Điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM) cho van và xi lanh

Điều khiển PWM cho van khí nén sử dụng các xung điện được định thời, nhưng các xung này có thể phục vụ hai mục đích khác nhau. Bộ điều khiển dòng điện có thể đóng ngắt dòng qua cuộn dây trong khi van vẫn mở về mặt cơ khí. Hoặc một van đóng-mở nhanh có thể thực sự mở và đóng ở mỗi chu kỳ PWM để điều chỉnh lưu lượng hoặc áp suất trung bình. Nhầm lẫn hai chế độ này có thể làm cuộn dây quá nhiệt, khiến dải chu kỳ tác vụ không thể sử dụng hoặc làm van mòn sớm.

SMC công bố tần số vận hành tối đa 5 hoặc 10 Hz cho hai model van SY hai vị trí được trích dẫn. Festo công bố 500 hoặc 1000 Hz cho một số van MHJ9 chuyển mạch nhanh trong các điều kiện điện, áp suất, lắp đặt và nhiệt độ đã nêu. Vì vậy, tần số PWM là giới hạn kỹ thuật riêng theo từng model, không phải một cài đặt chung 50-200 Hz (catalog SMC SY; datasheet Festo MHJ9).

Điểm chính cần nhớ

Trước hết hãy xác định PWM điều chỉnh dòng cuộn dây hay làm đóng-mở đường khí về mặt cơ khí.

Chu kỳ tác vụ được lệnh không tự động bằng chu kỳ tác vụ của vị trí van hoặc tỷ lệ lưu lượng.

Thời gian mở và đóng quyết định cửa sổ chu kỳ tác vụ có thể sử dụng ở từng tần số.

Trước khi vận hành liên tục, hãy xác nhận dòng bộ điều khiển, giới hạn điện áp, nhiệt độ cuộn dây, tuổi thọ van, áp suất và tín hiệu phản hồi.

Chứng minh tốc độ, lực, vị trí và mức tiêu thụ khí bằng các phép đo đồng bộ trên mạch đã phát hành.

PWM thực sự điều khiển điều gì trong van khí nén?

DRV110 của Texas Instruments áp dụng dòng đỉnh, giữ dòng này trong một khoảng thời gian đặt trước, sau đó điều chỉnh dòng giữ thấp hơn bằng PWM trong khi tín hiệu cho phép vẫn ở mức cao. Trình tự đó điều khiển dòng điện và nhiệt của cuộn solenoid; nó không ra lệnh cho van mở và đóng ở mỗi chu kỳ PWM nội bộ (datasheet TI DRV110).

PWM dòng cuộn dây là phương pháp điều khiển công suất điện. Bộ điều khiển cấp đủ dòng để hút phần ứng hoặc dịch chuyển tầng pilot, sau đó giảm dòng xuống mức cần thiết để giữ van ở trạng thái tác động. Việc chuyển mạch diễn ra bên trong vòng điều khiển dòng. Van cơ khí thường giữ nguyên một trạng thái đã lệnh cho đến khi tín hiệu cho phép thay đổi.

PWM van cơ khí ra lệnh cho một van đóng-mở tương thích mở và đóng trong mỗi chu kỳ điều khiển. Thay đổi phần thời gian mở sẽ thay đổi lưu lượng khối lượng trung bình hoặc diễn biến áp suất trong buồng. Đây là chế độ được dùng khi một nhóm van kỹ thuật số thay thế một số chức năng của van tỷ lệ.

Sự phân biệt này quyết định ý nghĩa của chu kỳ tác vụ:

Vị trí PWM	Thứ chuyển mạch ở mỗi chu kỳ PWM	Mục tiêu chính	Giới hạn chính
Bộ điều khiển dòng solenoid	MOSFET và dòng cuộn dây	Giảm công suất giữ và nhiệt độ cuộn dây	Dòng đỉnh, dòng giữ, điện cảm, mạch kẹp, định mức bộ điều khiển
Điều khiển đóng-mở cơ khí	Poppet, pít-tông hoặc con trượt cùng đường khí	Điều chỉnh lưu lượng trung bình hoặc áp suất buồng	Thời gian mở, thời gian đóng, tần số định mức, tuổi thọ, áp suất, nhiệt độ
Lệnh PLC tới van thông minh	Điện tử van diễn giải đầu vào kỹ thuật số	Chức năng công suất hoặc lưu lượng theo model	Thông số đầu vào chính xác và cấu hình của nhà sản xuất

Đừng suy ra chế độ chỉ từ từ “PWM”. Hãy đọc tài liệu của van và bộ điều khiển. Chuỗi xung PLC nối vào một van đảo chiều thông thường không tương đương với PWM dòng nội bộ của bộ điều khiển kiểu đỉnh-và-giữ, và cả hai cũng không mặc nhiên tương đương với lệnh van tỷ lệ.

Để xem cơ bản về hoạt động của cuộn dây, pilot, con trượt và cửa van, hãy đọc hướng dẫn van solenoid khí nén. Bài này tập trung vào định thời PWM, truyền động điện và đáp ứng của xi lanh.

DRV110 của TI minh họa điều khiển dòng kiểu đỉnh-và-giữ. PWM cơ khí cần một van được định mức rõ ràng cho tần số chuyển mạch đã lệnh.

Vì sao không có tần số PWM dùng chung cho mọi van?

SMC quy định tối đa 10 Hz cho các van SY3000 hai vị trí được trích dẫn và 5 Hz cho các phiên bản SY5000, SY7000 và SY9000 lớn hơn. Các biến thể MHJ9 chuyên dụng của Festo công bố 500 hoặc 1000 Hz, kèm dữ liệu chuyển mạch dưới một mili giây trong các điều kiện chọn lọc. Tần số đúng phải bắt đầu từ đúng mã linh kiện (SMC; Festo).

Chu kỳ tác vụ PWM $D$ và tần số $f$ được xác định bởi thời gian bật $t_{\mathrm{on}}$ , thời gian tắt $t_{\mathrm{off}}$ và chu kỳ $T$ :

D = \frac{t_{\mathrm{on}}}{T} \qquad f = \frac{1}{T}

Đối với van phải đạt cả hai trạng thái cuối trong mỗi chu kỳ, các khoảng thời gian được lệnh phải dài hơn thời gian mở và đóng đã xác minh:

t_{\mathrm{on}} = DT \geq t_{\mathrm{open}} \qquad t_{\mathrm{off}} = (1-D)T \geq t_{\mathrm{close}}

Dải có thể sử dụng trong bước sàng lọc đầu tiên tương ứng là:

D_{\min} = \frac{t_{\mathrm{open}}}{T} \qquad D_{\max} = 1 - \frac{t_{\mathrm{close}}}{T}

Các ranh giới này chỉ dùng để sàng lọc, không phải hiệu chuẩn cuối cùng. Độ trễ mở, hành trình phần ứng, quá trình tăng áp pilot, chuyển động poppet và thời điểm hình thành lưu lượng có thể khác nhau. Đóng van cũng có độ trễ và thời gian hành trình riêng. Một nghiên cứu điều khiển áp suất khí nén năm 2023 đã phân biệt chu kỳ tác vụ của lệnh với chu kỳ tác vụ hiệu dụng của poppet và cho thấy động lực học mở-đóng không đối xứng làm thay đổi hiệu suất lưu lượng trung bình (de Carvalho và cộng sự).

Chọn tần số là bài toán định thời ba chiều. Chu kỳ phải đủ dài để van chuyển động có ích, đủ ngắn để buồng được điều khiển lấy trung bình các xung, đồng thời tách khỏi cộng hưởng của máy hoặc sai số lấy mẫu. Tăng tần số có thể giảm gợn áp suất nhưng đồng thời thu hẹp cửa sổ chu kỳ tác vụ có thể dùng và tăng số lần chuyển mạch.

Festo cũng nêu rằng tần số tối đa có thể đạt được giảm khi nhiệt độ van hoặc môi trường tăng. Các giá trị được trích dẫn yêu cầu điện tử cáp và điều kiện vận hành đã chỉ định. Vì vậy, giá trị tối đa trong datasheet không phải cài đặt liên tục được khuyến nghị cho mọi manifold, bố trí áp suất, cách lắp hoặc nhiệt độ môi trường.

Chu kỳ tác vụ ảnh hưởng đến lưu lượng, áp suất, tốc độ và lực như thế nào?

Một thử nghiệm điều khiển lực điện-khí nén năm 2019 sử dụng bốn van đóng-mở và xây dựng quan hệ giữa chu kỳ tác vụ với lưu lượng từ dữ liệu chênh áp và lưu lượng kế đo được. Cách này có cơ sở hơn việc giả định lệnh 60% tạo ra lưu lượng 60%, vì hàm truyền bao gồm thời gian chết của van, tỷ số áp suất và dòng chảy nén phi tuyến (nghiên cứu Energies).

Lưu lượng khối lượng trung bình trong một chu kỳ là:

\dot m_{\mathrm{avg}} = \frac{1}{T}\int_0^T \dot m(t)\,\mathrm{d}t

Chỉ trong các điều kiện hạn chế biểu thức này mới rút gọn thành một hệ số nhân đơn giản của chu kỳ tác vụ. Van phải đạt các trạng thái lặp lại được, độ trễ mở và đóng phải không đáng kể hoặc đã được bù, đồng thời áp suất phía trước và phía sau phải đủ ổn định trong chu kỳ. Buồng xi lanh khí nén hiếm khi đáp ứng đủ mọi điều kiện đó trên toàn bộ hành trình.

Áp suất thay đổi theo thể tích buồng, khối lượng, nhiệt độ, vị trí piston, tải và trạng thái xả. Sau đó tốc độ phụ thuộc vào lực thuần và toàn bộ đường cấp-xả. Chu kỳ tác vụ PWM thấp hơn có thể làm giảm tốc độ tăng áp trong khi chuyển động, nên nó ảnh hưởng đến cả lực gia tốc sẵn có lẫn tốc độ. Lực lý thuyết đầy đủ chỉ được khôi phục nếu buồng cuối cùng đạt áp suất cần thiết và buồng đối diện xả đủ tốt.

Đại lượng	Vì sao riêng chu kỳ tác vụ không dự đoán được	Phép đo cần thiết
Lưu lượng khối lượng trung bình	Động lực học van và tỷ số áp suất định hình lại từng xung	Áp suất phía trước, áp suất phía sau, nhiệt độ, lưu lượng đã hiệu chuẩn
Áp suất buồng	Thể tích và lưu lượng khối lượng thuần thay đổi theo vị trí piston	Áp suất tại cả hai cổng xi lanh đồng bộ với vị trí
Tốc độ xi lanh	Lực thuần, tải, ma sát, khả năng lưu lượng và xả tương tác với nhau	Vận tốc suy ra từ vị trí cùng các đường áp suất
Lực đầu ra	Áp suất nạp và áp suất ngược xả cùng tác dụng lên diện tích piston	Áp suất cả hai buồng, diện tích, gia tốc, tải ngoài
Mức tiêu thụ khí	Lưu lượng xung và lượng khí nạp cho toàn bộ hành trình không phải cùng một phép tính	Lượng khí tự do đo được trong các chu kỳ sản xuất giống nhau

ISO 6358-1 quy định các phép thử trạng thái ổn định cho đặc tính lưu lượng của linh kiện khí nén. Phương pháp này không áp dụng cho xi lanh hoặc bình tích năng trao đổi năng lượng với lưu chất. Hãy dùng dữ liệu ISO 6358 của van đã chọn làm đầu vào, sau đó xác nhận động lực học trên mạch PWM đã lắp (ISO 6358-1:2013).

Hướng dẫn chọn kích thước van điều khiển lưu lượng khí nén trình bày khả năng của van và đường khí. Hướng dẫn điều khiển tính nén được của không khí giải thích vì sao buồng khí không phản ứng như một phần tử lấy trung bình của lưu chất không nén.

Cần mạch van và tín hiệu phản hồi nào?

Một nghiên cứu bộ chấp hành mềm năm 2022 dùng một van đóng-mở 3/2, một bình thu và phản hồi áp suất ở 40 Hz. Một hệ thống bám lực riêng năm 2019 dùng bốn van đóng-mở và đo quan hệ giữa chu kỳ tác vụ, chênh áp và lưu lượng. Đó là các kiến trúc điều khiển cụ thể, không phải bằng chứng rằng một đầu ra PWM có thể định vị mọi xi lanh tác động kép (Frontiers; Energies).

Hãy chọn topology đường khí từ đại lượng cần điều khiển và trạng thái an toàn:

Một van 3/2: phù hợp để nạp và xả một thể tích đàn hồi khi trạng thái mất điện tạo ra đặc tính xả cần thiết.
Hai van 3/2 cho mỗi buồng: cấp và xả có thể được lệnh riêng, nhưng phần mềm phải ngăn các đường khí ngoài ý muốn mở đồng thời.
Bốn van đóng-mở: điều khiển riêng nạp và xả cho cả hai buồng xi lanh, hỗ trợ nhiều chế độ hơn nhưng đổi lại là dây dẫn, số lần chuyển mạch và độ phức tạp lỗi cao hơn.
Một van 5/2: đổi hướng nhưng thường không cung cấp điều khiển xung nạp và xả độc lập cho từng buồng.
Một van 5/3: thêm trạng thái trung tâm, nhưng trung tâm đóng không bảo đảm giữ vị trí cứng vì không khí nén được và vẫn có rò rỉ.

PWM vòng hở có thể tạo biên dạng hành trình lặp lại được khi tải, nguồn cấp, ma sát và nhiệt độ được kiểm soát. Điều khiển vòng kín về tốc độ, áp suất, lực hoặc vị trí cần cảm biến đo đúng đại lượng được điều khiển. Một lệnh van chỉ xác nhận bộ điều khiển đã phát xung.

Phản hồi nên đo kết quả thực tế mà máy được lệnh đạt. Điện tử van, topology đường khí và cách lắp xi lanh vẫn là các lớp xác minh riêng.

Hãy xác định hành vi khi lỗi trước khi tinh chỉnh. Cần biết điều gì xảy ra khi bộ điều khiển khởi động lại, mất cảm biến, van kẹt, đứt dây, áp suất pilot thấp, xả bị tắc và dừng khẩn cấp. PWM không được bỏ qua kiến trúc an toàn đã phê duyệt của máy hoặc biến van đảo chiều thành thiết bị giữ tải chưa được xác minh.

Yêu cầu đối với bộ điều khiển solenoid và mạch kẹp điện áp

DRV110 của TI điều chỉnh dòng đỉnh trong khoảng thời gian giữ đã cấu hình trước khi giảm xuống dòng giữ. Trong một so sánh bộ điều khiển solenoid riêng, TI đo được thời gian nhả khoảng 10 ms với mạch tự do dòng và khoảng 3.5 ms với mạch kẹp điện áp cao hơn trên phần cứng ví dụ. Vì vậy, lựa chọn mạch dập xung ảnh hưởng đến thời gian nhả (DRV110; ghi chú bộ điều khiển solenoid TI).

PLC hoặc vi điều khiển không nên điều khiển trực tiếp cuộn van trừ khi đầu ra của nó được định mức rõ ràng cho tải và phương pháp chuyển mạch đó. Hãy xác nhận:

dung sai điện áp cuộn dây và điện trở nguội/nóng;
dòng đỉnh, dòng giữ, dòng khởi động và dòng trung bình;
dòng đầu ra transistor, điện áp, tốc độ chuyển mạch và giới hạn nhiệt;
cách ly galvanic và yêu cầu dùng chung điểm tham chiếu;
điện áp, dòng, tổn hao chuyển mạch và vùng vận hành an toàn của MOSFET;
chiều dài cáp, định mức đầu nối, EMC và nối đất;
điện áp mạch dập hoặc kẹp so với cả định mức bộ điều khiển lẫn cách điện cuộn dây;
cực tính, LED, điện tử tiết kiệm điện và mạch dập xung theo đúng van.

Một diode mắc trực tiếp song song với cuộn DC tạo đường tự do dòng ở điện áp thấp. Cách này bảo vệ công tắc, nhưng điện áp tuần hoàn thấp khiến dòng suy giảm chậm. TVS, Zener, mạch kẹp chủ động hoặc chế độ tuần hoàn dòng của bộ điều khiển có thể nhả phần ứng nhanh hơn bằng cách cho phép điện áp cao hơn nhưng được kiểm soát. Điện áp kẹp cao hơn cũng làm tăng ứng suất lên bán dẫn và cách điện. Hãy dùng mạch được nhà sản xuất van và bộ điều khiển phê duyệt thay vì chọn mạch kẹp chỉ dựa trên tốc độ.

PWM dòng cuộn dây cần phản hồi dòng hoặc thiết kế bộ điều khiển đã được xác nhận. Điện trở cuộn dây tăng theo nhiệt độ, điện áp nguồn thay đổi và điện cảm đổi theo vị trí phần ứng. Chu kỳ tác vụ điện áp thô không thể bảo đảm cùng một dòng hút hoặc dòng giữ trong mọi trạng thái.

Với van thông minh có mạch dập xung hoặc điện tử tiết kiệm điện tích hợp, đừng thêm mạch kẹp ngoài cho đến khi nhà sản xuất xác nhận tương thích. Ví dụ, catalog SMC SY cho thấy thời gian đáp ứng khác nhau giữa các tùy chọn dập xung trên các model đã thử. Thay đổi dây nối có thể làm thay đổi chính thời gian nhả mà chiến lược điều khiển dựa vào.

Chuyển mạch PWM ảnh hưởng thế nào đến tuổi thọ và nhiệt độ van?

Festo liên hệ nhiệt độ môi trường cho phép của MHJ9 với tần số chuyển mạch và yêu cầu điện tử cáp kết nối đã chỉ định cho các giá trị công bố. SMC công bố tần số vận hành tối đa theo model SY và số vị trí van. Không nguồn nào ủng hộ việc suy ra tuổi thọ PWM liên tục từ một tuyên bố chung kiểu “hàng triệu chu kỳ” (Festo; SMC).

Khi một van cơ khí hoàn tất một lần tác động mở-đóng trong mỗi chu kỳ PWM, số giờ vận hành lý tưởng tương ứng với số chu kỳ định mức $N_r$ là:

L_h = \frac{N_r}{3600f}

Đây là phép tính lập lịch, không phải dự báo tuổi thọ sử dụng. Nếu một van giả định được định mức 10 triệu chu kỳ và chuyển mạch cơ khí liên tục ở 50 Hz, phép tính cho khoảng 55.6 giờ. Việc xác nhận thực tế phải dùng định nghĩa chu kỳ, áp suất, nhiệt độ, lọc, bôi trơn, lắp đặt, truyền động điện và tiêu chí hỏng của nhà sản xuất.

Khả năng chuyển mạch tần số cao và tuổi thọ ứng dụng dài là hai thông số khác nhau. Một van có thể đáp ứng một đợt ngắn ở tần số cao nhưng không phù hợp với PWM sản xuất liên tục. Ngược lại, van đảo chiều tuổi thọ dài vẫn có thể có thời gian đáp ứng và giới hạn tần số khiến cửa sổ chu kỳ tác vụ hiệu dụng quá hẹp để điều chế hữu ích.

Hãy ghi nhiệt độ cuộn dây hoặc vỏ van khi chu kỳ tác vụ đã ổn định, không chỉ trong một thử nghiệm bệ ngắn. Kiểm tra cả cách lắp từng van và trên manifold vì các cuộn dây bên cạnh đang có điện làm thay đổi khả năng tản nhiệt. Lặp lại ở nhiệt độ môi trường và nhiệt độ lưu chất cao nhất được quy định cho máy.

Mức tiêu thụ khí cũng cần phép đo A/B. So sánh công việc sản xuất giống hệt nhau: cùng tải, hành trình, số chu kỳ, yêu cầu áp suất, trạng thái chờ, sản lượng và chuyển động chấp nhận được. Chỉ riêng chu kỳ tác vụ thấp hơn không chứng minh tiết kiệm năng lượng, và bộ điều khiển tốc độ meter-out thông thường không liên tục xả khí khi xi lanh dừng.

Phương pháp chạy thử xi lanh được điều khiển bằng PWM

Nghiên cứu điều khiển áp suất năm 2023 yêu cầu thời gian bật dài hơn thời gian mở van và thời gian tắt dài hơn thời gian đóng trước khi xác định dải chu kỳ tác vụ có thể sử dụng. Chu kỳ tác vụ hiệu dụng của poppet cũng phụ thuộc vào sự không đối xứng khi mở và đóng. Vì vậy, chạy thử nên bắt đầu bằng dữ liệu chuyển động của van và áp suất, không phải một lệnh mặc định 50% (de Carvalho và cộng sự).

Nhận diện mọi linh kiện. Ghi lại đầy đủ mã van, cuộn dây, đầu nối, mạch dập, bộ điều khiển, manifold, xi lanh, cảm biến và đầu ra bộ điều khiển.
Xác nhận an toàn và chức năng tĩnh. Kiểm tra đường khí khi mất điện, hành vi dừng khẩn, giữ tải, cô lập nguồn và cơ cấu chỉnh tay trước khi chuyển mạch lặp lại.
Đo từng lần chuyển trạng thái. Ghi lệnh, dòng cuộn dây, bằng chứng trạng thái van, áp suất tại cổng xi lanh và vị trí trong một sự kiện mở và một sự kiện đóng.
Thiết lập xung tối thiểu. Tăng thời gian bật và tắt từ các giá trị an toàn cho đến khi van đạt trạng thái lặp lại được ở áp suất và nhiệt độ yêu cầu.
Chọn tần số thận trọng. Giữ lệnh trong giới hạn tần số tối đa và nhiệt của model, đồng thời duy trì cửa sổ chu kỳ tác vụ có thể dùng.
Lập bản đồ chu kỳ tác vụ theo cả hai hướng. Đo thay đổi lưu lượng hoặc áp suất buồng thay vì giả định tuyến tính. Ghi vùng chết và độ trễ.
Đóng vòng điều khiển nếu cần. Tinh chỉnh phản hồi áp suất, tốc độ, lực hoặc vị trí dựa trên bản đồ truyền đạt đã đo và tần số lấy mẫu đã nêu.
Chạy đủ chu kỳ tác vụ. Xác nhận nhiệt độ, số lần chuyển mạch, áp suất cấp, áp suất xả, gợn chuyển động, vị trí, biên lực, rò rỉ và mức tiêu thụ khí.
Thử lỗi. Mô phỏng các lỗi cảm biến, van, nguồn khí và bộ điều khiển được phép theo quy trình an toàn của máy.

Theo kinh nghiệm của chúng tôi, bản ghi chạy thử có giá trị nhất thường đặt lệnh, dòng cuộn dây, áp suất tại cả hai cổng xi lanh và vị trí trên cùng một trục thời gian. Nó tách một xung điện không làm van chuyển động khỏi một xung van đã di chuyển khí nhưng không thắng được tải, ma sát, hạn chế xả hoặc tính nén được của buồng.

Hãy viết tiêu chí nghiệm thu trước khi tinh chỉnh. Các tiêu chí hữu ích gồm nhiệt độ cuộn dây tối đa, gợn áp suất, độ dao động vận tốc, độ trễ chuyển động đầu tiên, hành vi cuối hành trình, sai số dừng, số lần chuyển mạch trong mỗi chu kỳ sản xuất, lượng khí tự do trên mỗi sản phẩm đạt và chuyển động khi lỗi.

Đừng dùng Công cụ tính mức tiêu thụ khí để tuyên bố PWM tiết kiệm khí chỉ từ chu kỳ tác vụ. Công cụ này có thể ước tính nhu cầu hình học thông thường của xi lanh, nhưng cần lưu lượng xung đo được để so sánh PWM. Vì vậy bài viết tập trung vào điều khiển này không chèn thẻ máy tính.

Khi nào nên dùng PWM thay cho van tỷ lệ?

Thử nghiệm điều khiển lực năm 2019 đạt các kết quả được báo cáo bằng bốn van đóng-mở, dữ liệu lưu lượng đo được, phản hồi áp suất và một phương pháp điều khiển đã khớp. Hệ thống hoàn chỉnh đó khác đáng kể so với việc thêm PWM vào một van đảo chiều tiêu chuẩn. PWM trở nên đáng cân nhắc khi van nhanh tương thích và phản hồi đủ tốt biện minh cho công sức kỹ thuật (Energies).

Nhu cầu ứng dụng	PWM cơ khí với van đóng-mở	Van tỷ lệ	Điều khiển lưu lượng thông thường
Tốc độ xi lanh cố định từ đầu đến cuối	Thường không cần	Thường không cần	Thường là lựa chọn đơn giản nhất
Biên dạng tốc độ theo công thức	Có thể với van định mức và đã xác nhận	Lệnh biến thiên trực tiếp	Điều chỉnh thủ công hoặc giới hạn
Điều khiển áp suất buồng	Có thể với topology nạp/xả và phản hồi	Giải pháp phổ biến có phản hồi	Không được thiết kế để điều khiển áp suất chủ động
Định vị trung gian	Cần phản hồi, topology phù hợp và tinh chỉnh	Cần phản hồi và tinh chỉnh	Nhìn chung không phù hợp
Nhu cầu chuyển mạch rất cao	Cần van nhanh chuyên dụng	Phụ thuộc van	Không áp dụng
Độ phức tạp phần mềm thấp nhất	Không phù hợp	Tốt hơn khi giao diện bộ điều khiển được hỗ trợ	Phù hợp nhất với điều chỉnh cố định
Đường khí an toàn xác định rõ	Phải thiết kế trên tất cả van kỹ thuật số	Phải thiết kế cho van đã chọn	Do mạch van đảo chiều quyết định

Hãy chọn PWM khi van được định mức rõ cho nhiệm vụ chuyển mạch, bộ điều khiển có thể phát và giám sát xung, và hiệu suất đo được biện minh cho số lần chuyển mạch bổ sung. Chọn van tỷ lệ khi lệnh liên tục, dải lưu lượng điều khiển rộng hơn, điện tử tích hợp hoặc tinh chỉnh đơn giản hơn có giá trị hơn. Dùng hướng dẫn van điều khiển lưu lượng tỷ lệ cho kiến trúc đó.

Với xi lanh chạy tốc độ cố định đơn giản, điều khiển lưu lượng meter-out có thể vẫn là câu trả lời tốt hơn. PWM nên giải quyết một vấn đề cụ thể về áp suất, tốc độ, lực hoặc vị trí. Không nên thêm PWM chỉ vì PLC có đầu ra xung.

Thông tin nhà xuất bản và kênh tiếp nhận sửa chữa kỹ thuật có trên trang Giới thiệu và Liên hệ.

Câu hỏi thường gặp về van và xi lanh khí nén PWM

Các model SY tiêu chuẩn được trích dẫn của SMC có tần số vận hành tối đa 5-10 Hz, trong khi các biến thể MHJ9 chuyển mạch nhanh chuyên dụng của Festo có 500-1000 Hz trong điều kiện đã chỉ định. Vì vậy, các câu trả lời dưới đây dùng dữ liệu riêng theo model về đáp ứng, bộ điều khiển, áp suất, nhiệt độ và tuổi thọ thay vì khuyến nghị một tần số cho mọi van khí nén (SMC; Festo).

Mọi van solenoid khí nén tiêu chuẩn có điều khiển được bằng PWM không?

Không. PWM dòng cuộn dây có thể thực hiện được với bộ điều khiển đỉnh-và-giữ đã xác nhận, nhưng PWM cơ khí cần van được định mức cho tần số chuyển mạch, chu kỳ tác vụ, áp suất, nhiệt độ, cách lắp và tuổi thọ đã lệnh. Điện tử tích hợp cũng có thể từ chối hoặc diễn giải lại xung. Hãy xác nhận đầy đủ mã van và đầu nối trước khi thử.

Nên dùng tần số PWM nào cho xi lanh khí nén?

Hãy bắt đầu từ tần số tối đa và thời gian mở, đóng đã đo của đúng van, không phải một con số chung. Chọn chu kỳ vẫn giữ được thời gian bật và tắt hữu ích, tạo gợn buồng chấp nhận được, tránh cộng hưởng liên quan và nằm trong giới hạn nhiệt, tuổi thọ. Xác nhận giá trị cuối trên mạch đã lắp.

Chu kỳ tác vụ 50% có tạo ra 50% lưu lượng van không?

Không nhất thiết. Chu kỳ tác vụ của lệnh khác chu kỳ tác vụ hiệu dụng của poppet khi độ trễ mở và đóng đáng kể hoặc không đối xứng. Dòng khí nén được cũng thay đổi theo áp suất phía trước và phía sau. Hãy lập bản đồ đo được giữa chu kỳ tác vụ với lưu lượng hoặc áp suất trên dải ứng dụng trước khi dùng chu kỳ tác vụ làm biến điều khiển.

PWM có thể giữ xi lanh khí nén ở giữa hành trình không?

Chỉ PWM không thể bảo đảm giữ vị trí. Định vị trung gian cần topology nạp và xả phù hợp, phản hồi vị trí, bộ điều khiển và hành vi tải đã xác nhận. Tính nén được của không khí, rò rỉ, ma sát phớt, thay đổi nguồn cấp và lực bên ngoài vẫn tác động. Khi mất vị trí gây rủi ro, hãy dùng khóa cơ khí hoặc giải pháp có cấp an toàn phù hợp.

PWM có luôn làm giảm mức tiêu thụ khí nén không?

Không. Mức tiết kiệm phụ thuộc vào mạch trước đó, chuyển động cần thiết, biên dạng áp suất, chiến lược xả, rò rỉ, tổn hao van và sản lượng đạt. Hãy so sánh lượng khí tự do đo được trên các chu kỳ làm việc giống nhau. Chu kỳ tác vụ điện thấp hơn không phải phép đo trực tiếp của năng lượng khí nén hay điện năng máy nén.

Nguồn và tài liệu kỹ thuật

Texas Instruments, datasheet bộ điều khiển dòng solenoid DRV110, dòng đỉnh-và-giữ cùng điều chỉnh dòng bằng PWM; truy cập 2026-07-23.
Texas Instruments, “Dùng bộ điều khiển động cơ để truyền động solenoid”, tự do dòng, kẹp điện áp, suy giảm dòng và định thời nhả; truy cập 2026-07-23.
SMC, catalog van solenoid 5 cổng SY3000/5000/7000/9000, tần số vận hành và thời gian đáp ứng theo model; truy cập 2026-07-23.
Festo, datasheet van chuyển mạch nhanh MHJ9 và MHJ10, thời gian chuyển mạch, tần số, bộ điều khiển, áp suất, lắp đặt và điều kiện nhiệt độ; truy cập 2026-07-23.
de Carvalho và cộng sự, “Điều khiển áp suất khí nén bằng van đóng-mở với điều chế độ rộng xung”, Chemical Engineering & Technology 46(1), 21-28, 2023; truy cập 2026-07-23.
Qian và cộng sự, “Hệ thống bám lực điện-khí nén dùng điều khiển lưu lượng thể tích dựa trên logic mờ”, Energies 12(20), 4011, 2019; truy cập 2026-07-23.
Skorina và cộng sự, “Bộ điều khiển phản hồi phi tuyến dựa trên mô hình để điều khiển áp suất bộ chấp hành khí nén mềm bằng van đóng/mở”, Frontiers in Robotics and AI 9, 2022; truy cập 2026-07-23.
ISO 6358-1:2013, thử lưu lượng trạng thái ổn định của linh kiện khí nén dùng lưu chất nén được, bao gồm các sửa đổi năm 2020 và 2026; truy cập 2026-07-23.

Điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM) cho van và xi lanh khí nén kỹ thuật số

Eric Zhou