电液比例电控技术与检测

电液比例系统,2006.7.20,2,第六章电液比例电控技术与检测,61概述62电源电路63比例控制放大器64编程器电路65比例放大器的使用及调整,3,61概述,电脑比例控制系统的优点是充分利用液压控制与电气控制的长处。即在功率传递方面利用液压传动的大功率，响应快速的优点，在信号处理方面利用电气信号的处理运算方便的优点，并且可以对被控液压参数的大小进行电气遥控和无级转换。这样使液压阀自动地参与各种自动控制过程，无需象常规控制中经常用要人工控制的参与，从而使整个液压系统的控制水平得以大大的提高。使电液比例系统获得广泛的应用。,第六章电液比例电控技术与检测,4,61概述,611比例放大器的基本技术要求为了使比例系统获得预期的功能，必须对比例阀进行正确的控制。这一任务是由比例放大器来完成的。概括起来，对比例放大器的基本要求是：能及时地产生正确有效的控制信号。及时地产生控制信号意味着除了有产生信号的装置外，还必需要有正确无误的逻辑控制与信号处理装置。正确有效的控制信号意味着信号的幅值和波形都应该满足比例阀的要求，与电机械转换装置相匹配。为了减小比例元件零位死区的影响，放大器应具有幅值可调的初始电流功能；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；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输入信号。此外，控制系统中用于处理的电信号一般为弱电信号，而比例电磁铁的控制功率一般都在1520VA左右，甚至更大，因此放大器还应带动功率放大级。,第六章电液比例电控技术与检测,5,61概述,综上所述，比例放大器是一个能够对弱电的控制信号进行整形、运算和功率放大的电子控制装置。为了简化应用技术，目前已发展了适应不同场合和具有完善功能的标准电控器单元，可以适应不同的比例元件或控制要求。利用这些单元，可以方便地组成电气控制系统。一般情况下，仅需按技术要求选用标准单元，并加上必要的简单外围电路，便可以组成一个完整的电气控制系统。,第六章电液比例电控技术与检测,6,61概述,612比例阀的电气控制组成一个典型的比例阀电气控制系统可以分成以下五个部分：,第六章电液比例电控技术与检测,7,61概述,1.比例放大器它又称为电控器，是图中的点划线内部分。它本身包含多种有特定功能的基本电路，是电气控制系统的核心部分。信号的处理及放大是在比例放大器内完成的。它与外围电路一起构成比例阀的电气控制系统。通常它有一个或两个输出通道，把经过放大的功率信号送到比例电磁铁。双输出通道的用于控制比例方向阀，单输出通道的用于控制其它的比例元件。比例放大器通常用于力控制型比例电磁铁，或行程控制型电磁电。用于控制后者的都带有位置捡测反馈通道，如图示，该反馈通道专用于阀芯的位置反馈。,第六章电液比例电控技术与检测,8,61概述,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。前一部分通常利用220V交流电源经降压整流后变成直流24V然后接入比例放大器，是比例放大器的外部电路。后一部分电路通常已经包括在比例放大器内部，是比例放大器的内部电路。电源电路的功能是对整个电气控制系统提供能源。3.控制信号输入编程电路用于产生给定值，作为输入控制信号的参考值。控制信号输入电路通常采用电位器组或信号发生器来产生阶跃变化或连续变化的控制信号。如果要求比例间跟踪榴人信号连续变化，这时应切除比例放大器内的斜坡信号发生器。,第六章电液比例电控技术与检测,9,61概述,4.逻辑控制电路它的功用是协调生产过程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施。有些比例放大器中已包括一些继电器组成的电路，可用于较简单的逻辑控制。复杂的逻辑控制可以外接继电器或可编程控制器等来实现。5.传感器闭环控制中传感器检测实际输出值，并构成反馈。构成闭环有两种形式，一种称为阀内闭环，常见的是阀芯位移的反馈；另一种称为外闭环，是对系统的实际控制量的反馈。后者是闭环控制系统，前者对控制量来说仍然是开环的。,第六章电液比例电控技术与检测,10,62电源电路,电源电路包括两部分，就是在外的电源供给电路和在内的稳压电路。比例放大器外的供给电路可以来用24V的直流电源，但更常用的是采用交流220V电源，经整流、滤波后转换成24V的电源。在内的稳压电路的主要作用是分离出比例放大器正常工作中所需的各种直流稳压电源。对电源电路的要求是在外界电压变化、温度变化及负载变化的允许范围内。保证输出的直流电压稳定不变。并要求电源电路具有过载保护功能，在各种情况下仍能正常工作。,第六章电液比例电控技术与检测,11,62电源电路,第六章电液比例电控技术与检测,比例放大器的电源电路组成部分,12,62电源电路,62.1整流电路利用二极管的单向导电性，将交变电压变换成单向脉动电压的电路称为整流电路。在比例电控技术中广泛使用的是单相桥式整流电路。单相桥式整流电路及破形如下图所示。,第六章电液比例电控技术与检测,13,62电源电路,62.2滤波电路整流后输出的电压是脉动直流电压。其中交流分量较大，还不适宜于电子放大器的正常工作。因此需要有滤波电路把脉动直流电压变成平滑的电压。这种滤波电路实质是一个低通滤波电路。全波整流输出时，几种滤波电路的比较如下表所示。,第六章电液比例电控技术与检测,14,62电源电路,比例放大器中较常使用电容滤波电路，它是在整流电路的轴出端按一个较大的电容器C与负载并联，如图所示。,第六章电液比例电控技术与检测,15,62电源电路,62.3稳压电路经整流滤波后的直流电压的波纹系数已经很小，可以直接用于对比例电磁铁供电，但用于比例放大器内电路的控制电压时，还容易由于干扰，不能满足要求，因此需增加稳压电路。又由于放大器内的各单元多数以运算放大器为基础构成，要求由正、负电源供电，因此又要求分压成稳定的正负电源，并扩大输出电流。可见，比例放大器的稳压电路实质上由二级稳压电路组成：第一级以滤波后的电压为输入，输出一个较高的稳定电压；第二级把此电压再分成两个正、负稳压电源，用于内部控制供电和向外部指令电位器提供标准电压。,第六章电液比例电控技术与检测,16,62电源电路,串联型稳压电路如图示，整个电路由四个基本环节组成：1）取样环节，2）基准电压，3）比较放大，4）调整环节。,第六章电液比例电控技术与检测,17,62电源电路,集成稳压电路是将调整管、放大电路、电压基准、恒流源和各种保护环节都集成制作在一小片单晶硅上的集成块电路。常用的三端式集成稳压器，输出电压有可调的和不可调的，有输出正电压的和输出负电压的。它们的管脚排列及接线如下图。将它们组合起来可以形成双电源稳压电路。,第六章电液比例电控技术与检测,正电压,负电压,18,62电源电路,第六章电液比例电控技术与检测,集成稳压电路组合形成的双电源稳压电路,三端式稳压器作正、负输出,单电源改双电源,19,63比例控制放大器,比例放大器是一种专用的电子装置，用来对比例阀的控制电磁铁提供特定波形的控制电流，并对整个比例阀或系统进行开环或闭环控制。所以比例放大器应具有相应的功能相适应能力，以满足生产上的需要。各种类型的比例放大器的内部电路不尽相同，但它们都是由一些基本信号处理单元组成。由集成运算放大器组成的电路，其性能比晶体管电路优越，温漂小，体积小，可靠性高，设计使用力便。因此，现代的比例控制放大器都采用由运放组成的电路，来完成放大、振荡、稳压、信号处理、比较、AD和DA变换等各种功能，下面对常用的基本电路作一简单介绍。,第六章电液比例电控技术与检测,20,63比例控制放大器,（1）比例运算放大电路运算放大器用作比例放大时，能够实现输出量与输入量之间线性比例关系。根据输入信号的输入方式不同，有反相输入、同相输入和差动输入三种形式。a.反相放大这种电路的输入信号是从反相输入端引入，是最基本的运算放大电路，以它为基础可以构成多种比例运算相放大电路。基本反相放大器电路如下图所示。,第六章电液比例电控技术与检测,21,63比例控制放大器,电路输出电压：u0=-Rfui/R1可见，反相放大时，输出电压与输入电压之间之关系决定于比值Rf/R1，与放人器的放大倍数无关。式中的负号表示输小电压与输人电压反向。,第六章电液比例电控技术与检测,22,63比例控制放大器,在上图中，如果Rf=R1，则电路输出电压u0=ui在这种情况下，运算放大器作变号运算，称为反相器。反相器在三位四通比例方向阀的双通道的电控器中获得应用。在反相放大器的输入端安排多条支路并接，在输出端就可实现多路信号线性迭加，即反相加法器，如下图示。如果R1=R2=R3，各路信号按相同比例迭加，如某一路输人信号为反相，则对该信号作减法运算。反相加法器的优点是。每增加一路信号输入，只需增加一个电阻，而且加数值很容易确定。由于存在“虚地”，各路输人信号之间互不影响。,第六章电液比例电控技术与检测,23,63比例控制放大器,第六章电液比例电控技术与检测,24,63比例控制放大器,b.同向放大器同相放大路的电路如下图所示。输入信号从同相输入端引入，为平衡电阻，反相输入端经接地。电压输出：u0=（1+Rf/R1）ui,第六章电液比例电控技术与检测,故输出电压与输入电压成比例，比例系数为大于等于1的正数。同相放大器的优点是输入电阻很大，一般达10M以上，所以常用作电压跟随器。,25,63比例控制放大器,c.差动放大器差动放大器两个输入端都有输入信号，如图示。,第六章电液比例电控技术与检测,26,63比例控制放大器,设同相输入端的信号ui2，反向输入端的输人为ui1，则输出电压：,第六章电液比例电控技术与检测,若外部电阻满足匹配条件，即R1/Rf=R2/R3,或R1=R2，R3=Rf，则输出电压u0=Rf（ui2ui1）/R1=Kfui式中ui=ui2ui1，称为差模，KfRf/R1称为差模放大系数，Kf1时，可以做成减法器。,27,63比例控制放大器,（2）调节器电路常用的调节器电路可被称为一种广义反相型和同相型放大电路。反相放大器和同相放大器的输入回路和反馈回路均为纯电阻。在有些场合，根据需要，它们可以是电抗元件或阻抗网络。例如各种调节器就是这类型的电路。如图所示，用Zz，Zf和Zp代表各回路的总阻抗。,第六章电液比例电控技术与检测,28,63比例控制放大器,比例放大器中常采用各种调节器，用以优化各类阀的性能。主要任务是当给定值发生变化时，调节控制对象的实际值与新的设定值相对应；另一主要任务是消除或减小干扰量对调节量的影响。常用的调节器电路有比例调节器（P调节器），积分调节器（I调节器），微分调节器（D调节器），PI调节器，PD调节器,PID调节器。通过各种调节器的组合形成的调节电路可以对输入信号和反馈信号进行调解，消除干扰，保证电磁比例阀的控制功能。,第六章电液比例电控技术与检测,29,63比例控制放大器,（3）信号发生和处理电路为了改善控制性能，适应不同的对象和工况，比例放大器中还设有多种信号处理和发生电路。例如为了改善起动停止性能，设有斜坡信号发生器或专门的函数发生器。为了改善迟滞特性，设有颤振信号发生器等。下面对常用的信号发生与处理电路作一介绍。a.斜坡信号发生器斜坡信号发生器用于控制信号的上升变化和下降变化速度，使当输入阶跃信号时，能够以可调的速率无冲击地到达给定值要求，从而获得平稳而迅速的起动、转换或停止，进而提高生产率。,第六章电液比例电控技术与检测,30,63比例控制放大器,第六章电液比例电控技术与检测,斜坡信号发生器及其信号处理效果,31,63比例控制放大器,b.正弦波信号发生器正弦波信号发生器常用于产生颤振信号，以及用于差动变压器式位移传感器的测量放大电路。下图为采用二极管稳幅的文氏正弦波发生器。,第六章电液比例电控技术与检测,32,63比例控制放大器,c.方波和三角波信号发生器在比例放大器中也常用三角波信号发生器作为颤振信号源，此外三角波发生器还可用于组成脉宽调制信号发生器。在反相积分器的输入端加一串方波信号，求输出波形。如果是在积分器的输出端可以获得一连串正、负斜波交替电压，即三角波形，它的周期与方波相同。,第六章电液比例电控技术与检测,33,63比例控制放大器,d.脉宽调制（PWM）信号发生电路采用PWM信号控制比例电磁铁有很多优点，阀芯的运动响应PWM信号的平均值，使阀芯工作时处于微振动状态，大大减小比例阀的滞环，另外PWM信号的电流放大电路为开关式功放电路，放大器只工作在导通和截止状态，节能效果好。,第六章电液比例电控技术与检测,原理图,波形图,电路图,34,63比例控制放大器,（4）功率放大级功率放大级的作用是对各种控制信号进行综合和放大，向电机械转换装置提供足够大的驱动电流。对比例电磁铁，通常所需的驱动电流约为0.81.2A。此外，比例控制放大器还须要有良好的稳态和动态特性。为此，功率级的输入信号除给定控制信号(经斜坡函数发生器处理)外，通常还包括多种校制信号：颤振信号、初始电流设定信号、负载电流反馈信号、检测值反馈等信号。,第六章电液比例电控技术与检测,35,63比例控制放大器,根据控制信号综合后的处理方式不同，功率放大级有模拟式和脉宽调制(PWM)式两种。从结构上看，两者的主要差别是模拟式的放大器在各种信号相加后直接送功放管作电流放大；而后者在它们之间加入PWM环节。由于PWM信号中已包括了一定频率的脉动量，所以PWM式功率放大级无需另加颤振信号源。从内部工作情况看，PWM式的功效管工作在开关状态，开状态时，功放管的压降约等于零；关状态时通过功放管的电流约为零。因而使功放管的功耗大为降低，是一种节能的电路。相反，模拟式功放级工作在功放管的线性区，在非额定工况下能耗较大，同时也使发热增加，降低可靠性。,第六章电液比例电控技术与检测,36,63比例控制放大器,第六章电液比例电控技术与检测,模拟式功率放大级结构图,脉宽调制式功率放大级结构图,37,63比例控制放大器,（5）闭环控制的检测与反馈在电液比例控制系统中，存在两种闭环的反馈控制，第一种是阀内的小闭环。最常见的阀内反馈是阀芯位置反馈。另一种是系统输出量的实际值大闭环反馈。在大闭环中比较点的选择有两处，可以把比较点放在编程器处，也可以把比较点选在比例放大器内信号处理之后、功放级之前的PID调节器处。对实际值的检测与反馈，常常是比例放大器的内电路的一部分，但实际值的反馈种类很多，例如压力、温度、速度、位移等等、因此在通用的比例放大器内并不可能包括各类物理量的检测反馈通道，它们应根据具体情况专门设计。,第六章电液比例电控技术与检测,38,63比例控制放大器,图示为用于检测位移的反馈通道。它由五个环节组成：正弦波发生器、解调器、断线检测器、PID调节器和匹配放大器。应指出对不同的传感器类型，检测反馈通道的组成环节是有所不同的。,第六章电液比例电控技术与检测,39,64编程器电路,编程电路也可称为输入信号发生电路，设定值输入电路等，用于向比例放大器发出指令信号，亦即给定信号。本质上是向比例放大器提供参电压，作为输入控制信号。对于开环系统，它就是实际的控制输入，对于闭环系统，它还要与反馈信号比较，得出的偏差值才是真正的控制信号。编程电路通常包括两个部分：信号发生电路及逻辑控制电路。前者解决控制信号的幅值问题，后者解决控制信号的出现时间或顺序问题。,第六章电液比例电控技术与检测,40,64编程器电路,如果控制信号的幅位和出现顺序完全由人工手调控制就你为手动编程或手动控制；如果信号的幅值和顺序是根据生产要求预先安排的就称为可编程控制或程序控制；如果信号的大小和出现时间完全由过程本身决定，无须人工干预，这样的控制称为自编程控制或自动控制。比例控制系统的编程电路可以非常复杂，例如是以台数字计算机，但最简单的也可以是一个电位器。,第六章电液比例电控技术与检测,41,64编程器电路,（1）电位器编程电路电位器编程电路即利用一个变阻器进行调节来实现对输出电压的调整。这种方式简单可靠，调整方便，是目前最常见的编程电路。出于对大多数应用，所需的控制程序并不复杂，仅需要为数不多的控制级数，所以电位器编程电路也是某些通用比例放大器的内电路的一部分。（2）模拟式电位器手调电位器虽然可以得到无限种电压，但操作起来不够方便。因此可以用一些电路组合成为模拟电位器实现电位器的功能。,第六章电液比例电控技术与检测,42,64编程器电路,（3）非周期函数发生器在连续输出变化的控制中，有时要利用函数发生器来产生给入控制信号。常见的有正弦波、三角波发生器，这一类称为周期函数发生器。它们有现成的电路线仪器可供利用。另一类称为非周期函数发生器，用来产生特定形状的非线性控制信号。当需要产生某种形状的曲线函数时，是采用分段线性化的办法来近似代替曲线。这样每一段是线性关系，从而可以来用运放比例放大器来实现。各段之间的转换可采用稳压管等非线性元件转换。如果支路愈多、分段愈细，折线与曲线就更接近，模拟就更准确。,第六章电液比例电控技术与检测,43,65比例放大器的使用及调整,为了获得最佳的匹配和最理想的控制效果，对不同的比例阀或不同的控制对象，应选用相应的比例放大器，当通用的比例放大器不能满足要求时，还应根据需要设计专用的比例放大器。为了适应各种工作对象和工况目前己发展了种类繁多的标准比例放大器插板，各自具有不同的输入、输出方式。根据比例电磁铁的特点，比例放大器大致可以分为两类：不带电反馈的和带阀芯位移电反馈的比例放大器。前者配用力控制型比例电磁铁，后者配用行程控制型的比例电磁铁。为了说明其特点，下面结合单通道力控制型比例放大器进行介绍。,第六章电液比例电控技术与检测,44,65比例放大器的使用及调整,单通道力控制型比例放大器是最简单的一种比例放大器。主要用于控制先导式溢流阀和减压阀，比例节流阀、比例泵和比例马达等由单个力控制型比例电磁铁驱动的比例元件。它的内部电路比较简单，所需的外部接线也较少。图示为单通道比例放大器的框图。,第六章电液比例电控技术与检测,45,65比例放大器的使用及调整,图中两条点划线间为比例放大器的内部回路。方块1表示滤波和稳压器，它的功能是对电源提供的24V直流电压作进一步的平滑滤波，滤波后一部分供功放级作功率放大，另一部分经稳压后分离出正负电源电压供内部运放电路使用。另外还通过接线柱d、c(-9V)和d、e(+9V)向外提供稳定的正、负参考电压，供产生给定电压用。电位器的一只脚接于端子e(+9V)，另一只脚接端于d(0V)，电位器的动臂连接端子f，这样通过转动电位器便可得到0到9V的指令信号。当需要负指令电压时，电位器可接于d与c之间。图中方块2表示斜坡信号发生器，它并不改变输入信号的幅值大小，只改变它的变化速率，使它按一定的时间比率上升或下降。方块3表示匹配放大器。电流调节器4实质为一个加法放大器，使三个信号相加：一个信号为给定信号，来自匹配放大器3；一个信号来自RP1，使产生先导电流；还有一个颤振信号，来自颤振信号源6。功率放大器5有两个主要功能：它把控制信号放大到驱动电磁铁所需的功率水平；提供电流反馈，使通过线圈的电流稳定，与线圈温度、接线损失等无关。,第六章电液比例电控技术与检测,46,65比例放大器的使用及调整,为了获得最理想的效果，每一比例放大器