二十世纪八十年代后期，重庆大学在数字阀方向的研究取得了重大进展，研制出了采用步进电机直接控制的液压气动的组件，后来又开发采用了 PWM（脉宽调制）控制的各种数字液压气动元件；浙江工业大学流体传动与控制实验室的科学研究员多年来始终致力于增量式阀的开发研究，其特点是旋转和轴向运动的双自由度的 2D 增量阀，并成功应用于众多的工程上。
增量式阀的驱动器传统上是旋转式步进电机，但是采用步进电机的增量式数字阀在控制上存在响应速度慢、失步现象严重、工作稳定性较差、无断电自锁等问题，导致步进电机驱动的数字阀无法满足高精度、高可靠性领域的要求而发展缓慢，至今也未形成标准化产品。因此，驱动器性能的提升成为増量式数字阀发展的关键。现有研究出现了采用直线电机、音圈电机、超声电机和永磁同步电机等代替普通步进电机的趋势。
高速开关阀
图2：DFCU结构
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增量控制阀
數字泵（DDP）如何
實現排量控製?
目前大多数移动设备使用的液压泵，是通过用斜盘机构改变柱塞的行程来控制其排量的。 由于斜盘位置不易控制，导致泵的容积效率和机械效率低下，从而造成能量损失。 一种采用数字式排量控制的数字泵，通过使用嵌入式计算机控制的高速开关阀，实时开闭多个径向柱塞腔，就可以克服传统斜盘式泵的限制。
该技术由苏格兰Loanhead的Artemis Intelligent Power Ltd.开发，通过使用液压传动装置替代机械变速箱，实现了可观的节能效果。 优点包括降低能耗，通常不到传统轴向柱塞泵的三分之一；响应时间更短，并消除高频噪音。 例如，当应用于挖掘机时，该技术已经证明节省燃料高达20％，并且生产率提高了近30％。
数字排量泵是一种径向活柱塞泵，其柱塞由凸轮环驱动。每个柱塞腔可以单独打开和关闭，每个柱塞腔都有自己的控制系统：电磁开关阀，单向阀和柱塞位置传感器。当配置为数字式排量泵马达（DDPM）时，每个柱塞腔都有两个电磁阀，该装置可用作泵或马达。这些电磁阀可以在短至30毫秒内打开或关闭，以限制在负载需要时通过每个柱塞腔的流量。实质上，它是一个多阶流量系统，每阶都对应一种输出输出流量。
在轴旋转时，连续地开闭指定的柱塞腔，以满足泵控制器中设定的压力要求。使用中柱塞的数量，方向和尺寸可以有很大不同。一
般配置使用12个柱塞，分为三组，每组四个。而制造商已经建造过一个带有68个柱塞的单元，用于风力涡轮机应用。
DDP和DDPM设计为计算机控制。为了充分利用该技术，必须根据柱塞位置传感器的信号和工作现场的反馈来调整电磁阀的开闭时序。在轴旋转的情况下，如果负载不需要流量，则所有柱塞腔都与外部压力管路隔离，从而产生的损失也最小。从待机状态开始，可以在30毫秒内实现全流量输出，并与工作压力无关。此外，与变速电机+轴向柱塞泵的方案相比，DDP可以使用感应电机和软启动器驱动，从而降低了初始成本。
六柱塞的简化回路图展示了该技术的工作原理。当凸轮旋转时，柱塞交替地被拉入和推出。单向阀将泵的高压区域和低压区域分开，电磁阀打开并关闭低压回路。这允许将每个柱塞腔作为单独的泵源处理。
当没有电磁阀通电时，在凸轮完全旋转期间，低压回路仍然可联通柱塞腔。柱塞简单地将油液循环并返回到低压回路。因为它有效地从回路中隔离出来，所以它需要非常少的能量。在失电情况下，DDP便会进入无流量，低压状态。当电磁阀通电时，柱塞从低压回路吸油，然后排入高压回路。
作为该技术如何工作的一个例子，如果六个活塞中的每个活塞的排量为0.61 in3(10 cm3)，则总排量为3.7 in3(60 cc)。在1800转/分时，流量为28.5加仑/分钟（108升/分钟）。当每个活塞在其控制电磁阀通电时投入使用时，潜在流量增加4.8gpm（18 lpm）。如果工作循环的一部分仅需要14.3加仑/分钟（54 lpm），则只有三个电磁阀可以有规则地通电以产生所需的输出。
电磁阀通电也可以设定不同的时序，使得仅一部分流量被送到高压回路。使用六活塞泵示例，如果流量需求为16.6 gpm（63 lpm），则需要3½活塞的排量。这可以通过激活三个电磁阀以使三个活塞投入使用而一个电磁阀在活塞达到半冲程时关闭通向低压侧的路径来实现。这将导致活塞的一半位移进入高压回路。
另一种方法是在所有电磁阀激活的状态下旋转1,044转后，然后在断电的状态下旋转756转来提供每分钟的平均流量。 如果这种方法引起不需要的压力脉动，则可以通过对六个电磁阀中的每一个进行定时来实现相同的流量，从而通过在冲程的58％处将它们打开来使柱塞每循环仅移位5.8cc。 DDP可以紧密模拟无级变量泵，而不会保持恒定的压力。 无论泵出口处的压力如何，各个柱塞都可以处于入口压力状态。
此外，每个柱塞的输出可以隔离，因此泵可以为多个回路提供流量。 在本例中，可以从一个单独的DDP形成六个单独的功能，每个DDP具有高达4.8gpm（18lpm）的变化流量。
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数字变量泵技术在挖掘机上的应用丨Artemis数字挖掘机
同样基于世界上最大的海上浮动风力涡轮机的关键技术，Artemis智能动力宣布，下一步将在非公路液压设备上进行革命，带来前所未有的数字控制水平和效率。
Artemis正准备将数字泵安装在16T挖掘机上以展示给各大主机厂该技术的燃油经济性和效率优势。
随着由苏格兰企业赞助的DEXTER项目的开展，我们将看到原有的开式泵将被一套串联数字泵所互换取代。
通过对标准的挖掘装载动作周期的前后比较，节能性和操控性将作为这种非公路设备的关键评估因素。
变量泵的研究与发展已经聚焦在了几种常用的结构形式上。非公路方面是斜盘式或斜轴式泵，其设计原理可以追溯到过去的一个多世纪前了。数字泵是一种全新的变量液压泵形式，利用电磁阀单独控制每一个柱塞腔的开关，这些柱塞是通过主轴的旋转来驱动往复运动的。
数字泵的节能和控制优势非常显著，可以实现诊断和集成通信，进入智能的互联时代（工业4.0），数字变量技术创造了数字时代的液压泵。它的嵌入式控制器不断监测柱塞的性能，并可以自动报告系统状态的变化。所有的数据可以远程访问，实现监测和诊断。
数字泵将机械能转化到液压能的峰值效率在93-97%的范围内，这和传统的高质量弯轴型泵是相似的。不同的是，数字泵通过使用电磁阀控制柱塞腔的通断。每个柱塞都有一个单向阀保护，当单向阀未开启时，可以防止系统压力反作用在旋转组件上。在零流量下的保压状态下，整个旋转组件和负载压力是隔离的，从而，在待机状态下的损失约为传统相同排量液压泵的1/10。
结合专用的控制器和泵自身的数字控制特性，数字泵可以响应用户的各种指令。单向阀控制是完全独立于轴的转速和负载压力，这样可以让主机厂商根据自己的需求来优化控制。产品成功与否关键在于其操控性和操作手的感受。数字泵可通过定制的操作策略以适应特定市场的要求，例如，对经济性的优先选择。
数字泵具备准确地控制发动机负荷的能力，以防止掉速和熄火。从长远来看，数字泵技术提供了一种实现混合动力功能的路径，将回转和其他动作的能量回收并储存于蓄能器中。
一个典型的数字泵包含十二个柱塞，每个柱塞腔都可以被视为一个在主控制器控制下的独立泵。这12个独立柱塞腔的内部控制逻辑为，其中3个或者4个柱塞腔可同时联通，实现单独供油。这种供油模式可以用来直接控制独立负载，每个独立供油组可工作在独立的压力流量条件下。这种特征可实现对作动器的直接控制而无需外部的控制阀，从而消除了外部阀上的损失。在非公路领域内，这可实现单一泵来独立供多负载的功能。在成熟的应用中，数字泵与发动机控制器协同工作，以优化在负载变化过程中的瞬态响应，以尽量减少排放，避免熄火。
数字变量技术在2015年荣获英国最负盛名的技术创新奖。由英国皇家工程学院颁发，MacRobert Award认可Artemis的前沿研发和在最大兆瓦级海上风力涡轮机变速器上的示范应用。这种液压传动领域内最先进的技术现在已经推广到了工业领域，并正迅速进入非公路市场。
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进入信息时代后，机电控制技术的数字化成为必然的发展趋势和人们的共识。电机伺服系统随着单片机和大功率器件的发展以及稀土材料的应用在数字化控制方面获得了很大的成功，系统性能得到了极大地提高，一部分原先釆用电液伺服控制系统的机器和设备现在改用电机伺服系统，如小排量汽车（排量升以下）的转向系统和部分注塑机控制系统，挤占了电液控制系统的应用空间。因此，电液伺服控制系统只有不断创新，尤其是通过实现数字化控制提高自身的性能，才能迎接电机伺服系统的挑战。
电液控制系统实现数字控制有间接和直接两种方法。间接的方法是利用计算机通过转换器实现对模拟式电液控制元件（比例阀或伺服阀）的数字控制，但是这种数字控制的意义仅仅在于实现了计算机控制，提高了控制品质和管理水平，但伺服阀和系统本身的性能并没有得到本质地提高和改善。直接的方法则在电液控制系统中应用数字阀。显然，后者是实现电液控制系统数字化更理想的方式，这不仅因为数字阀具有数字控制的一般优点，如无需转换器、信号传递不受外部环境干扰等，更重要的是通过嵌入式数字化控制给电液伺服阀的动静特性的全面提升带来了前所未有的机遇。如何把握这一机遇也成为电液控制技术成功与进一步发展的关键所在。
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1、增量控制实现系统数字化技术简介
增量式阀采用由脉冲数字调制演变而成的增量式控制方式，以步进电机作为电/机转换器，驱动液压阀芯工作。图1是增量式阀的控制方框图。（数字液压阀的发展与研究周棣，王东，首天成）计算机输出的控制脉冲序列经驱动电源放大后，作用于步进电机。步进电机每得到一个脉冲信号，便沿着信号给定的方向转动一个固定的步距角。步进电机转动并经过滚珠丝杠或凸轮使电机的旋转角位移转换为阀芯（或挡板）的直线位移（或偏转角），使阀口开启或关闭。因此，增量阀的控制就在于电-机械转换器的控制。
图1：增量式阀的控制方框图
增量式阀对液压阀部分无特别要求，对液流的控制原理与电液比例阀和普通开关阀类似。因此具有以下优点：
- 灵活、方便、准确的控制能力；
- 结构简单、工艺性好；
- 抗污染能力强、工作可靠；
- 造价低。
这种阀的主要缺点是：
- 受步进电机惯频和矩频特性限制，响应速度较低，频宽较窄；
- 由于电机惯性引起滞后，在启动和停止时会产生失步现象；
- 存在零位死区。分辨率受限制。
图2 是一种用步进电机直接驱动的数字阀结构图。
图2：增量式阀结构图
1-阀套 2-阀芯 3-滚珠丝杠 4-连杆 5-零位移传感器 6-步进电机
2、高速开关实现系统数字化技术简介
增量式数字化想要成为主流，需要扩大其应用领域。但从方向与趋势看高速开关控制更为期待。高速开关式数字液压技术主要存在两个分支，即并行连接技术及开关控制技术。并联系统具有多个并行连接的液压元件，同时其输出是通过改变元件的组合状态来实现对系统的控制。并联控制系统示意图如下图3所示：
图3：并联控制系统示意图
开关控制技术利用单个或几个开关阀进行快速连续的开关切换，调整系统的输出，通常用于高速开关阀的控制方式有PWM控制、PNM控制及PCM控制。开关控制技术原理示意图如下图4所示：
图4：开关控制技术原理示意图
目前基于高速开关阀的液压数字化的研究方向主要集中在数字阀、数字泵、数字液压缸、数字蓄能器等各个数字液压元件的研究，具体研究内容如下表所示：
高速开关式数字液压技术相比较传统液压技术的优势：
- 高速开关式数字液压系统具有更高的鲁棒性，同时开关阀元件相比较比例阀、 伺服阀等液压元件具有更加简单的结构；
- 具有更快速的控制性能；
- 系统具有很高的灵活性，可编程程度更高；
- 液压元件种类单一，可通过控制软件实现不同的系统控制方式。
但是，就目前的研究现状而言，高速开关式数字液压技术研究还存在以下挑战：
- 由于系统大量使用开关阀元件，系统噪音和压力脉动较大；
- 由于大量开关阀的应用，数字液压系统的耐久性和寿命较低；
- 由于系统大量使用开关阀元件，系统的物理尺寸和价格与并联连接技术；
- 系统的控制较复杂、其控制方式属于非常规控制。
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１ 数字液压阀研究现状与发展
如图１所示为现有数字阀产品及分类。从现
有的液压阀元件来看，狭义的数字阀特指由数字 信号控制的开关阀及由开关集成的阀岛元件。广 义的数字阀则包含由数字信号或者数字先导控制 的具有参数反馈和参数控制功能的液压阀。
从数字液压阀的发展历程可以将数字阀的研
究分为两个方向：增量式数字阀与高速开关式数 字阀。增量式数字阀将步进电机与液压阀相结 合，脉冲信号通过驱动器使步进电机动作，步进电 机输出与脉冲数成正比的步距角，再转换成液压 阀阀芯的位移。上世纪末是增量式数字阀发展的
黄金时期，以日本东京计器公司生产的数字调
速阀为代表，国内外很多科研机构与工业界都 相继推出了增量式数字阀产品。然而，受制 于步进电机低频、失步的局限性，增量式数字阀并 非目前研究的热点。
高速开关式数字阀一直在全开或者全闭的工
作状态下，因此压力损失较小、能耗低、对油液污 染不敏感。相对于传统伺服比例阀，高速开关阀 能直接将ＯＮ/ＯＦＦ数字信号转化成流量信号，使 得数字信号直接与液压系统结合。近些年来， 高速开关式数字阀一直是行业研究热点，主要集 中在电－机械执行器、高速开关阀阀体结构优化及 创新、高速开关阀并联阀岛以及高速开关阀新应 用等方面。
图１ 数字液压阀分类
摘 要：作为液压系统中重要的控制元件液压阀负责实现整个系统的控制功能。随着传感器技术和电子技术的发展，数字阀因其更容易实现计算机控制而日益受到研究者的重视。本文综述了国内外数字液压阀的发展历程、研究现状及应用领域。通过回顾液压阀的控制方式，讨论了新的液压控制技术在数字阀领域的应用。并以可编程阀控单元为例说明了广义数字阀的技术特点。最后，对数字阀的发展前景进行了预测，模块化、高响应、高效率是今后发展的方向。
数字液压阀及其阀控系统发展和展望
２ 数字阀控制技术-负载口独立控制系统
负载口独立控制系统，如图2所示，其优点主要体现在：负载口独立系统进出口阀芯可以分别控制，因此可以通过增大出口阀阀口开度，降低背腔压力，以减小节流损失；由于控制的自由度增加，可根据负载工况实时修改控制策略，所有工作点均可达到最佳控制性能与节能效果；使用负载口独立控制液压阀可以方便替代多种阀的功能，使得液压系统中使用的阀种类减少。
电液比例控制技术、电液负载敏感技术、电液流量匹配控制技术与负载口独立控制技术的研究和应用进一步提高了液压阀的控制精度和节能性。数字液压阀的发展必然会与这些阀控技术相结合以提高控制的精确性和灵活性。
３ 可编程阀控单元
以高速开关阀为代表的数字流量控制技术采
用数字信号控制阀或者阀组，使得阀控系统输出与控制信号相应的离散流量。高速开关阀只有全开和全关两种状态，节流损失大大减小；增加了控制的灵活性和功能性；阀口开度固定，对油液污染的敏感度降低。
伊顿公司开发的ZTS16系列多路阀，额定压力是35MPa，单片流量为130L/min， 单个阀最多包含6片阀，12个阀芯，如图3所 示。采用CAN总线进行通讯，每片阀自带DPS数字信号处理器完成信号的采集与上位机信号的 处理，生成相应的PWM数字信号，直接驱动先导 音圈电机工作。该阀每个工作油口自带溅射薄膜压力传感器，每个阀芯装有LVDT位移传感器， 能够将工作油口的压力流量情况实时的反馈至DSP，实现压力流量的完全可控。该阀采用负载
口独立控制技术，使得执行器的动作更加灵活。阀的功能完全通过编程来实现，不用添加其他压 力补偿元件或者先导回路即可实现压力控制或者流量控制及工作模式的切换。对于多执行器的应用场合，可以通过程序实现负载敏感和三种抗流 量饱和的方案。目前已在JCB、Deere、DAWOO、CASE等公司的挖掘机、叉车和装载机上示范应用。
４ 总结与展望
液压阀的发展从最开始手动控制只有油路切换功能的液压阀到 采用数字信号能够进行压力流量闭环控制的可编 程阀再到流量离散化的数字阀，这些元件的产生 是液压、机械、电子、材料、控制等学科交叉发展的 结果。而液压阀的智能化与数字化又增进了工业 设备及工程机械的自动化、控制智能化、能量利用效率。
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阅读原文
图2 负载口独立控制系统原理图
图3 伊顿公司的ZTS16系列多路阀
Q1：数字化如何使行走机械受益？
AF：首先，我们必须明确对数字化的理解。数字化并不只是简单地将印刷的机器技术规定或手册转换成PDF格式的文件，并提供下载使用，而是直接从挖掘机、拖拉机、叉车等机械设备中获取相关信息，并对其加以利用。
Q2：数字化过程中，哪些因素特别适用于行走机械？
AF：行走机械，如拖拉机，种类繁多，结构复杂。数字化可以帮助制造商设法解决多样性和复杂性这些问题。
这些因素中包括对定位技术的需求 (GPS 和 ‘精确GPS’)。当然还包括互联。行走机械需要无线收集和传输性能数据 – 这是它们与固定设备有很大区别的地方。
Q3：大型设备制造商在这一领域取得了哪些进展？他们是否已经看到了数字化的商业利益？小型设备制造商也能从数字化的进程中受益吗？
AF：受益的不仅只是设备制造商。机器操作人员–农民，建筑团队，筑路工人也都受益，但是这主要取决于解决方案是否成功。这在车队管理、预测性维护以及其他方面也是如此。设备制造商本身受益于能够使最终用户获得优势的独特卖点。
按照这种最终用户逻辑，我不想区分为“大”和“小”型设备制造商，而是区分为专门的流程解决方案和通用的应用。行走机械行业下面还有自己的分类 – 例如，在农业机械中，有葡萄园拖拉机和收割机的专门制造商。这些专门制造商能够利用这种技术来建立专门适用于他们所服务的市场的独特卖点，收集、交流和增加工作流程中的数据价值。
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Q4：他们的供应商会提供什么样的帮助？
AF：像博世力士乐这样的供应商提供的帮助方式是很灵活的。例如，对于这种新技术，我们提供帮助的一种新方法是提供给用户完整的数字档案。我们自己也确实提供给了他们。
现今，几乎所有的设备制造商 (大型或小型) 都拥有这样的数字档案。虽然他们几乎没有任何人对他们的解决方案完全满意，但是他们也不愿意完全倒向新的解决方案当中。相反，他们期待一种单个的设备，例如一个可以互联的设备。因此，像我们这样的供应商有责任将我们的数字档案不是作为一个整体系统，而是作为一个基于开放系统的模块套件提供给用户 – 这样一来，设备制造商就可以根据实际需求来选择他们需要的东西，并且他们知道如何将其融合进自己的装置当中。
Q5：博世力士乐的独家解决方案有哪些优势？
AF：简而言之，我们的产品策略 (不仅仅是数字化) 包含三个原则。
1、可扩展性
我们的产品完全可以配置。这样我们就可避免标准货架产品的局限性。另一方面，我们不必从大量的部件中从头开始创建每一个产品。例如，电子控制单元可以提供一定数量的输入/输出点–用户可以在线配置，以满足各种测量要求和控制设备动作。
2、开放性
同样有两个极端：一个是固定用户的专有系统；另一个是提供完全开放源的库，这需要花费时间和精力进行系统维护和知识产权保护。我们的方法是在开放标准的基础上创建基础解决方案，目的是为客户提供方便。
3、便利性
对于操作员来说，通过减少选项和设置参数的数量，可以使复杂的系统得以简化。这是一种“傻瓜式”的系统。在这里的挑战在于简化的同时并保持操作的直观性和功能的多样性。我们采用一种被称为“智能抽象化”的方法来实现这一目标。这是一种使用基于物理操作参数和先进控制理论而不降低系统对不同应用和不同环境要求的适应性方法。
数字化意味着直接从机械设备收集和提取信息，然后将其与从工厂和设计部门获得的生产和产品数据相联系，进行分析和利用。数字化和工业4.0，物联网，云平台等都息息相关。
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关键词：液压工业4.0 数字化 互联液压 大数据 智能元件 IIoT 智能制造
"数智化"
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专注液气企业发展需求
掌灯指引企业数智发展之路
构建数智化最新成果与创新思想交融平台
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