（机械电子工程专业论文）双向电液比例控制器的设计与实验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 摘要 f 现代液压工业的迅猛发展，要求其控制系统具有廉价、节能、维护方便、 适应大功率控制等特点以及具有一定的控制精度。现在工业生产中得到广泛应 用的比例液压阀多是在普通液压阀的基础上，采用廉价而可靠的比例电磁铁作 为电机转换元件，把电气控制信号转为机械信号，以代替原阀内的手动调节器 或普通开关式电磁铁。而作为比例电磁铁的电控设备，比例放大器一直是随着 比例系统的发展而发展的。由于比例阀已经发展出单通道力、行程控制比例阀， 双通道方向控制比例阀，广泛用于流量、压力、速度、位置控制等环节中，比 例放大器也本着这些功能研制出了单、双通道的比例电控器。但国内在开发比 例放大器方面一直停留在档位式调节基础上，具有连续调节式的比例放大器多 依靠进口。j ” 本论文所介绍的d c w 型双向电液比例控制器是用于双通道控制型比例 阀中，可控制两个比例电磁i k 论文中除了对放大器的电路做了介绍外，重点 是对放大器在比例控制系统的运行中做了大量的静态、动态参数测试，为比例 电磁阀的良好工作提供了一系列的参考数据。 由于比例放大器与比例阀是一一对应的关系，比例阀的正常工作很大程度 上是依靠对比例放大器的准确设定，所以比例放大器中各调节指数都需要经过 测试。论文中即是在这一方面做了一些尝试。 关键词：比例放大器、电磁铁、控制、测试 x 珂 西南交通大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t m o d e r ni n d u s t r yn e e d st h ec o n t r o l s y s t e mm u s tb ec h e e p ，s a v i n g e n e r g y a n dt h es a m et i m e ，t h i ss y s t e mi sa d a p tt oh i g h p o w e rc o n t r o l a n db em a i n t a i n e de x p e d i e n t l y i t sc o n t r o lp r e c i s i o nm u s tf i tac e r t a i n e x t e n ts t a n d a r d n o w ，p r o p o r t i o n a lh y d r a u l i cv a l v ew h i c hd e v e l o p e df r o m t h eg e n e r a lh y d r a u i cv a l v ei sa p p l i e di na l lk i n do fc o n t r o l s c o p e s i tu s e sp r o p o r t i o n a le l e c t r o m a g n e t i ci r o nt oc h a n g et h ee l e c t r o ns i g n a l i n t om e c h a n i c a ls i g n a li n s t e a do ft h em a n u a la d j u s t e ro rg e n e r a ls w i t c h e l e c t r o m a g n e t i ci r o n w i t ht h ed e v e l o p m e n t o ft h er a t i os y s t e m ，t h e p r o p o r t i o n a la m p l i f i e rd e v e l o p sc o n s t a n t l ya s t h ec o n t r o l e q u i p m e n t u n t i ln o w ，t h e r eh a v eh a dt h es i n g l ew a yp r o p o r t i o n a lv a l v ec o n t r o l l i n g t h e p o w e r o rt h e r o u t e ，d o u b l ew a y r a t i ov a l v ec o n t r o lli n gt h e o r i e n t a t i o n t h e yc o v e rf l u xc o n t r o l ，p r e s s u r ec o n t r o l ，v e l o c i t yc o n t r o l a n dp o s i t i o nc o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ot h e s ef u n c t i o n s ，r a t i oa m p l i f i e rh a s s i n g l ew a yo rd o u b l ew a y st y p ea m p l i f i e r b u th o m e m a d er a t i oa m p l i f i e r s t i l ls t a y st h eb a s eo fs t e pc o n t r 0 1 t h es t e p l e s sc o n t r o l l i n g a m p l i f i e r a l w a y sd e p e n d so nt h ei m p o r t d c wp r o p o r t i o n a la m p l i f i e ri n t r o d u c e di nt h i sp a p e ri su s e di n t h ed o u b l ew a y sc o n t r o ls y s t e m i tc a nc o n t r o lt o we l e c t r o m a g n e t i ci r o n a tt h es a m et i m e e x p e c tf o rt h ed e s i g no ft h ea m p l i f i e r ，t h ee m p h a s e s i st ot e s tt h es t a t i cs t a t ea n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n t r o l s y s t e ma n dp r o v i d eag r e a td e a lr e f e r e n c ed a t as ot h a tt h es y s t e mc a n w o r kw e l l t h ep r o p o r t i o n a lv a l v e n a t u r a lw o r kd e p e n d so nt h ea c c u r a t e s e t t i n go ft h er a t i oa m p l i f i e r s ot h ew o r kp a r a m e t e rm u s tb es e tb e f o r e t h er u n n i n go ft h ev a l v e t h i sp a p e rh a sm a d es o m e a t t e m p to nt h i sa s p e c t k e yw o r d s ：p r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e r ，e l e c t r o m a g n e t i ci r o n ，c o n t r o l ，t e s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 主要内容：本章简要介绍了电液比例系统的基本原理，概述了国内外比 例控制系统的发展情况以及今后的发展方向。 1 1 电液比例电控系统简介 随着工业技术的不断发展，对于设备控制系统的快速性、动态精度和功 率重量比都提出了更高的要求。虽然传统的电液伺服机构在响应性和精度方 面能满足要求，但由于其价格昂贵，维护费用高，系统能耗高，加之其对流 体介质的清洁度要求十分苛刻，并不能满足现代工业控制低成本、节能环保 的要求。随着微电子集成技术和计算机技术的出现，为工程控制系统提供了 充分且廉价的现代化电子产品。在此基础上，电液比例技术应运而生。电液 比例系统具有与伺服技术相当甚至更高的控制精度和响应特性，而且可靠性 高，价格低廉。现已广泛应用于工农业控制、航空航天、医用测试等领域。 在电液比例系统中，电子比例控制器是用来对比例电磁铁提供特定性能电 流，并对电液比例控制系统进行开环或闭环调节的电子装置。其优点是充分 利用了液压控制和电气控制的长处。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 动地参与各种控制过程，无需象常规控制中那样经常需要人工调节，从而使 整个液压系统的自动化控制水平得以大大提高。 量 图l - i 闭环电液比例控制系统框图 图1 1 所示为一个闭环控制的电液比例系统框图。从图中可以看出电液比 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 例控制系统中的电控系统由编程器和比例放大器组成。编程器用于编制控制 比例系统运行的指令。比例放大器则是将编程器输入的控制信号与系统中电 气反馈信号比较后进行功率放大。电一机械转换元件再将由比例放大器传入的 电信号转换成阀芯或喷嘴挡板的运动，然后通过阀芯的运动去控制流体的压 力和流量，完成电一机液的比例控制。 图1 - 2 比例阀的电气控制框图 图l 一2 所示的是一个比例阀的电气控制原理框图。由图中可以看出比例电 控系统以比例放大器为核心，并设计配置与比例电磁铁和比例放大器相匹配 的电源供给、控制信号输入及逻辑控制等电路单元。比例放大器一般由电源 和信号输入接口、信号处理、调节器、颤振电路、前置放大级、功率放大级 等部分组成。能对弱信号进行整形、运算和功率放大。放大器一般设有深度 负反馈，并在信号电流中叠加颤振电流。由于不同的比例阀其线圈、电磁铁 等部件的性能均不一样，且细微的差别都将直接影响系统的输出结果。所以 放大器中各调节参数需针对具体比例阀进行设置，任何放大器必须与其所控 制的比例阀或比例电磁铁相匹配。 电控系统除比例放大器以外，还包括了电源电路、控制信号输入编程电 路、逻辑控制电路和传感器等辅助部分。电源电路包括电源供给电路和滤波、 稳压电路等，向整个电气控制系统提供能源。控制信号输入电路用于产生给 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。 1 2 电液比例控制的特点及应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 电液比例阀是介于开关型液压阀和伺服阀之问的一种液压元件。与电液 伺服阀相比，其优点是价廉、抗污染能力强。同时，现阶段的比例阀在控制 精度和响应快速性方面已经和伺服阀相当。其动、静态性能足以满足大多数 工业应用要求。另一方面，同传统的液压控制阀比较，虽然价格较贵，但由 于比例阀良好的控制水平而得到补偿。因此在控制较复杂，特别是要求高质 量控制水平的地方，传统开关阀就逐渐由比例阀代替。表卜l 为几种阀在特 性上的异同。 表1 1 电液比例阀和伺服、数字、开关阀的特性比较 开关阀比例阀伺服阀数字阀 介质过滤精度( u m ) 2 52 552 5 阀内压力损失( m p a )0 5 以下 0 5 270 5 2 控制功率( w ) 1 5 4 01 0 2 50 0 5 55 l o 频宽( h z )1 0 以下 1 0 1 0 02 0 2 0 05 滞环( )3o 1 n 0 5 重复精度( ) 0 5 - - 10 5 1 0 1 中位死区有有有有 温度漂移( 9 6 ) 5 82 32 价格比 l3 51 03 此外，比例控制阀还可以具有流量、压力与方向三者之间的多种复合控 制功能。这使得比例控制系统较之开关阀控制系统，不但控制性能得以提高， 而且使系统更为简化。 1 3 国内外比例阀及其放大器的发展状况 比例阀自6 0 年代问世以来，经历了几个发展阶段。初期只是用比例电磁 铁取代手轮调节，其它结构并没有改变，频宽仅2 3 h z 。自8 0 年代以来，比 例元件由于引入受控参数更完善的反馈、校正和优化设计，性能可以与工业 伺服阀相比拟，同时随着集成电子电路及其元件性能的不断完善，比例阀的 成本较伺服阀有了大大的降低。 利用比例阀，人们研究出了很多整体闭环控制系统，即全程电反馈的电液 比例元件。其中有各种比例阀、比例容积控制、恒功率控制、恒流量控制、 恒压力控制动力源等。此外，以德国b o s c h 公司为代表推出的高性能闭环比 例阀，由于采用了高响应直流比例电磁铁和相应的放大器，含内置位置检测 电子装置和反馈闭环，采用零开口四边滑阀，其输出稳态特性中无中位死区， 滞环仅0 3 ，频宽达2 0 0 h z ，其性能与伺服阀无异。 除了模拟式的电液比例元件外，人们也注重于开发出各种数字式的比例元 件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 现在比例阀有的己把传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合在一起构 成机电一体化系统，使得结构更紧凑，性能进一步提高。这种结构有许多优 于其它系统的优点。由于电子装置直接装在阀体上，减少了插件和导线，从 整体看更简洁，对使用者的要求也更简单。未来的阀可能带有存储器和具有 智能控制、自动检测和报警的功能，只要接受简单的指令，阀就能完成一系 列的工作。 由于比例阀具有上述众多优点，因此它获得了远比伺服阀更为广泛的工 业应用。预料比例元件将作为普通的液压元件而被大量应用，并与传统的液 压阀分享工业市场。 1 4 友展 1 4 1 微型计算机的应用 目前液压系统中大多采用模拟电液比例阀控制器，随着微机的发展和不 断完善，其在电液比例阀控制器的应用也越来越广泛。与模拟控制方式相比， 微机控制方式具有无法比拟的优点，它不但性能好、功能强，而且经济适用、 安全可靠、操作简单方便。 这种系统主要由模拟控制方式输入器、传感器、电路硬件和在线计算机 控制软件、离线数据处理软件等部分组成。其中电路硬件包括主控计算机、 接口电路、检测电路、p w m 控制器、隔离电源及各种接插件等。在线控制软 件主要是在线实时控制软件和在线调试软件，前者负责正常操作控制，后者 负责提供现场报警、调试和检修等辅助功能。离线控制处理软件主要完成在 线控制软件所需要参数表的预处理及实时控制中的自适应控制参数的处理。 将微机用于比例放大器中，主要具有以下的特点： 1 ) 控制器能按给定的曲线参数表开机、运行和停机。 2 ) 决定系统动、静态参数可以由人工预先给定或由在线测试给定。数 据的处理经a d 、d a 转换器输入、输出，参与运算与控制。 3 ) 系统采用变结构、变参数的控制方式，是系统无论在什么样的液压系 统或环境中都能有良好的工作性能。 4 ) 可实现手动自动控制无扰动切换，使系统的可靠性得到了提高。 5 ) 能自动最示系统当前的运行状况，实时观察系统运行时的各参数情况。 1 3 2 多路控制比例放大器的开发 液压阀以往通常为一个线圈控制一个电磁铁，其控制方式简单，功能单 一，且机械结构复杂，不能满足现代液压控制发展的要求。现在的比例阀通 常由多组线圈控制一个电磁铁，各组线圈负责不同的工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图1 3 耐高压双向极性比例电磁铁 如图1 3 为耐高压双向极化比例电磁铁的原理结构图。这种电磁铁的输 出力能双向连续可调，无中位死区。控制电磁铁的线圈有两对，对称布置， 一对为励磁线圈，它们极性相同互相串联。另一对为控制线圈，它们极性相 反互相串联或并联。励磁线圈由恒流源供电，在磁路内形成初始磁通o ，、中。 和o 。控制电流在磁路内产生大小相同极性相反的磁通中。和中。，它们与初 始磁通一起产生差动效应。由此形成与控制电流方向相同，大小成比例的控 制力。由于采用了初始磁通，避开了铁磁材料磁化曲线的起始段的影响，有 较好的线性和动态特性。 综上所述，现代比例控制器主要的发展方向是数字化、整体化、多功能， 以适应比例控制系统不断发展的要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章比例控制器的工作原理 主要内容：本章分析了以比例控制器为核心的比例控制系统的工作原理， 介绍了d c - w 双向电液比例控制器的工作原理和电路的设计。 2 1 比例控制器的工作原理 比例控制器是一个能够对控制信号进行整形、运算和功率放大的电子控 制装置。对它的基本要求是能够产生正确有效的控制信号。为了克服死区的 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。为减小过渡过程的冲击，对 阶跃信号能自动生成速率可调的斜坡信号。此外，还要求它的零点漂移要小， 对不同的应用场合还应该满足一些特殊的需要。 按用途分类，比例控制器一般分为通用和专用两种。通用的又分为力控 制型和位置控制型，单通道和双通道等。如果控制器采用p w m 控制方式， 则电路中可省去颤振信号发生器，直接由p w m 控制芯片向控制电路中加入 高频颤振信号。 图2 - 1 单通道型比例放大器的原理框图 1 一滤波稳压器2 斜坡信号发生器3 一匹配电路4 一调节器 5 一功率放大器6 一颤振信号发生器 r - 一初始电流调节r 2 一最大电流调节r ，斜坡上升时间调节 r 4 斜坡下降时间调节一颤振信号调节 现以一单通道力控制型比例放大器为例说明其工作原理。如图2 1 ，是单 通道力控制型比例放大器的原理框图。其输入侧的外电路有电源供给电路， 一般为直流2 4 v 。还有给定值输入电路，从端子e 和d 处可输入一个o 9 v 的 指令信号，从端子c 和d 处输入一个o - 9 v 的指令信号。它可以是单个电位 器、电位器组或差值输入电路、可编程控制器等。此外，必要时加入一个断 开斜坡信号开关。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 内电路中滤波和稳压器1 的功能是对电源提供的直流电压作进一步的平 滑滤波，经稳压后分离出正负电源，供内部运放电路使用。另外还向外提供 稳定的正、负参考电压( o 9 v ) ，用于产生给定信号。此外，输入电源的一 部分还直接作为功率放大级的电源。方框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 和下降，从而可对系统的延迟时间进行控制。电流调节器4 是一个加法放大 器，使三个信号相加：一个为给定信号，来自匹配放大器3 ；一个来自r 。， 用于产生先导电流；还有一个为颤振信号，来自颤振信号发生器6 。功放器5 有两个功能，对控制电流进行功率放大，以及提供电流反馈，使提供给线圈 的电流稳定，不受其它因素影响。 比例控制器内部都有若干调整，用于匹配不同的控制要求。这些调整称 为预置或设定，是通过内部的一些电位器进行的。以上面介绍的单通道比例 放大器为例，设定包括以下几种： ( 1 ) 初始电流为了消除比例阀的死区，通过向比例阀提供一个初始电 流( 又称先导电流) 来实现。它利用r 。来进行调节。针对不同的阀的死区大 小不同，应根据具体情况进行调整。调整方法是先把输入信号置为零，然后 转动r 。使负载电流从零开始增大，直到系统或元件将有输出量为止。 ( 2 ) 最大工作电流这是为限制系统有过大的输出量而设的。它是利用 电位器r 2 来进行的。调整时应注意按先调整r - ，后调整r 2 来进行，否则最 终结果会受影响。 ( 3 ) 斜坡上升、下降时间可以分别通过r 3 和r 4 来进行调整，是互相 独立调节的。利用斜坡信号发生器可获得加速、减速以及升压、降压的调整 功能。如果不需要时，也可以通过一根导线或开关使斜坡信号发生器旁路， 这时系统对输入信号作出直接响应。 ( 4 ) 颤振信号参数颤振信号的参数一般在工厂已经调整到最佳范围， 因而无需调整。通常采用的颤振信号的幅值为额定控制信号的1 0 2 0 ，频 率为1 0 0 2 0 0 h z 。 2 2 比例方向阀的工作原理 本课题所设计的双向电液比例控制器主要用于控制比例方向阀，即可控 制两个电磁铁的工作。这里以直动式比例方向阀来说明其工作原理。 直动式比例方向阀由比例电磁铁直接推动阀芯左右移动来工作。由图2 2 所示，阀内有两只比例电磁铁，由两个对中弹簧定位。当任一只电磁铁通电 后，电磁力直接作用在阀芯上，并与对中弹簧力平衡而定位在与信号成正比 的位置上。对于三位阀，两个电磁铁同时通电是禁止状态。而两个电磁铁同 时失电时，在对中弹簧的作用下处于中位，当左面的电磁铁收到信号时，信 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 号使阀芯右移，其位移量比例于输入信号，这时允许油液从p 孔流向b 孔以 及从a 孔流向t 孔，如果节流口前后压差保持不变，则通过的流量仅与输入 信号有关。如果另一侧的比例电磁铁通电，油孔导通的情况正好相反。 1 、6 一力控制型比例电磁铁 2 、5 一对中复位弹簧3 一阀芯4 一阀体 图2 - 2 直动式比例方向阀 2 2 1 电磁铁的弹簧刚度的选择 图2 - 3 电磁铁原理图 在比例阀中，由于电磁铁的弹 簧对电磁铁起到了复位和传递力 的作用，所以其刚度的大小对电磁 铁的响应性和输出特性都有直接 的影响。当弹簧刚度过大时，电磁 铁响应慢，而当弹簧刚度过小时， 电磁铁力输出响应差。设图2 - 3 所 示的电磁铁，当气隙为x 。处于平衡 状态。这时对应的端电压为v 。，电 流为i 。，线圈电感最为l 0 。 电磁铁的运动方程为 ，”羔一c x 一七( x j ) + ，r + f ：( 妻) ：_ d l ( x ) 二c ( 2 - 1 ) f 外载；i n _ 一衔铁质量； k 弹簧刚度系数；f 。库仑摩擦力； l ( x ) 线圈电感；c 粘性阻尼系数；s 电磁铁行程 由等式( 2 - 1 ) ，可以看出，电磁铁在运动过程中动态性能主要受到其质量、 系统阻尼系数、复位弹簧刚度，以及电磁力和摩擦力的共同作用。 另一方面，电气回路的电压方程为 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 上( x ) 粤m 掣+ r i ：矿 ( 2 _ 2 ) 、7 防出 v 线圈端电压；r 一线圈内阻。 由式( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 消去对时间的微分项，并略去摩擦力和常负载得到： | ( x o - s ) = j 1 ，；争强 ( 2 _ 3 ) r 。= k ( 2 - 4 ) 式( 2 - 3 ) 两边都是关于x 。的函数，分别用f 。( x 。) 、f 。( x o ) 来表示，即 z ( x 。) = 一i ，( j x 。) ( 2 - 5 ) ( ) = 互1 1 。2 d l 出( x ) 。x = 由于己“) ：n 2 t o a q + x n 线圈圈数；u 。空气的磁导率；a 铁芯截面积； 卜除主气隙x 外的磁路的等效气隙 将式( 2 - 7 ) 代入式( 2 - 6 ) 得 兀( x 。) 三1 2g l + o x 。 令f 。( x 。) = f 。( x o ) 得到关于x o 的二次方程式 子( 州+ 訾一阳= 。 当h 述方程在o x o s 的范围内存在两个实数解 一个稳定平衡点。由式( 2 - 9 ) 得到弹簧刚度k t 0 时，o p 一1 b 输出为负电压，d 3 截止，0 p 一1 b 的输出不影响u 2 、， 同时又因为o p l b 反相输入端“6 ”脚为虚地点，故u 2 = o 。所以： 当u i 0 时u 2 ：一竺坐u l( 3 1 ) r 8 2 ) 当u i o 时u 2 = - u 1 当u i 0 时u 2 = u 1 由以上分析可以知道整流电路将信号均变为负值。 图3 - 3 整流电路波形图 如图3 3 ，为整流电路输出信号的波形图。图中l 通道显示的是比例控制 器的输入信号，此时的测试信号为正弦波。通道2 显示的就是经整流电路处 理后所得到的信号波形，从图中可以看到，无论输入信号是正还是负，最后 得到的都为负值的信号，即原信号为正时输出信号翻转，为负时保持不变。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 3 1 2 线圈选通控制单元 如图3 1 ，这部分电路主要是由同相器，反相器、两个二极管和四个三极 管组成。电路所要完成的功能正好与前面的整流电路相反，门电路是不考虑 信号的大小而只处理控制电压信号的方向。 如图3 - 4 ，为同相器和反相器电路原理图。其中o p 2 a 组成同相器，o p 2 b 组成反相器。图中u 1 为由滤波器输出的电压信号。u 1 分别通过电阻r 1 l 和 r 1 2 输入。 同相器其实足用一运放组成的电压比较器，通过对r 1 9 和r 1 1 的阻值设 置，使o p 2 a 的输出达到饱和。r 1 8 接一1 2 v 电压，与r 1 6 和r 1 7 组成的电 路接入o p 2 a 反向输入端，目的是有效抑制运放的零点漂移。因为o p 2 a 是 采取加大放大倍数实现其饱和输出，如果零点没有被有效抑制，就会因为电 路中的一些微弱的干扰信号使运放产生输出，从而造成控制上的混乱。同样， 由运放o p 2 b 所组成的反向器也采用扩大放大倍数的方法达到饱和输出的目 的。与o p 一2 a 不同的是，o p 一2 b 组成加法器，其目的也是为了有效控制零漂。 图3 - 4 同相器、反相器电路原理图 如图3 - 5 ，为同相器的输出波形图，通道1 所显示的波形为同相器的输入电压 波形，图中为正弦波，通道2 显示的波形为幅值为1 2 v 的方波信号，可以 看出同相器是工作在饱和区域。当输入信号为正时，同相器输出1 2 v 电压， 当控制信号为负时，同相器输出1 2 v 电压信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 图3 - 5 同相器输出波形图图3 - 6 反相器输出波形图 图3 - 6 为反相器的输出波形。与图3 5 相同，通道l 显示的正弦波形为反 相器的输入电压信号，通道2 输出幅值为1 2 v 的方波信号。但输出信电压 号的方向与同相器相反，即当输入信号为正时，反相器输出1 2 v 的电压信号， 而当控制信号为负时，反相器输出+ 1 2 v 的信号。 3 1 3 脉宽调制原理 k = h + 图3 7p w m 原理框图 ( a )( b ) 图3 - 8 调制原理波形图 如图3 7 ，电路由三角波或锯齿波发生器和电压比较器组成。三角波发生 器的输出电压u 。与控制电压u i 在比较器中比较，比较方法是用它们的差值与 零比较，每次过零时比较器的输出电压反转，使脉冲宽度t d 与输入信号u i 箍 云 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 的幅值成正比。 由于三角波的的输出电压对称于横坐标轴，为使u i _ o 时比较器输出u o 为零，应加入移轴电压u b ，其大小应使 u b + u 。0 比较器最后输出电压为： = u s + u b u 。 ( 3 - 5 ) 1 设u s 的最大幅值为u 。，则u b 应等于去u 。，即 z 1 u b = 亡u m 一 二 1 但实际应用中，为提供初始电流，u b ) 立d 、- r 寺u 甜n 。；，以便在控制电压u 为零 二 时，仍有小最的电流流进比例电磁铁。p w m 信号波形的转换原理如图3 - 8 所 示。当u 。+ u b + u i 之和过零时u o 跳转。当v ：由小到大过零时u o 由高电平转 为低电平，反之，电平变高。由等式( 3 5 ) ，当u i 减小时，v z 增大，比较图 3 - 8 ( a ) 、( b ) ，u o 的脉冲宽度减小。从而使u o 的脉冲宽度随输入电压的辐值 变化而变化。 1 ) p w m 控制电路原理 图39t l 4 9 4 电气原理图 c 1 e 1 c 2 e 2 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 p w m 控制芯片采用t l 4 9 4 ，控制回路中，电流大小主要采用脉宽调制方 式进行控制，即通过控制输出信号的占空比从而达到控制电流大小的目的。 如图3 9 ，其内部主要由锯齿波发生器、d 触发器、比较器l 和2 、误差放大 器1 和2 、5 v 基准电压源和两个驱动三极管组成。t l 4 9 4 有两种工作状态，当 1 3 脚接高电平时，d 触发器工作，8 脚和1 1 脚交替工作，而当1 3 脚接地时， d 触发器停止工作，此时两输出三极管同步工作。d c w 控制器中采用的是后 一种工作方式。另外t l 4 9 4 的工作频率由锯齿波发生器及外接定时元件决定。 5 脚 4 脚电平 3 脚电平 比较器 1 输出 比较器 2 输出 或门1 输出 bb 芯片 输出 图3 1 0t l 4 9 4 工作波形 通过图3 - 1 0 p w m 芯片的工作波形可以知道其具体的工作过程。控制信号 由l 、1 6 脚输入，利用误差放大器1 、2 与反馈信号进行比较，再通过p w m 比 较器与振荡器发出的锯齿波进行比较。4 脚输入的电压作用是消除芯片输出可 能发生的死区现象。3 脚电平即误差放大器输出电平在p w m 比较器中与锯齿波 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 电压比较，当3 脚电平大于锯齿波辐值时，输出的信号为高电平，其通过或 门1 与死区比较器的输出结果相或。死区比较器的输出结果也是当4 脚电平 大于锯齿波辐值时为高电平。或门l 输出的信号分别输入连接输出三极管的 或非门中，或非门输出情况正好与或门1 相反，即当或门1 输出高电平时，b 、 b 点电压为低电平，当或门1 输出低电平时，b 、b 、为商电平。两个输出三极 管为n p n 型，当b 、b 、点电压为低电平时，三极管截止，其集电极为高电平， 而当1 3 、b 电压为高电平时，三极管导通，集电极为低电平，所以三极管的输 出信号与或门l 的输出信号相同。这样当芯片输入信号增大时，由于或门1 的输出电压频宽增加，芯片输出信号的频宽增加。同理，当芯片输入信号减 小时，或门1 输出电压频宽减小，芯片输出信号的频宽减小。从而使芯片输 出信号的频宽与输入信号的辐值大小成比例变化。 2 ) 比例阀对p w m 信号的响应分析 由上面对t l 4 9 4 的原理介绍，可以知道p w m 中的脉宽调制频率f p w m 是 由锯齿波的外接电阻r - r 和c - r 共同决定，即： 一2 面面( 舷) s ) 比例阀对p w m 信号的响应与p w m 信号的调制频率有密切关系。这里设t 。 为脉冲宽度，t s 为阀芯运动响应时间。 1 ) 当f p w m 很小( 例如5 1 0 h z ) ，且l t s 。阀对p w m 信号将能完全响应， 阀芯的运动是完整的“开关”运动。这时被控量的脉动量太大，这是不希 望的。随着占空比d 增大，脉动量减小。 2 ) 当f p w m 很大时( 例如1 0 0h z f p w m 2 0 0h z ) ，此时周期t = l f r , w m 很小， t 。也很小，阀芯的响应特性近似于对模拟信号的响应，但叠加上一个脉动 幅值很小的颤振信号。f p w m 越高，脉动幅值越小。 3 ) 当f p w m 中等时( 1 0 h z f i , w m 1 0 0 h z ) ，这时阀的响应介于前两者之间。 综上所述，p w m 信号的调制频率f p w m 的选择应考虑阀本身的响应特性， 例如固有频率和过渡时间，要使阀的脉动量小，就需要f p w m 大于阀的固有频 率。因为响应p w m 信号时的颤振分量不能单独调节，它是由f p w m 、t 。、t s 等因素综合决定的。此外还要兼顾整个系统的固有频率和控制精度要求，使 颤振的幅值控制在一个最佳的范围内。 比例放大器中将r t 设置成可调电位器，如图3 1 l 、3 1 2 分别为当r t 被调 整到最小和最大时高频颤振波形。图中通道1 显示的均为放大器的输入控制 电压波形，此时信号为+ 5 v 直流电平。从图中可以看到，在线圈输出电流信 号中存在2 0 6 0 m y 的高频振荡信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第20 页 图3 - 1 1r t 最小时颤振波形图3 - 1 2i h 最大时颤振波形 3 1 4 比例放大器设定值的调整电路 为了获得最理想的效果，d c w 比例放大器设有6 个电位器对线圈中的 电流个参数进行设定，它们分别为控制线圈工作延时的电位器d e l a y v r ， 控制a 、b 线圈初始电流的电位器m i n v r a 、m i n v r b ，控制线圈a 、b 最 大工作电流的电位器s p a n v r a 、s p a n v r a ，控制线圈电流颤振信号的电位 器r t 。电位器r t 即为p w m 控制电路中的r t ，这里就不再重复了。具体电 路原理图在后面的介绍中提出。 3 1 4 1 线圈工作延时调整 电位器d e l a y v r 用于调整线圈电流的上升和下降时间，以控制电磁铁 的工作快慢。放大器的调整时间范围是o 4 s ，如图3 1 3 、3 1 4 ，分别为 d e l a y v r 调至最小和最大时线圈延时检测点的波形。图中通道1 显示的波 形为放大器输入的控制信号，其为幅值是0 + 5 v 的阶跃方波。由图3 1 3 中可 以看出，通道2 显示的系统延时波形基本能与控制信号保持同步，响应时间 很短，而在图3 - 1 4 中，当d e l a y - v r 被调至最大时，当系统输入控制信号后， 延时波形有近4 s 的时间为一条向上的圆弧曲线，说明系统进入正常工作延迟 了4 s 的时间。 图3 1 3d e l a y - v r 最小时系统延时波形图3 1 4d e l a y v r 最大时系统延时波形图 西南交通大学硕士研究生学位论文第21 页 3 1 4 2 初始电流设定 为了减小中位泄漏，比例阀的阀芯通常都具有一定的搭接量，搭接量一 般为额定控制电流的1 0 1 5 。这就使比例阀有较大的死区，只有越过这个 死区范围其特性才是线性的。为了克服这个死区，是通过向比例电磁铁提供 一个初始电流来实现的。d c w 控制器中就是通过m i n v r a 、m i n v r b 来控 制的。如图3 1 5 所示，为比例放大器中控制一个线圈电流大小的电路原理图。 通过改变m i n v r 接入电路中电阻阻值的大小，即可改变电位器连接的一1 2 v 电压j j n a 控制信号中的比例。此电路的输入信号u 2 为经过整流电路处理后所 得到的信号。 其中设s p a n v r 产生的增益k k ： 坠 。r s l + r s 2 r s l + r s 2 = r s p a n v r k ：鱼1 2 r m l + r ，2 r m l + r m 2 = r m 斟v r m i n v r 的增益为k 2 。 ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) f 弓 图3 - 1 5 电流控制原理图 由于各个阀的死区范围不同，使用前应根据具体情况调整。具体调节时， 首先把m i n v r 置为零，同时输入信号也置为零，然后旋转m i n - v r 使线圈 中电流逐渐增大，直到比例电磁铁中铁芯出现位移为止。由于给比例阀预先 通入初始电流，实际上已经消除了它的工作死区。当有信号输入时，两者之 和已越过死区范围，并进入线性工作区。系统即时作出响应，可见初始电流 提高了比例阀的灵敏度，改善了阀的特性。 图