（机械设计及理论专业论文）数字式比例放大器的研究与设计.pdf

辽宁科技大学硕士论文 摘要 数字式比例控制放大器研究与开发 摘要 电液比例控制技术作为一门新兴的年轻的技术，其发展和普遍应用还不足5 0 年。但凭借它自身的优点，形成了液体传动技术与控制技术的一个重要分支，并 成为现代控制工程技术的重要组成部分。电液控制技术近些年来获得了飞速发展， 其原因主要有两个方面。一方面，电液控制技术本身集液压传动与电气控制二者 的优点于一身，尤其是电气控制技术和现代计算机控制技术的结合又为电液控制 技术注入了新的活力，提供了更为广阔的发展空间；另一方面，电液比例控制技 术的应用范围及其广泛，几乎渗透到所有的工业领域。比例放大器作为电液比例 控制系统的核心单元，其控制性能对整个比例控制系统的性能起着决定性的作用。 因此研究和设计数字式比例放大器对理解和促进电液比例技术发展具有很好的理 论意义和现实意义。 本文重点放在数字式比例放大器的硬件和软件方面研究，在此基础上对数字 式比例放大器系统进行了数学分析和实验方面的研究与测试。 数字式比例放大器的硬件控制核心为m c s 5 1 系列新型s a b 8 0 c 5 1 5 a 单片机，利 用该微处理器内部集成两通道的p 踟功能，输出脉宽调制p w m 控制信号，用以控 制两个智能型功率放大管b t s 4 1 0 ，使其工作在开关状态。对各单元电路进行了深 入的理论研究和设计计算。软件设计使用汇编语言，采用了模块化设计方法，实 现单片机按输入设定值对功放管的控制作用。在完成比例放大器硬件和软件研究 设计后，对比例放大器控制系统进行了数学分析并使用离散系统的p i d 校正算法 对比例放大器的控制性能进行了校正，整个过程使用m a t l a b 软件进行辅助分析和 仿真。在实验部分设计了实用的s 7 2 0 0 p l c 设定值发生器程序，用p r o t e l9 9s e 使用模块化的设计方法，设计了完整的原理图和p c b 板，最后搭建典型电液比例 控制回路对比例放大器控制性能进行了测试。测试结果表明，该比例放大器控制 性能满足要求，线性度良好。 关键词：电液比例控制，单片机，智熊功率放大管，p 嗍 辽宁科技大学硕士论文 e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o i l i n ga n ds t u d y a b s t r a c t a san e wa n dd e v e l o p i n gt e c h n o l o g y , e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y , i t sd e v e l o p i n ga n dp o p u l a r i z a t i o ni sl e s st h a n5 0y e a r s h o w e v e r , d e p e n d i n g o nh i sa d v a n t a g e s ，e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m e a ni m p o r t a n tb r a n c ho fh y d r a u l i cd r i v ea n dc o n t r o l l i n g ，a n db e e nas i g n i f i c a n tp a r to f m o d e me n g i n e e r i n g c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y r e c e n ty e a r s ，e l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yh a sg o ts w i f tp r o g r e s s t h e r ea r e2m a i nr e a s o n s w h i c hc o n t r i b u t et ot h i sd e v e l o p m e n t a to n eh a n d ，e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yh a sb o ma d v a n t a g e so fh y d r a u l i cd r i v ea n de l e c t r i c a la u t o m a t i o n c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y , f t l r t h e t f l o r e ，t h ep r o g r e s so fm o d e r nc o m p u t e rc o n t r o l l i n g t e c h n o l o g yg i v e st h ee x t r av i g o ra n dp r o v i d e sm o r er i s i n gs p a c ef o ri t a to t h e rh a n d ， e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yh a saw i d ea p p l i c a t i o nr a n g e ， w h i c ha l m o s te m e r g e di ne v e r yi n d u s t r yf i e l d s t h ep r o p o r t i o n a la m p l i f i e ri st h ek e y p a r to fe l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l l i n gs y s t e m i t sp e r f o r m a n c ei sc r i t i c a lt o t h ew h o l ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l c o n t r o l l i n gs y s t e m c o n s e q u e n t l y , t h i s r e s e a r c hh a sd o u b l em e a n i n g sf o ru n d e r s t a n d i n ga n dp r o m o t i n ge l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y t h i sp a p e rp a i dm o r ea t t e n t i o nt op r o p o r t i o n a la m p l i f i e r sh a r d w a r er e s e a r c ha n d s o f t w a r er e s e a r c h ，b a s e do nt h e s e , d i dt h em a t h e m a t i c sa n a l y s i so fp r o p o r t i o n a l a m p l i f i e rs y s t e ma n ds o m ee x p e r i m e n t a lt e s t i n g d i g i t a lp r o p o r t i o n a la m p l i f i e r sk e yp a r t i sam i c r oc o n t r o l l e r , s a b 8 0 c 5 1 5 a w h i c hb e l o n g st ot h ec l a s s i c a lm c s - 5 1s e r i e s t h i sm i c r oc o n t r o l l e ri n c l u d e st w op w m ( p u l s ew i d em o d u l a t i o n ) s i g r l a lo u t p u tc h a n n e l s t h e2s m a r tp o w e rm o s f e ta r e c o n t r o l l e db yt h e s ep w ms i g n a l s ，t h a ti st os a yt h e ya r ew o r k i n go nt h ec o m p l e t e l y o p e no rc l o s es t a t u s t h i sp a p e rd o e st h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dd e s i g n i n gc a l c u l a t i o n t h o r o u g h l y t h es y s t e ms o f t w a r ei sm a d eb yt h ea s s e m b l yl a n g u a g e ；a ts a m et i m ea d o p t s m o d u l ed e s i g n i n gm e t h o d ，t or e a l i z et h el i n e a rc o n t r o l l i n gf u n c t i o n a f t e rt h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g n i n ga n dr e s e a r c h i n g ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f c o n t r o l l i n gs y s t e m ，m o r e o v e ru s e dd i s c r e t es y s t e mp i dc o r r e c t i o nm e t h o dt oc o r r e c t l l 辽宁科技大学硕士论文 a b st r a g t c o n t r o l l i n gs y s t e mt oi m p r o v ei t sc o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c e m a t l a bs o f t w a r ei se m p l o y e d d u r i n gt h ew h o l ea n a l y s i sa n dc o r r e c t i o np r o c e s s i nt h ee x p e r i m e n ts e c t i o n ，t h i sp a p e r d e s i g n e dap r a c t i c a ls e tp o i n tg e n e r a t i n gp r o g r a mf a c i n gt os i e m e n ss 7 - 2 0 0p l c ； u s i n ga d v a n c e de d a ( e l e e t r i c a ld e s i g na u t o m a t i o n ) s o f t w a r ep r o t e l9 9s e ，t h i sp a p e r d e s i g n e dt h es c h e m a t i ca n dp c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) d r a w i n g sb yc r e a t i n gp r o j e c t s w i t hm u l t i p l es c h e m a t i cs h e e t s ，m u l t i p l es h e e tp r o j e c t ss u p p o r tl a r g eo rc o m p l e x d e s i g n st h a tc a n n o tb es e r v e db yas i n g l es h e e t a tt h ee n do ft h i ss e c t i o n ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h i sp r o p o r t i o n a la m p l i f i e ri st e s t e db ys e t u pt y p i c a le l e c t r o h y d r a u l i c c i r c u i t s t h em s u l t so ft e s t m gs h o w e dt h a tt h i sp r o p o r t i o n a la m p l i f i e rh a saw e l l a c c e p t a b l ec o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c ea n dl i n e a r i t y k e yw o r d s ：e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y , m i c r oc o n t r o l l e r , s m a r tm o s f e t , p w m 1 1 1 辽宁科技大学硬士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电液 匕佣技术的历史、现状及发展方向岬i 1 1 1 电液比例技术的历史和现状 电液比例控制技术从形成至今，大致上可划分为四个阶段： 从1 9 6 7 年瑞士b e r i n g e r 公司生产i 【l 比例复合阀，到7 0 年代初日本油研公 司申请压力和流量两项比例阀专利，标志着比例技术的诞生时期。此间，比例技 术开始在液压控制领域中作为独立的分支，并以开环控制应用为主。这一阶段的 比例阀仅仅是将新型电机械转换器( 比例电磁铁) 用于工业液压阀，以代替 开关电磁铁或调节手柄，阀的结构原理和设计方法几乎没有变化，阀内不含受控 参数的闭环，其工作频宽仅在l 一5 h z 之间，滞环在4 卜7 之间。 从1 9 7 5 年到1 9 8 0 年，比例技术的发展进入第二阶段。这是比例技术发展最 快的时期。此间，采用各种内部反馈原理的比例元件相继问世，耐高压比例电磁 铁和比例放大器在技术上已经成熟。比例元件的工作频宽已达5 1 5 h z ，滞环减小 到3 左右，其应用领域不断扩大。2 0 世纪7 0 年代后期比例变量泵和比例执行器 相继出现，为大功率系统的节能奠定了技术基础。应用领域扩大到闭环控制。 到了2 0 世纪8 0 年代，比例技术的发展进入第三阶段。这一阶段，比例元件 的设计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移反馈和动压反馈及电校正等手 段，使阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进步的提高。除了因为制造成 本的原因，比例阀的中位仍保留死区外，它的稳态和动态特性均己和工业伺服阀 相当。这一阶段的另一项重大进展是比例技术开始和插装阀相结合，开发出各种 不同功能和规格的二通、三通型比例插装阀，形成了8 0 年代电液比例插装技术。 此外，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了带集成放大器的电流一体化比 例元件。电液比例技术逐步形成了8 0 年代的集成化趋势。第三个值得指出的进展 是电液比例容积元件，各类比例控制泵和执行元件相继出现，为大功率工程控制 系统的节能提供r 技术基础i i j 。 从1 9 9 0 年至今，是比例技术进一步完善的阶段。这一阶段有两项重要的新产 品问世。其一是推出了伺服比例阀( 又称高性能电液比例方向阀、比例伺服阀、 闭环比例阀、高频响比例阀) 。这种阀的电机械转换器采用比例电磁铁，功率 级阀芯采用伺服阀的结构和加工工艺( 零遮盖阀口，阀芯与阀套之间的配合精度 与伺服阀相当) ，解决了闭环控制要求死区小的问题。它的性能与价格介于伺服阀 辽宁科技大学颈士论文第一章绪论 和普通比例方向阀之间，但它对油液的清洁度要求低于电液伺服阀，特别适用于 各种工业闭环控制。其二是计算机技术与比例元件相结合，开发出了数字式比例 元件和数字式比例系统，并形成了不同总线标准的数字比例元件接口 2 1 1 3 1 。 1 1 2 电液比例技术的发展方向 未来的液压元器件将与电子技术、传感器技术、信息技术更紧密地结合。电 液融合，不只是一般意义的简单的组合，而是成为一个整体，合二为一，具有控 制功能的电子控制器、传感器、数字接口成为液压元件不可分割的一部分，真正 实现机电一体化，液压元件还是电器元件将很难界定。液压元件将实现电子化、 数字化而形成数字液压产品。集成的数字液压器件可以不经转换，直接由计算机 或p l c 控制并驱动。 电液比例控制技术一直在与微电子技术、计算机控制技术紧密结合，并随着 这些技术的发展不断更新和进行产品换代。电液比例控制技术的发展主要有以下 几个主要的方向： 1 ) 元件集成化、系统化。 2 ) 控制元件输出功率增大，如三级比例阀和大电流比例电磁铁。 3 ) 比例元件和系统数字化。 数字比例技术已有广泛的工程应用，对提高电液比例控制系统的性能和可靠 性有着极为重要的作用。数字比例控制技术的优势是不言而喻的，它的最大优势 是可以采用各种控制理论( 包括智能控制理论) 形成先进的控制手段，保证电液 比例系统获得最优的性能。具体表现在：电液比例控制系统的控制功能更加强大， 可实现复杂的运算，采用软件代替部分复杂硬件，可简化系统结构，提高系统控 制精度。基于上述的诸多优点，近年来数字式比例控制器获得了高速发展。世界 上一些大的液压元件制造厂家如力士乐( r e x r o t h ) 、博世( b o s c h ) 公司家都在这 方面投入了很大的精力进行研究和开发，并相继有一些产品面世。这些新型的比 例放大器是采用一个功能强大的微处理芯片( m i c r oc o n t r o l l e r ) ，通过配置简单 的外围电路和特定的控制程序，用以实现以下功能： 1 ) 通用性强。例如，b o s c h 公司生产的v t v s p d 一1 型数字放大器，适用于所 有不带电位移反馈比例阀的控制，v t - v r p d l 和v t - v r p i ) ：- 2 型数字比例放大器适用 于所有带电位置反馈比例阀的控制。使用时，只要通过串行通信口在编程界面上 设定相应参数，即可与所控制的比例阀相匹配。 2 ) 参数调整和配置灵活、方便。普通模拟式放大器所有的增益、零点调整、 2 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 斜坡上升和下降过程时间调整。都可以通过对微控器编程实现。此外数字式比例 放大器的斜坡信号发生器功能更强，它可以根据设备的工况要求单独的加速或减 速斜坡，还可输出s 型斜坡信号，如图1 - 1 所示。s 型斜坡信号的应用可使设备的 运动状态更稳定。此外，数字比例放大器还可对输出信号的频率、偏差、信号的 阶跃特性进行修正，以优化所控制的比例阀的控制特性，该功能也是通过编程完 成的。 图1 1 数字式比例放大器s 型斜坡信号 3 ) 数字式放大器的存储器( e p r o m 、e e p r o m ) 可精确备份用户的专用数 据，以免用户调整好的参数受到无意或未经许可的变。这一功能对用户实在太重 要了。对使用模拟式放大器的用户来说，放大器的参数最初是由设计和调试人员 调整好的，在以后的使用和设备维修过程中，维护人员还会根据需要进行调整。 特别是当新换上一块新的放大器或新的比例阀的时候，放大器的最佳工作状态往 往需要重新调整。而模拟式放大器的技术参数往往取决于调整人员的经验和技术 水平，不能保证其参数已调到了最佳状态。采用数字式比例放大器后，就不必再 担心这一点了。调整好的放大器技术参数都保存在存储器上，当更换一块新的数 字式比例放大器时，只要将原来存储器的参数重新调进新的放大器中即可，从而 实现了系统参数的专家级管理【4 】。 4 ) 输出故障状态信号。数字式放大器上的存储器保存有放大器最近的信号和 状态数据，当出现故障时，可以调出这些数据，帮助用户诊断设备故障。 5 ) 通信功能。编程器和数字式放大器之间，多块数字式放大器之间可以通过 其上的通信接口完成数据交换。 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 1 2 比倒放大器的工作原理、分类、及控制过程中的关键因素 1 2 1 比例放大器的工作原理、分类 电液比例控制系统即有液压元件传递功率大、响应快的优势，又有电气元件处 理和运算信号方便、易于实现信号远距离传输的优势。发挥二者的技术优势在很 在程度上依赖于比例放大器。比例放大器是电液比例阀和电液比例泵的控制和驱 动装置，能够根据比例阀和比例泵的控制需要对控制电信号进行处理、运算和功 率放大。闭环控制阀和控制泵使用的放大器可完成对整个比例元件的控制。图l 一2 表示控制放大器的典型系统结构。它包括控制信号的生成、信号处理、前置放大 级、功率放大级、测量放大级、反馈校正电路、颤报信号发生器、其他功能电路 及电源等基本单元。 图1 2 控制放大器的典型系统 比例放大器有以下多种分类方法： 1 ) 按放大器输出控制电流的通路数可将比例放大器分为单通路和双通路两 种类型。单通路比例放大器用于控制带单个电磁铁的比例元件，例如比例压力阀 或比例流量阀，以及单电磁铁驱动的比例方向阀等。双通路的比例放大器用于控 制三位比例方向阀、压力流量复合控制阀( 简称p q 阀) 、压力流量复合 控制泵( 简称p q 泵) 等带有两个比例电磁铁的比例元件。需要注意的是，双通路 比例放大器工作时，只有其中一个比例电磁铁起实质性的控制作用：当控制三位 比例方向阀时，比例放大器根据信号的极性选通一个起实质作用的比例电磁铁； 当对压力流量复合控制阀、压力流量复合控制泵进行压力控制时，压力 阀电磁铁起作用，流量阀电磁铁的控制信号是一个定值。 2 ) 按放大器内是否带反馈通路可将比例放大器分为开环控制和闭环控制两 种类型。_ 丌环控制比例放大器没有测量电路、反馈单元和反馈通路p i d 调节器， 通常带有颤振信号发生器。闭环放大器用来控制带电反馈比例阀和比例泵，设置 4 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 有测量放大电路、反馈比较环节和信号调节器。 3 ) 按放大器内运算信号的类型可将比例放大器分为数字式和模拟式。模拟式 比例放大器按连续信号的方式工作，加在比例电磁铁线圈两端的信号为连续直流 电压，功耗较大。数字式比例放大器又分为数字信号放大器和开关式放大器。开 关式放大器的功放管工作在截止或饱和区，即开关状态，加在比例电磁铁线圈两 端信号为脉冲电压，功耗小。开关式比例放大器以p w m 式为主。数字信号放大器 内部采用数字芯片完成信号运算。 1 2 2 比例放大器控制过程中的几个主要问题 理想的比例阀和比例放大器构成的电液比例控制系统，其输入信号( 电流) 和输出信号( 压力、阀口的开度、流向和流速) 之间的关系应该是一种良好的线 性关系，如图1 3 所示： 图l 3 理想比例控制系统输入输出关系 实际电流比例控制系统的输入输出关系表现出一定的非线性特点，其原因主 要是由于阀芯静摩擦力及电磁线圈所产生的磁场性质变化所引起的以及阀芯控制 边开口形式、控制边几何形状。具体表现为： 响应阈值( t h er e s p o n s et h r e s h o l d ) 回差ft h ei n v e r s i o nr a n g e ) 磁滞( t h eh y s t e r e s i s ) 阀芯控制边开口形式 1 、响应阈值( t h er e s p o n s et h r e s h o l d ) 当通过比例电磁线圈的电流增大时，衔铁向前移动位移增大。输入电流一但 停止变化( 增大) ，衔铁停止移动，呈静止状态。输入电流再次开始增大，必须达 辽宁科技大学颈士论文第一章绪论 到一定的变化量后，衔铁才开始再次移动。这个使衔铁从静止状态到运动状态的 最小输入量( 电流) 叫做响应阈值也称为响应的敏感度。响应阚值同样存在于输 入信号( 电流) 减小的过程中，即输入电流开始减小停止减小再次开始 减小，衔铁移动静l t 再次移动的过程中。如图1 4 所示： a ) r e s p o n s et h r e s h o l d o u t p u t s 日j n a l 图l 一4 响应阈值 2 、回差( r 1 1 l ei n v e r s i o nr a n g e ) 如果输入信号先向正向( 增大) 变化然后向负向( 减小) 方向变化，输出特 性曲线呈现出两分支结构如图卜- 5 所示。输 特性曲线两分支之间的距离叫恬铲回 差”回差亦存在于输入信号先减小后增大的变化过程中。 i n v e r s i o nr a n g e o u t p u t s 旧n a i 图l 一5 回差( t h ei n v e r s i o nr a n g e ) 3 、磁滞( h y s t e r e s i s ) 输入信号( 电流) 在线性区范丽内从最小值变化到最大值再变化回最小值， 输出特性曲线呈两分支结构如图1 - 6 所示。输出特性曲线两分支之间的最大距离 叫做“磁滞”。 6 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 h y s t e r e s i s 0 u t p u t s i c l n a i 图1 6 磁滞 4 、阀芯控制开口形式( o v e r l a p ) 阀芯和阀体配合按二者之间的搭接量分为三种形式即正开口、零开口和负开 e l 不同的开口形式对阀的流量特性产生不同的影响。图l 一7 描述了不同开口形式 对应的阀流量特性及中位时对应的泄漏量1 5 】o 1 ) 正开口类型，一个小输入信号虽然使阀芯产生一定的位移但此位移并未超 过阀芯和阀体二者之问的搭接量，所以流量为零。这在流量特性曲线上表现为“死 区”。但正开口类型的阀的中位泄漏量最小。 2 ) 零开口类型，流量特性表现出较好的线性。阀的中位泄漏量较大。 3 ) 负开口类型，在没有输入信号状态下有一定的流量。阀的中位泄漏量最大。 上 一太一 x 图l 7 开口类型和阀流量特性及中位泄漏量之间的对应关系 警攀 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 在实际应用中，比例阀一般都采用正开口的类型。其原因主要如下： 一正开口类型的阀当阀芯处于中位时泄漏量最小。 系统断电时，阀芯靠弹簧力回复到中位，能够完全关闭工作油口。 一相对于零开口型式的阀而言，正开口型式的阀对阀芯和阀套的加工精度要求较 低。阀芯阀套易于加工，加工成本较低。 1 3 选题目的和意义 电液控制技术是一门比较年轻的技术，它的发展和普遍应用还不到5 0 年，然 而，凭借它的优点却形成了液体传动与控制领域的一个重要分支，并成为现代控 制工程的基本技术构成之一。 电子技术在信号的检测、放大、处理和传输等方面比其它方式具有明显的优 势，特别是现代微电子集成技术和计算机科学的进展使得这种优势更显突出。尤 其值得注意的是从1 9 7 8 年i n t e l 公司推出8 位单片机8 0 5 1 至今这二十几年的时 间单片机( 微控器) 获得了高速发展。从民用控制到工业控制几乎每一领域都可 以看到单片机制身影。单片机以其体积小、功能强和价格低廉的优点，广泛地应 用于家电、工业过程控制、仪器仪表、航空和空间飞行器等领域。近2 0 年来，世 界上各大电气厂商、测控技术企业和机电行业都竟相把单片机作为其产品更新、 智能化的重要工具。单片机是以应工业测控而诞生的。它把计算机最基本的功能 电路，如c p u 、程序存储器、数据存储器、i 0 接口、定时器、计数器、中断系统 等集成到一块芯片上形成单片形态的计算机。在工业测控的系统中，目前还需要 在单片机的基础上外扩存储器、i 0 接口以及一些外围电路，形成功能更强、更完 善的系统【6 】。传统的比例放大器一般都是模拟式的，各种功能模块如输入设定值、 死区补偿，斜坡，等都是由相应的硬件电路组成。这种放大器的缺点很多： 一可靠性将随着硬件电路的增多和元件的老化而下降。 放大器的调试困难很多模拟式放大器的调试都是调式者凭经验调试很多放大 器并未调试到最优状态。 放大器实现各种控制功能如p i d 调节等都需要硬件来实现，且系统的柔性的和 适应性较差。 采用单片机作为控制系统核心的数字式比例放大器有效的解决了上述模拟式 放大器的缺点。充分的发挥计算机软件方面的优势，可以利用软件编程灵活实现 很多模块功能如灵活的生成各种斜坡，软件实现控制m o s 功率管p 州信号，使用 a d 转换结合软件实现信号采集、比较、偏差给定等。进而可以用软件编程方法实 辽宁科技大学硬士论文 第一章绪论 现各种现代控制方法如自适应控制、f u z z y 控制、智能控制等，这将极大地提高电 流比例系统的静、动态性能。因此，对数字式比例放大器研究与开发涵盖了电气 自动控制，计算机控制理论，流体传动等个领域的专业理论知识。具有较好的理 论意义。 液压传动系统以其特有的优势在工业上获得了广泛的应用，液压传动的优点 主要是液压执行元件的功率一重量比和转矩一惯性比( 或力一质量比) 大，具有 很大的功率传递密度，可以构成体积小、重量轻、响应快的大功率控制系统。液 压控制系统的负载刚度大，精度高。液压控制系统可以安全、可靠并快速地实现 频繁的带负载起动和制动，进行正反直线或回转运动和动力控制，而且具有很大 的调速范围。电液比例控制系统兼具了电气、液压的双重优势，形成了具有竞争 力的自身技术特点。它介于传统开关阀和伺服阀之间，即有电液控制的优势，又 兼有传统阀对介质清洁度无特殊要求，制造成本低，能量损失小的特点。且稳态 和动态控制特性足以满足大部分工程控制的要求，因此赢得了比伺服元件远为广 泛的应用。比例放大器作为电液比例控制系统的核心元件对系统性能的影响至关 重要。一个好的比例放大器可以有效的提高电液比例系统的性能，因此对数字式 比例放大器的研究和开发，对于提升电液比例控制系统的性能，扩大电液比例系 统的应用范围，提高企业的装备水平等诸多方面都具有良好的现实意义和社会意 义。 1 4 本论文研究的主要内容 本文将围绕着数字式比例控制放大器，着重研究以下几方面的问题： 1 数字式比例控制放大器硬件研究与设计 数字式比例控制放大器以单片枫作为控制核心，其前向逶道和后向通道都以 单片机为核心实现控制。硬件方面的研究主要包括以下几个方面： ( 1 ) 电源部分，包括数字电路部分和模拟电路部分需要的电源研究与设计。 ( 2 ) 数字电路部分，单片机的选型、程序存储器及用户设定数据存储器的选择、 外接存储器硬件电路、振荡电路和复位电路，输入显示电路研究与设计。 ( 3 ) 前向通道电路部分，即信号的产生( + - 1 0 v 范围内的给定值) ，斜坡产生， 输入信号的运算、转换，即将输入信号按一定的数学关系交换成a d 转换硬件所 能接受的o 一5 v 的电压信号。采用高增益、高带宽且具有频率补偿的运算放大器 组成信号运算处理电路。 ( 4 ) 后向通道电路部分，这方面的工作主要有，单片机通过a d 转换采集到输 9 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 入信号后对其进行处理，进面生成用于控制m o s 功率管的p w m 信号，大功率 m o s 管的选型。 ( 5 ) 反馈通道的研究与设计，实际输出信号的采样电路、对采样到的输出信号 进行变换处理的信号运算电路、a d 转换。 ( 6 ) 数字控制电路和模拟电路之间的隔离保护及整个硬件部分的抗干扰方面的 研究与设计。 2 。数字式比例控制放大器软件研究与开发 ( 1 ) 控制系统软件整体结构的研究与开发，包括软件主体结构的确立，各个实 现特定功能的子程序的确立，主程序如何实现对它们的控制、调用和监视，各个 子程序之间的相互关系，如何分配各子程序占用硬件资源等。 ( 2 ) 输入予程序的研究与开发。 ( 3 ) 显示予程序的研究与开发。 ( 4 ) 前向通道a d 转换子程序的研究与开发。 ( 5 ) 生成p w m 控制信号的子程序的研究与开发。 ( 6 ) 反馈通道a d 转换子程序的研究与开发。 3 比例控制放大器静态、动态特性的研究与分析 ( 1 ) 比例控制放大器数学模型的建立。 ( 2 ) 比例控制放大器控制策略的研究。 4 比例控制放大器实验方面的研究与开发 ( 1 ) 用于控制比例控制放大器的设定值发生器的研究与设计。 ( 2 ) p r o t e l 9 9 s e 放大器原理图、p c b 板的设计，放大器制作。 ( 3 ) 比例控制放大器的性能测试实验，建立实验硬件系统，用比例放大器控制 比例溢流阀，采集实验数据，系统性能及比例控制放大器综合性能的分析。 辽宁科技大学硕士论文 第二章比例控制放大器硬件研究与设计 第二章比例控制放大器硬件研究与设计 本章主要面向比例控制放大器硬件研究与设计方面的主要问题。对于单片机 控制系统而言，设计合理的硬件控制系统是实现软件控制思想的物质基础，软件 控制又是控制系统的灵魂。二者相辅相成、相得益彰。因此一个设计思想正确、 器件选型合理、抗干扰处理得当的硬件系统对整个控制系统是至关重要的。本文 在硬件设计过程中采取模块化的设计方法，将比例控制放大器划分为； 电源予系统 一单片机数字控制电路及a d 转换和p w 2 v i 控制信号产生子系统 一前向模拟量( 设定值) 输入子系统 一功率放大输出子系统 一采样反馈子系统 一和用户输入设定显示子系统六个方面的子系统 在各个子系统设计过程中既侧重子系统本身的特点又兼顾子系统之间的联系。 2 1 比例控制放大器电源系统研究与设计 比例放大器电源子系统的功能主要是为数字电路提供+ 5 v 电源、为前向输入通 道集成运算放大器提供双极性1 2 v 电源，为a d 转换电路提供+ 5 v 的精确参考电压， 为比例电磁线圈提供驱动电流。 2 1 1a o o c 电源模块的选型 液压系统中各种比例阀线圈一般额定电压为2 4 v 直流，本文中比例放大器即 可以工作在双通道模式( 驱动比例方向阀) 也可以工作在两个单通道模式。当其 作为两个单通道放大器同时工作时所需要的负载电流最大，约为2 4 a 左右，该直 流电源模块除承担输出比例电磁线圈所需电流外，还要负担控制电路、届示电路 所需之能源，即整个比例控制放大系统所需要的电流。最大值粗略的估算大约为 3 a 左右，a c d c 电源工作时一般留有3 0 左右余量，因此要求a c d c 电源输出额定 电流值为4 a 左右。本课题实际选用台湾明纬公司生产的型号s - 1 0 0 - 2 4 单组交接 式开关电源如图2 1 所示，该电源具有短路、过载和过压保护，基本参数如下叽 交流输入电压( a ci n p u tv o l t a g e ) ；8 8 1 3 2 v a c 1 7 6 2 6 4 v a c 交流输入电流( a ci n p u tc u r r e n t ) ：2 4 a 1 1 5 v ，1 2 a 2 3 0 v 直流输出电压( o co u p u tv o l t a g e ) ： 2 4 v d c 辽宁科技大学硕士论文 第二章比例控制放大器硬件研究与设计 直流输出电压误差( o u t p u tvt o l e r h n c e ) ： 直流输出电压调整范围( d cv o l t a g e a d 3 k 直流输出电流( o u t p u tc u r r e n tr a n g e ) ： 纹波噪声( r i p p l e & n o i s e ) ： 直流输出功率( d co u t p u tp o w e r ) ： 效率( e f f i c i e n c y ) ： 漏电电流( l e a k a g ec u r r e n t ) ： 过压保护( o v e rv 钆t a g ep r o t e c t i o n ) ： 温度系数( t e m p c o e f f i c i e n t ) ： 浪涌电流( i n r u s hc u r r e n t ) ： + 一1 t 0 额定输出 m 一4 5 a 1 5 0 m v p p 1 0 8 w 8 3 1 m a 2 4 0 v a c 1 0 5 一1 5 0 + - 0 ，0 3 口l c ( 0 - 5 0 ) c o l ds t a r t6 0 a 2 3 0 v 图卜1a c d c 电源模块，型号s - 1 0 0 2 4 2 1 2d c d c 微功率电源模块的选型 d c d c 电源模块作用是将s - 1 0 0 2 4 电源模块输出的2 4 v 直流电压进行适当的 调整供给比例放大器模拟电路和数字电路使用。c & dt e c h n o l o g i e s 公司是一家世 界领先的d c d c 电源模块，a c d c 电源生产厂家。该公司生产的w p 0 6 r 系列d c d c 电源微功率模块是一种高性能的电源模块。输入电压范围分别为9 - 1 8 v 、1 8 3 6 v 和3 4 7 5 v ，能够在一4 0 c - - 1 0 0 。c 温度范围内稳定工作。该模块采用2 0 0 k h z 开关频 率和回扫技术及其本身拓扑型设计保证了模块的高性能，同时模块体积小节约空 间。模块所用元件均为表面贴片封装形式，从而保证了模块的高的可靠性。此外， 所有的模块均可以工作存无负载状态下( 输出端开路) 。模块以金属壳体封装，具 有很强的抗电磁干扰( e m i ) 能力和良好的散热性能。w p 0 6 r 系列d c d c 电源模块 广泛地应用于信息通讯、便携式设备仪器、过程控制设备、交通运输设备及分布 辽宁科技大学硕士论文第二章比例控稍放大器硬件研究与设计 式电源系统等诸多领域d 1 。 本文选用两个c & dt e c h n o l o g i e s 公司生产的d c d c 电源模块，一个d c d c 电源模块将+ 2 4 v 输入电压变换为1 5 v 输出电压供比例放大器模拟电路使用；另 一个d c d c 电源模块将+ 2 4 v 输入电压变换为+ 5 v 输出电压供电路比例放大器数字 电路。两模块都具有短路保护、过热保护和过压保护功能，采用金属壳体封装。 两个d c d c 电源模块型号分别为：w r 0 6 r 2 4 s 0 5 和w r 0 6 r 2 4 d 1 5 。外形如图2 2 所 示： 图2 _ - 2w r 0 6 r 2 4 系列d c f d c 电源模块外形圈 w r 0 6 r 2 4 d 1 5 参数如下： 名义输入电压( n o m i n a li n p u tv o l t a g e ) ：2 4 v d c ： 额定输出电压( r a t e do u t p u tv o l t a g e ) ：1 5 v d c 双端输出； 输出功率( 叫t p u tp o w e r ) ：5 w ； 效率( e f f i c i e n c y ) ：8 0 ： 开关频率( s w i t c h i n gf r e q u e n c y ) ：2 0 0 k h z ： 隔离额定电压( i s o l a t i o nr a t e dv o l t a g e ) ：15 0 0 v 。 w r 0 6 r 2 4 s 0 5 参数如下： 名义输入电压( n o m i n a li n p u tv o l t a g e ) ：2 4 v d c ： 额定输出电压( r a t 即o u t p u tv o l t a g e ) ：5 v d c ： 输出功率( o u t p u tp o w e r ) ：5 w ： 效率( e f f i c i e n c y ) ：7 9 ： 开关频率( s w i t c h i n gf r e q u e n c y ) ：2 0 0 k h z ： 隔离额定电压( i s o l a t i o nr a t e dv o l t a g e ) ：1 5 0 0 v 。 w r 0 6 r 2 4 s 0 5 d c d c 模块输出的+ 5 v 电源作滤波后供放大器数字电路使用。 1 3 辽宁科技大学硕士论文 第二章比例控制放大器硬件研究与设计 2 1 3 比例放大器模拟电路所用电源模块的选型 比例放大器模拟电路中，集成运放所处理的输入信号为i o v 的输入电压，因 此集成运放需要双端供电，供电电压为1 2 v 。a d 转换电路需要+ 5 v 的精确参考 电压( v 。) 。针对这些要求课题中选用三端稳压芯片7 8 l 1 2 将2 4 d 1 5 d c d c 产生的 + 1 5 v 输出电压处理为稳定的+ 1 2 v 输出，选用三端稳压芯片l m 7 9 将2 4 d 1 5 d c d c 产 生的一1 5 v 输出电压处理为稳定的一1 2 v 输出。选用r e f l 9 5 精确参考电压芯片产生 + 5 v 精确参考电压( v 一。 2 1 4 比例放大器电源电路的整体设计方案 在完成了比例放大器电源电