（机械电子工程专业论文）电液比例控制器及其应用的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 全文摘要 yd 3 习1 1 7 随着科学技术的飞速发展，电液比例控制技术已不仅仅是一种传动手段， 而逐渐变为一种控制手段，充当了连接现代微电子技术和大功率控制对象之间 的桥梁。作为电液比例技术控制核心的比例控制放大器的发展，对电液比例技 术的发展起着巨大的作用? 本论文在分析比例控制放大器的基础上，以实际的 工业控制对象为基础，对现有的比例控制放大器进行了改进，并研制了一种调 平控制器和包括电控器在内的电竣执行机构，最后又研制了一种新的电液闭式 系统通用数字式比例控制放大器，在实践中取得满意的效果。 、一一一 第一章着重阐述了电液比例技术的发展概况，电液比例控制放大器的发展 情况，并简述了论文的选题意义、研究内容。 第二章首先分析了现有的比例控制放大器电源存在的以下缺点：由于电源 中采用虚地，使得电源带载能力小、信号地与电源地不能共接、实际运行不稳 定、放大器不能接受标准电流信号。在介绍分析了基本的开关电源原理的基础 上，提出在比例控制放大器中采用开关电源方式，以解决上述问题。之后，设 计了一种新的比例放大器电源电路，并给出实验波形。实践证明，新的比例控 制放大器电源电路可完全克服原有电源电路的缺点。 第三章对现有比例控制放大器的几个关键电路进行了改进。首先，设计了 一种过流报警保护电路。其次，采用一种新型的传感器信号检测芯片设计出差 动变压器式传感器( l v d t ) 的信号测量电路，解决了l v d t 原方与副方的相 位偏移及温度、频率变化造成的偏移的补偿问题。最后，在详细分析比例控制 放大器温漂、零漂的基础上，对不同情况提出两种解决方案：即在采样信号检 测电路中采用动态稳零的方法，而在直流信号放大时，采用直流斩波稳零的方 法。它们在实践中都取得良好效果。 第四章在分析登高平台消防车电滚控制系统的基础上，对其调平控制系统 建模和分析。之后，采用信号缓冲，正反向不对称独立可调的增益、限幅、死 区补偿，以及机械抖动滤波等方法，研制了一种新型的调平控制器。在调平控 制器中还采用了双极性( 正负) 电源电路，实现了多控制器协同工作的共地要 求。最后给出调平控制器的实验曲线。 第五章以毫州热电厂的汽轮发电机组为对象，在分析其原有电液执行机构 的基础上，研制了一种带电控器的电液转换器，在控制器中采用了斩波稳零、 信号缓冲的方法，很好的满足了电厂恶劣环境的抗干扰要求。最后，给出了比 例控制放大器的实验曲线。 第六章针对当今电液控制技术的发展趋势研制了一种新的电液闭式系统通 用数字式控制器。该控卷4 器可同时控制多路( 例如4 路) 比例电磁铁，能同时 接受开关、脉冲和模拟信号，采用该控制器通过相应的软件编程可以分别实现 电液闭式系统的位置控制、速度控制、压力控制、位置压力适应控制，且 能达到相当的精度。加之具有调节参数现场整定功能，其工况适应性很强，因 此具有良好的应用前景和工程使用价值。这章着重研究了该控制器的硬件构成， 并提出相应的硬件抗干扰措施。 第七章先分析了一种摊铺机的行走系统，然后针对其特点提出一种模糊控 浙江大学硕士学位论文 制策略。在介绍分析模糊控制技术的基础上，研究了摊铺机行走系统的模糊控 制实现方法并给出相应的程序设计框图，软件抗干扰措施。 第八章对本文所做的研究工作进行了简要总结。 7 浙江大学硕士学位论文 a b s t r c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n t i f i ct 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 l c o n t r 0 1w h i c hh a ss e r v e da sl i n k so fm i c r o e l e c t r o n i ca n dm a s sp o w e rt r a n s m i s s i o nh a s n o to n l yb e e nam e a n s o f p o w e r t r a n s m i s s i o n b u tam e a n so f i n d u s t r yc o n t r o la sw e l l 1 1 1 ep r o g r e s so f p r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e rp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nt h ed e v e l o p m e n to f 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 0 1 i nt h i s t h e s i s ，b yc o m p l e t e l ya n a l y z i n gt h e b a s i cc i r c u i t so fp r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e r , as e r i e so fn e we l e c t r o n i cc i r c u i t sf o rt h e p r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e rh a v eb e e np u tf o r w a r da n dr e s e a r c h e d t h e nb a s e do nt w o a p p l i e di n d u s t r yo b j e c t s ，an e wl e v e l i n gc o n t r o l l e ra n dak i n do fe l e c t r o - p r e s s u r e c o n v e r t e rh a v eb e e nr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d i nt h ee n dan e w d i g i t a lc o n t r o l l e rf o r t h ee l e c t r o h y d r a u l i cs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n dr e s e a r c h e d t h ea p p l i c a t i o n so f t h e s ec o n t r o l l e r sa r es a t i s f l y i n g i nc h a p t e r1 ，t h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo f e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o la n dp r o p o r t i o n a l c o n t r o l l e ra r ed i s c u s s e df i r s t l y t h e nt h es u b j e c ta n dt h ec o n t e n t so ft h et h e s i sa r ep u t f o r w a r d i n c h a p t e r2 ，b ya n a l y z i n g t h e s h o r t c o m i n g s o ft h e p o w e rc i r c u i t o fe x i s t e d p r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e r sa n dd i s c u s s i n gt h eb a s i cm e t h o d so f s w i t c hd c - d c c i r c u i t s ，a n e wp o w e rc i r c u i tw h i c ht a k e st h e a d v a n t a g e s o fs w i t c hd c d cc i r c u i t si s p u t f o r w a r d 、撕也i t se x p e r i m e n t a lr e s u l t s 踮w e l l i nc h a p t e r3 ，s e v e r a lk e yc i r c u i t sf o rt h e p r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e ra r er e d e s i g n e d f i r s t a k i n do fa l a r ma n dp r o t e c tc i r c u i tf o ro v e rc u r r e n ti sp r o v i d e d s e c o n d an e w s i g n a l d e t e c t i n gc i r c u i tw i t hi d td i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e r , w h i c hi sb a s e do nan e w t y p eo f 【| v d ts i g n a lp r o c e s s i n gc h i pi s p u tf o r w a r d a tl a s t b a s e do nt h ea n a l y s i so fz e r o p o i n t d r i f ta n do u t p u td r i f tw i t ht e m p e r a t u r e t w oc i r c u i t s 廿l a tc a nb e a p p l i e d t o d i f f e r e n tc o n d i t i o n sh a v eb e e n d e s i g n e d i nc h a p t e r4 ，b ya n a l y z i n gt h ec o n t r o ls y s t e mo fak i n do fa e r i a lf i r e f i g h t i n gp l a t f o r m ， t h ed y n a m i cm o d e lo ft h e l e v e l i n gs y s t e mi s b u i l du p a f t e rt h a tan e wk i n do f l e v e l i n gc o n t r o l l e r i sd e s i g n e da n di t se x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r es h o w e d h a c h a p t e r5 ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee l e c t r o p r e s s u r ec o n v e r t e ro ft h es t e a m t u r b i n ei nb o z h o u ( a n h u i ) p o w e r p l a n t ，an e wk i n do fe l e c t r o - p r e s s u r ec o n v e r t e ri s r e d e s i g n e d 浙江大学硕士学位论文 i nc h a p t e r6 ，an e wk i n do f d i g i t a lc o n t r o l l e rf o re l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mi s p u tf o r w a r d t h ed e s i g no f h a r d w a r ei sd i s c u s s e di nd e t a i l s ，e s p e c i a l l yt h eh a r d w a r e m e t h o d so fa n t i d i s t u r b a n c e i nc h a p t e r7 ，t h ew a l k i n gs y s t e mo fak i n do f p a v e ri sd i s c u s s e da n dt h ef u z z yl o g i c c o n t r o lm e t h o df o rt h em o t i o nc o n t r o lo ft h ep a v e ri sp u tf o r w a r d t h ef u z z yc o n t r o l t h e o r yi sd i s c u s s e da n d t h er e a l i z a t i o no ft h em o t i o nc o n t r o lo ft h ep a v e ri sd i s c u s s e d c o m p l e t e l yw i t l lc o r r e s p o n d i n gf l o w c h a r to f t h e p r o g r a m a n dt h es o t h a r em e t h o d so f a n t i d i s t u r b a n c e i nc h a p t e r8 ，ab r i e f s u m m a r y o nt h et h r e em a i n t o p i ci nt h i st h e s i si sp r o v i d e d 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 ，s w i t c hd c d cc i r c u i t s ，a l a r m a n dp r o t e c t ，z e r o p o i n td r i f i ，l e v e l i n gc o n t r o l ，e l e c t r o p r e s s u r ec o n v e n e r ，m c u ， f u z z yl o g i c 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电液控制技术的发展和应用 2 0 世纪是液压技术从兴起到不断发展的成熟时代，随着现代科学技术的 飞速发展，它已不再是仅仅充当一种传动方式，而更多的是作为一种控制手段， 充当了连接现代微电子技术和大功率控制对象之间的桥梁，成为现代控制工程 中不可缺少的重要技术手段和环节。电子与液压技术的结合是液压技术的发展 的内在规律。液压系统与电气系统，作为不同的传动方式，结合起来，可以满 足高精度、快响应、节能、智能控制的要求。 电、液技术的结合最早可追溯n - 战期间高炮的电液伺服装置。二次大战 后期，喷气式飞行器技术取得了突破性进展，它对控制系统的快速性、动态精 度和功率重量比都提出了更高的要求，从而推动了电液控制技术的发展。1 9 4 0 年，首次在飞机上应用了电液伺服系统，其滑阀由伺服电机拖动。5 0 年代未期， 出现了以喷嘴挡板阀作为先导级的电液伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应 晟快，控制精度最高的伺服系统。以后，各种结构的电液伺服阀相继问世，又 相继出现了射流管式电液伺服阀以及其它采用级间反馈和各类电反馈的电液伺 服阀，其性能不断提高。电液伺服技术日臻成熟，已逐渐成为航空、航天、军 事以及诸多民用工程领域的重要手段。 随着工业生产的发展，开关控制阀，已不能满足高质量控制系统的要求； 而传统的电液伺服阀，由于对液体介质的清洁度要求十分苛刻，制造成本和维 护费用比较高，系统能耗也比较大，限制了伺服技术在工业及民用部门的进一 步应用。7 0 年代，以可靠、廉价、节能、易维护并具有相当高精度和动态响应 特点为标志的电液比例控制技术得以迅速崛起。电液比例阀，是在对普通开关 阀进行改进基础上，采用比例电磁铁作为电机械转换器，由电磁铁将给定的电 信号转化为成比例的电磁力，实现对输出液压信号的比例控制。电液比例控制 器件，对油质要求与一般工业阀相同；价格低廉；阀内压力损失低，效率高； 性能能满足大部分工业控制要求。8 0 年代，比例元件的设计原理进一步完善， 采用了多种形式的内反馈、动态反馈及电校正等手段，使阀的精度、稳定性都 得到了大幅度提高，稳态滞环减小到3 左右，工作频宽可达2 5 h z 、传感技术、 微电子技术和计算机技术控制的发展和渗透，为电液比例技术提供了性能优越、 可靠性高的检测和控制技术基础，它在工业控制领域，正越来越多的得到了广 泛应用。然而，普通的电液比例阀，存在着较大的死区和滞环，它的频响不高， 因此，它除了适用于速度闭环控制以外，一般多用于开环电液控制系统，而在 浙江大学硕士学位论文 控制精度要求较高、响应快的其他闭环控制系统中，它的性能显得不足。近年 来，出现了一种性能与价格介于伺服阀和普通比例阀之间的控制阀一伺服比例 阀( 又称高频响比例阀，闭环比例阀，比例伺服阀) 。它具有传统比例阀的特征， 采用比例电磁铁作为电一机械转换器，同时，它又采用伺服阀的加工工艺、零 遮盖阀口，其阀芯与阀套之间配合精度与伺服阀相当。高性能伺服比例阀，对 油液的清洁度要求略低于电液伺服阀，而它的控制性能已与普通电液伺服阀相 当，以能满足绝大部分工业领域闭环控制要求。因此，它特别适用于各种工业 闭环控制。 近年，计算机的飞速发展带来了控制领域的革命，出现了采用高速开关阀 和步进电机拖动的数字式元件，以及以此为基础的脉宽调制( p w m ) 型电液控 制系统和数字增量控制( i d c ) 型电液控制系统。它们从抗干扰性和适应复杂 环境的能力以及控制方式、控制镱赂上与传统的电液控制系统有着显著不同。 1 2 电液控制阀的分类及主要性能指标 电液控制阀主要分为电液伺服阀、电液比例伺服阀、电液比例阀( 又分为 普通型及带电反馈型) 、电液数字阀四大类。前三种都是模拟式电液控制阀，而 后者是数字式电液控制阀。 电液伺服阀的电一机械转换器的输入电信号为几十至几百毫安，按照类型 不同有较大的差别，其电机械转换器的输出功率较小。电液伺服阀分为单级 电液伺服阀、及多级( 二级、三级) 电液伺服阀，其中以二级伺服阀应用最为 广泛，类型也最多。二级伺服阎有一个先导控制级，将电一机械转换器输出信 号转化为功率较大的液压信号，再利用先导控制级的液压输出去控制主阀工 作。电液伺服阀的先导级，大多采用喷嘴挡板式或射流管式。 电液比例阀的电一机械转换器采用比例电磁铁，它的输入电信号为几十到 几千毫安的电流信号。由于比例电磁铁的输出量为直线运动的电磁力，电磁力 的大小为几十至三百多牛顿。比例阀中又有直动式及先导式之分，在小流量， 如6 通径及1 0 通径比例阀中，大多采用直动式：而在大流量，如1 0 通径及以 上通径阀中，采用先导式结构。与伺服阀不同，几乎所有种类、功能的普通开 关阀，都有相应功能、种类的电液比例阀。按照功能大致可分为电液比例压力 阀( 溢流阀，减压阀) 、电液比例流量阀( 节流阀及调速阀) 、电液比例方向阀 ( 方向节流阎、方向流量阀) 及复合功能控制阀如p q 阀等。电液比例阀，大 多采用锥阀及滑阀作为其先导级，主级有滑阀式、锥阀式及插装式。 电液比例阁又可分为二种不同的基本类型，带位移电反馈与不带位移电反 馈型。配用不带位移电反馈电磁铁的比例阀，其特点是廉价，但其功率参数、 重复精度、滞环等将受到限制。它适用于对控制精度要求不是很高，但对可靠 浙江大学硕士学位论文 性要求很高的场合，如工程机械控制。配用带位移电反馈电磁铁的比例阀，则 与此相反，它能满足高精度的要求，这一特点特别适用于各种工业控制。 为了提高伺服阀的抗污染能力，使它适应于一般工业应用，出现了伺服比 例阀它部分吸取了电液比例阀的优点，采用比例电磁铁作为电机械转换器；同 时它的阀芯与阀套的结构及加工工艺，又部分吸取了伺服阀的特点。目前，比 例电磁铁性能有了大幅度的提高，电磁力更大，频响更高；此外，机加工手段 的进步，使伺服比例阀的配合精度，也能达到原来伺服阎的精度。目前伺服比 例阎的控制性能，已达到或接近伺服阀的水平，已能满足绝大部分工业领域闭 环控制要求，而相对于伺服阀来讲，伺服比例阀的抗污染能力大为提高了。 早在1 9 6 0 年代，人们就开始注意数字式比例阀的开发，这类元件的优点是， 对油质的污染不敏感，工作可靠，重复精度高，成批产品的性能一致性好；其 缺点是由于按照载频原理工作，故控制信号频宽较模拟器件低。数字式电液控 制器件的电一机械转换器，主要是步进电机和按脉宽调制方式工作的动铁或动 圈式力马达。数字式电液系统，实际是一种电液数一模转换系统或载频调制系 统，其控制分辨率或精度，取决于每一脉冲的当量步长或调制精度。数字阀的 额定流量很小，只能用于小流量控制场合，如作为电液控制阀的先导控制级。 表1 电液控制阀性能 类别 电液 电液伺服电液比例阎电液 劳烂 伺服阀 比例阎 普通型电反馈型数字阀 过滤精度 1 3 91 6 1 31 6 1 1 31 6 1 1 31 6 1 3 ( i s 0 4 4 0 6 ) 1 5 1 1 l1 8 1 1 41 8 1 41 8 1 41 9 1 5 滞环( )o 1 1o 1 】。5o 5 7o 2 1 5 频宽( i - i z )1 0 0 5 0 05 0 1 5 01 0 4 02 0 6 0 中位死区无无有有 力马达或 e m 转换器比例电磁铁比例电磁铁力矩马达 力矩马达 控制方式闭环闭环开环闭环 当前，一方面，由于微电子技术的长足进步，高响应高性能微处理器及a _ d 、 d a 的出现，模拟量与数字量之间的联系及转换更易实现；另方面，现在比 例阀放大器的功率放大级，已普遍采用脉宽调制技术；伺服控制、比例控制技 术的相互渗透。四种不同的电液控制阀的性能及过滤精度要求，如表1 所示。 总的说来，它们都有其特点，在实际应用中，应根据具体控制对象的特点来选 择合适的电液控制阀。 浙江大学硕士学位论文 1 3 电液比例控制器的发展 1 3 1 伺服比例器件电路原理 比例控制电路是伺服比例器件的重要组成部分。它为比例电磁铁提供特定 性能的电流，并对电液伺服器件或电液比例控制系统进行开环或闭环调节。其 原理框图见图1 - 1 。 由图可见，一般的伺服比例阀的电气控制系统分为5 个部分： 1 比例放大器 图1 1 中的点划线部分为比例放大器。它是电器控制系统的核心，信号处 理及放大是在比例放大器中完成的。一般对比例放大器有以下要求； ( 1 ) 良好的稳态控制特性： ( 2 ) 动态响应快，频带宽； ( 3 ) 功率放大级的功耗小： ( 4 ) 抗干扰能力强，有很好的稳定性和可靠性； ( 5 ) 较强的控制功能； ( 6 ) 标准化，规范化。 。- 一。- 一 比例放大器 控帝r j n n i 叫处 言理- g - h 簇h 鲁例篙卜 编程电路广 i i , t上 逻辑控制 j lj 口d u m a传感器 2 电源电路 电源电路包括电源供给电路和滤波、稳压电路等。电源一般由2 2 0 v 交流 电降压变为2 4 v 直流电。现在的比例控制器般用2 4 v 直流供电，而省去了 a c d c 变换，特别是在工程作业时，都由蓄电池供电。这部分电路是比例控制 器的外部电路。它为整个电器控制系统提供能源。 浙江大学硕士学位论文 3 控制信号输入编程电路 这部分电路用来产生给定值，作为输入控制信号的参考值。在模拟控制器 中，控制信号输入电路通常采用电位器或信号发生器来产生阶跃变化或连续变 化的控制信号。而在数字式比例控制器中，这些信号可由微控制器( 单片机) 编程实现。 4 逻辑控制电路 逻辑控制电路用于协调生产过程中对性能的要求与控制信号的生成之间的 关系，实现整个工作过程的自动化。并对设备提供安全措旄。有些比例控制器 包括一些简单的逻辑控制电路。复杂的逻辑控制可由可编程控制器完成。 5 传感器检测放大电路 为实现对伺服比例器件的闭环控制，常常需要对阀芯位移或控制对象的状 态进行检测，因此需要在比例控制器中配置响应的测量放大电路，以实现对这 整个电液控制系统的闭环调节。 1 3 2 电液比例控制放大器的发展历程 电液比例控制器的发展是与电液比例阀的发展密切相关的。电液比例技术 的发展大致可划分为三个阶段，比例控制器也随之逐渐成熟。7 0 年代是电液比 例技术的诞生时期，这一阶段仅仅是将比例电磁铁用于工业液压阎以代替开关 电磁铁或调节手柄，最初的比例控制器设计为模拟恒压式，控制性能较差，且 多为开换控制。以后，发展为恒流式，其特点是：能够抑制负载阻抗热特性的 影响，带铁芯感性负载动态性能优于恒压式。因此，恒流式已取代了恒压式。 现在的模拟式比例控制器都采用恒流式。 7 0 年代后期到8 0 年代初，比例技术的发展进入第二阶段，比例控制器也 有了模拟式和开关式之分。开关式的频率较低，一般在2 0 0 h z 左右。 模拟式的功率放大管工作在线性放大区，功耗大、温升高，不仅降低了电 功率的利用率，还加重了电源变压器、大功率整流和大功率器件的负荷，增大 了散热装置的体积，提高了对大功率器件的功率器件的功率、温度等性能指标 的要求，影响了控制放大器的可靠性，限制了它在高温环境下的应用，同时也 增加了放大器的成本。反之，开关式功放管始终工作在饱和区或截止区，功耗 很小，温升也低。仅就降低管耗这点来讲，开关式要优于模拟式。脉宽调制技 术最初是在无线电技术中用于信号的调制，后来在电机调速中褥到了很好的应 用。因此人们尝试在电液比例控制中使用开关频率较低的脉宽调制技术。 此外，在实验中发现采用在控制信号上叠加一定频率、幅值的交流信号， 可以明显的降低比例电磁铁的摩擦滞回。于是，在比例控制器中设置了所谓的 颤振电路。它实际上是一个频率和幅值可对立调节的波形发生器，其输出信号 经功率放大，得到颤振电流。 为使电液比例阀的性能进步提高，在比例控制器中又设置了测量放大电 路、反馈比较电路和调节器环节。利用一些传统的控制算法，如p i d 等，形成 闭环调节，可以获得很好的控制特性。 浙江大学硕士学位论文 8 0 年代以后，比例技术的发展进入了第三阶段，比例元件的设计原理进一 步完善，随着大规模集成电路的发展，由分立元件设计的比例放大器逐渐为集 成电路所代替，使比例放大器的可靠性和性价比都优于早期的放大器。由于频 率较低的开关式比例控制器不能加颤振信号( 其开关频率与颤振信号频率接 近) ，又研制了频率较高的p w m 比例控制放大器，开关频率在几千赫兹，使得 颤振信号可以加于控制信号，而又具有开关式比例控制放大器的特点。提高开 关频率还可以减小比例电磁铁线圈电流纹波受开关特性的延迟时间的影响，但 开关频率的提高有一定限制，开关频率过高回导致功放管的开关过渡时间占开 关周期过大，使功放管的动态功耗增加，这样开关式攻放管的优势就显不出来 了。 比例控制放大器的负载是比例电磁铁的线圈，其等效模型是一个电感。为 提高输出电流抗电源电压波动和负载阻抗变化的能力，改善电流动态性能，在 保证功率放大级工作稳定的前提下，一般将前向通道的电压放大倍数尽可能提 高。因此在电流动态过程中，只要输出信号与设定值有较小的偏差，功放管立 即进入截止或饱和状态。所以，功放管处于饱和或截止状态时电流的响应速度 分别决定了比例电磁铁正向和负向阶跃响应速度的上限。工作过程中，比例电 磁铁线圈电阻的功率损耗转化为热量，引起线圈温度升高，电阻增大。为维持 比例电磁铁高温下的恒流特性，一般的选择是使e b 例控制放大器的电流衰减速 度小于电流增长速度，并留有相当的余量。但是，这样限制了比例电磁铁的负 阶跃响应速度，使其频宽受到影响。 为改善比例电磁铁线圈的动态性能，对放大器的功放部分作了一些改进， 主要有如下方法： 1 电阻法 电阻法是在比例电磁铁的线圈上串接一个附加电阻，以减小电磁铁的“l r ” 惯性环节的时间常数，加快电流响应速度。但附加电阻的串入，减小了功率放 大器可输出的最大电流，且增大了功耗。 2 高低压驱动法 高低压驱动的基本思想是：为提高电流增长速度，在开始时线圈由高压电 源供电，当电流增长到一定数值时，高压电源自动切除，由低压电源供电，维持 线圈所需的电流。这种方法虽能改善电流增长速度，但对电流下降速度没有任 何效果，而且在只有一个电源特别是蓄电池供电时难于实现。 二极管加电阻续流法是利用在二极管续流回路中串电阻的方法，可以加侠 电流的衰减速度。但当开关管的开关频率较高时，电阻的功耗较大，提高了开 关管所承受的反压。二极管加稳压管续流法是在电流衰减时的续流回路中串接 一个稳压管，虽不能改善电流上升速度，但能使电流下降速度明显改善，只是 提高了开关管承受的反压。 4 反接卸荷法 反接卸荷法也称为快速性功率驱动电路。它是基于在电机调速中。把电机 绕组线圈的电压反接可明显改善其动态特性的思路。其基本原理是：当电流衰 浙江大学硕士学位论文 减时，控制线路使比例电磁铁供电电源反接于线圈两端，加快电流衰减速度。 这种可使比例电磁铁线圈电流的负阶跃响应时间大大减小。但是，其控制电路 较复杂，而且在实际应用中，一般比例控制器停止工作时，电源同时切断，此 时该方法就无效了。 近年来，随着数字计算机的发展，微电子技术、计算机技术和液压技术的 结合，比例控制放大器的发展又进入一个新的阶段，出现了数字式的比例控制 放大器。数字式的比例控制放大器有以下构成方式： 1 混合式 如图1 2 所示，这是数字式与模拟式的结合，由微控制器m c u ( 单片机) 完成各种的复杂的控制运算，然后输出数字式的控制信号，该信号经过d a 转 换后变成模拟信号，由功率驱动级放大后驱动比例电磁铁线圈，比例阀的铁芯 位移用传感器检测后，经a d 转换后送入微控制器处理。这种控制方式，易于 实现，稳定性和精度较高，而且，灵活性较好，可根据不同的实际情况。采取 不同的控制方案，避免了纯模拟式电路，控制功能必须与硬件一对应的缺点。 由于许多功能由外部硬件实现，对微控制器c p u 的要求不高，而且c p u 的负 担也不重。但是，如只是控制一个比例电磁铁。这种方法显然会造成资源浪费。 图1 2 混合式比例控制放大器 2 直接数字式 为充分利用微控制器的功能，直接数字控制式，在图1 - 2 的基础上取消了 d a 转换电路，用微控制器直接产生p w m 信号经功率放大控制比例电磁铁线 圈，在功率放大电路中省掉电流负反馈。直接由传感器检测阀芯位移，经a d 转换后送到微控制器，形成闭环调节。这种方式，电路简单，功能灵活，但是 参数调整较多，软件算法复杂。 3 主从式 这种方式由工控机作为数字控制器，见图1 3 。这种方式的特点是：通用 性好，有良好的人机界面，研制周期短，并有很高的可靠性。在图1 3 中，功 率模块一般依据s t d 标准自制。这种方式实际是一个伺服控制系统。成本较 高，系统响应速度不高。 总之，对比例控制放大器的基本要求是：能及时产生正确有效的控制信号， 这意味着： ( 1 ) 必须要有正确无误的逻辑控制与信号处理装置： 浙江大学硕士学位论文 图1 - 3 主从式比例控制放大器 ( 2 ) 信号的幅值和波形都应满足比例阀的要求； ( 3 ) 为减小滞环的影响，放大器的输出电流应含有一定频率和幅值的颤振 电流分量； ( 4 ) 为减小系统过渡过程的冲击，对阶跃输入信号能自动生成速率可调的 斜坡信号； ( 5 ) 对传感器的反馈信号进行闭环调节： ( 6 ) 功率放大级能产生比例电磁铁所需的电流。 1 4 国内外对比例控制放大器的研究状况 电液比例阀从7 0 年代出现以来，国外对比例放大器的研究、生产技术领先 于国内。如德国的r e x r o t h 、b o s c h ；美国的m o o g 、v i e k e r s 、p a r k e r ；日本的 油研等公司均有规格齐全的系列化产品应市。国内在着方面的研究要落后于国 外，但也开发研制成功一系列通用型单向及双向模拟式、开关式和快速型比例 控制放大器。综观国内外电液比例控制器的研究和生产现状，目前电液控制系 统中的电子技术发展特点为： 1 集成化 许多公司的比例阀上集成了比例放大器、传感器、测量放大电路。如r e x r o t h 公司的4 w r s e 系列伺服比例阀。 2 数字化、智能化 为实现智能控制，许多公司的比例放大器都采用了微控制器作为核心的控 制方式，由m c u 处理各种指令、反馈信号以控制比例电磁铁，并宣接与计算 机接口，用微机进行编程控制。 3 控制系统化 现在，国外先进公司已完成了“液压”向“控制”系统的转变。厂商提供 的不单是比例阀及比例放大器，还包括系统( 位置、速度等) 的电控器及各类 器件，用户只需选择合适的产品就能实现理想的电液控制系统。 浙江大学硕士学位论文 1 4 2 存在的问题 比例控制放大器在国外虽然已得到广泛应用，但是也存在些问题。如使 用时互换性较差；在需要开关信号时，又必须使用控制箱来插入指令信号生成 板，增加了整个系统的体积和复杂性。 国内来看，对比例控制放大器的研究相对落后于国外。工业中实际使用的 比例控制器大都由国外进口。就国内控制放大器的具体电路开说还存在如下问 题： 1 在比例放大器的电源供给方面，传统的比例控制放大器般采用线形电 源，从稳压电源中引出一参考零位。该参考零位实际比电源地高出一定的电压。 当实际地线与参考零线接错时，将烧毁电控器上的集成电路；而且在实际应用 中参考零位的温漂和零漂是相当严重的，这样就降低了系统的稳定性和抗干扰 能力。 2 如何有效的抑制温漂、零漂是国内外比例放大器所面临的共同问题，当 环境条件比较恶劣时，模拟式比例放大器的零漂和温漂会使系统的误差达5 ， 这在精度要求较高的场合是不允许的。 3 可靠性差，国内比例放大器不具备逻辑保护电路，当系统故障发生时， 不能及时指示故障原因。 4 功能单一，国内比例控制器一般还不能称为控制系统，它只能完成单一 的把电压信号转换成驱动比例电磁铁的电流信号。 5 论文意义和主要研究内容 电液比例控制技术，从问世以来，特别是近十年的的发展，也已成为一门 技术比较成熟的工程控制技术，产生了规模品种齐全，系列化、标准化的各种 比例控制阀和比例控制泵，构成了各种满足各自工况的典型比例控制系统。然 而，在电液比例控制技术自身不断发展的同时，微电子技术、传感技术和计算 机控制技术也在迅猛发展。如何使电液比例技术与微电子技术、传感技术、计 算机技术和现代控制理论的有机结合，发挥其各自的优点，相互补偿不足之处， 提高控制系统的可靠性和控制特性，已成为当前急需解决的课题。 本论文以实际的运用对象为基础，在对模拟式比例控制器的重新设计的基 础上，研制了一种新的数字式智能电液控制系统，为将微电子技术、电液技术 和现代控制技术的有机结合以及使其智能化、集成化并在工程应用中推广打下 定基础。 具体来说，论文主要研究内容如下： 首先针对传统比例控制放大器的问题，设计了新型比例控制放大器的电源， 并提出动态稳零和直流斩波放大的方法，以解决比例控制放大器的零漂和温漂 问题。还增加了比例控制放大器的检测放大电路、保护电路。 其次，以实际的工业应用对象为基础研制了配套的调平控制器和带电控器 9 浙江大学硕士学位论文 的电液转换执行机构。 再次，为实现比例放大器的控制系统化和智能化，研制了一种数字式智能 控制系统。 最后，把智能控制系统同模糊控制理论相结合用于实际工程机械行走系统 中，给出智能控制在电液比例技术中应用的一个示例。 新型电液比例控制器电源的设计 第二章新型电液比例控制器电源的设计 2 1 比倒控制器电源电路概述 电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力【1 2 1 ，对电液比例控制器也不例 外。一般电液比例控制器电源电路的作用是：从标准电源( 如：2 2 0 v ，5 0 h z 交流市电、2 4 v 直流蓄电池电源) 进行a c d c 或d c d c 变换，得到控制器正 常工作所需要的稳定电压，并且在电网电压，负载电流及环境温度于允许的范 围变化时，保证输出直流电压的稳定性【4 】。为保证控制器工作的可靠性，电源 电路还应具有过流、短路、极性反接等保护功能。 常见的比例控制器电源电路一般由整流、滤波、稳压、过载保护等部分组 成。输入电源是2 2 0 v ，5 0 h z 交流市电时，用变压器、整流桥变换成2 4 v 直流 电压输给比例控制器的插板；当用2 4 v 直流电源供电时，可以直接输入到控制 器的插板。一般的比例控制器电源电路多为分压式，对输入的2 4 v 直流电压进 行滤波，稳压，通过选择新的电压参考点，得到以新参考点为基准点( 信号地) ， 能满足比例控制器中运算放大器等集成电路正常工作所需的正负电源( v c c ) 。 很明显，这种方式产生的正负电源的零位( 虚地) 比实际输入的电源地要高， 在实际使用中，两者( 信号地、电源地) 不能共接，一旦接错将烧毁放大器； 而且稳定性和抗干扰性差，随着时间、温度的改变，信号地电位将漂移。另外， 采用这种电源方式的比例控制器在使用中输入的给定电压信号的零位须与比例 控制器的零位相同，否则控制器无法正常工作：而实际应用中，用户的给定电 压信号零位一般与电源地相同，要使控制器正常工作须把用户的给定电压信号 零位提高。如果用户输入的是电流信号，控制器就不能正常工作了。 2 2 开关电源d c - d c 变换原理 对现行比例控制器电源电路存在的问题与缺点，用开关电源的原理可以很 好的解决。所谓的开关电源既是用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态 转变为另一形态，且在转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节的开关变 换器电路。近年来，随着新的电子元器件、新的电磁材料、新变换技术、新的 控制理论及新软件的不断涌现并应用到开关电源【1 6 1 ，使其各方面性能大大提高， 越来越多的在邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电 器等领域得到应用。 开关变换器电路分为：a c a c ( 包括a c d c a c ) 变换、a c a c 变换、d c a c ( 称为逆变) 变换、d c d c 变换。比例控制器的电源输入为2 4 v ，本文主要分 析d c d c 直流变换。 浙江大学硕士学位论文 2 2 1d c d c 交换器的基本手段及原理 最简单的直流变换方法是串一个电阻对输入直流电压分压，虽然简单，但 效率不高，也不能使输入电压反相。用一个半导体功率器件作为开关，使带有 滤波器( 电感l 或和电容c ) 的负载线路与直流电压相接，一会接通，一会断 开，在负载上也得到另一个直流电压，这就是d c d c 的基本手段，其作用类似 于斩波( c h o p ) 。 开关变换器主要有三种控制方式：脉宽调制( p w m ) 、谐振式或两者的结 合式。 在一个周期瓦内，电子开关接通时间。所占整个周期瓦的比例，称接通 f 占空比d ，d = 导；断开时间白所占瓦比例，称的；断开占空比d ， d = 娑。显然，接通占空比p 越大，负载上的电压越高；周期瓦的倒数称 ，： s 开关频率不。乓越高，负载电压也越高。脉宽调制即周期五不变，通过改变接 通时间。来改变输出电压，它是以“硬开关”为特征的( 电子开关导通时电压 不为零，关断时电流也不为零) ，故开关损耗较大，但控制容易。 根据电路理论，当加在理想的( 无寄生电阻) 电感和电容串联电路上的正 弦电压的频率为某一值时，容抗与感抗相等，电路的阻抗为零，电路的电流达 无穷大，这称为串联谐振；如正弦电压加在电感和电容的并联电路上，当正弦 频率为某一值时，电路的总导纳为零，电感、电容元件上的电压为无穷大，这 称为并联谐振。在开关电源中，加的不是正弦电压，而是直流电压。在串联l c 电路中加上直流电，使电路中的电流按正弦规律无阻尼振荡，振荡频率即电路 的谐振频率。利用谐振现象，使电子开关两端电压按正弦规律振荡，当振荡过 零时，使电子开关导通过电流，成为零电压导通( z v s ) 。同理当流过电子开关 的电流振荡过零时，使电子开关关断，成为零电流关断( z c s ) 。这种方法即谐 振式控制，以“软开关”为特征，开关损耗小，但控制复杂。由于正向和反向 l c 回路的不对称性，振荡也是不对称的，一般正向半波大于反向半波，这常称 为准谐振，以这种方式构成的d c d c 变换器也称为准谐振变换器。 由p w m 和准谐控制方式结合可构成零开关p w m 变换器。它是指在准谐 振变换器中，增加一个辅助开关控制电路，使变换器在一周期内，一部分时间 按z c s 或z v s 准谐振变换器工作，另一部分时间按p w m 变换器工作。这样， 变换器既有软开关的特点，又有p w m 恒频调宽的特点。其原理框图见图2 一l 。 由图2 - 1 ，输入直流电用开关元件( 变换器) 变换成脉冲交流电，又经过平 滑整流后变换成直流输出。该电路的基本工作方式为：直流输出电压反馈采样 与基准电压通过比较电路进行比较，得到的误差电压经放大后，由p w m 控制 电路反馈，控制开关元件的占空比调整输出电压，且使电子开关在在一周期内， 一部分时间按z c s 或z v s 准谐振变换器工作。 新型电液比例控制器电源的设计 图2 - 1p w m 开关电源d c d c 变换原理框图 2 2 2 基本的p w m 变换器主电路拓扑 1 、降压式斩波电路( b u c k 电路) 该电路代表了开关电源的基本原理。图2 2 、图2 - 3 是其基本电路和各部分 波形。 v 图2 - 2b u c k 变换器电路 v o 由图2 2 、2 3 电路工作方式如下：当开关t ，导通时，电流栌f ：流过电