（机械电子工程专业论文）电液比例流量阀开环控制器设计.pdf

摘要 摘要 电液比例控制技术凭借其经济性、实用性等诸多优点，已成为现代控制手 段的重要分支，在军用、民用和工业等几乎所有机械行业中得到了广泛的应用， 成为衡量一个国家工业水平的重要指标。随着嵌入式技术的引进，电液比例阀 控制器朝着数字化、智能化与网络化的趋势发展。 本文结合比例控制器的发展现状，及已有的相关设备仪器，就以下几个方 面进行了阐述： 1 、分析国内外电液比例控制技术及电液比例控制器发展的过去、现状与未 来趋势，得出了本课题的可行性与必要性； 2 、结合控制对象，分析电液比例流量阀的比例电磁铁和比例流量阀的特性， 并建立对应的数学模型； 3 、在上述实测与分析的基础上，设计了基于l p c 2 2 9 0 微控制器的比例流量 阀控制器的整体框架及l p c 2 2 9 0 资源分配，并重点分析设计了p w m 功率驱动 电路、状态显示电路、位移反馈电路以及供通用标准模拟电压、电流输入、输 出信号使用的w 、和v i 电路，部分电路设计了两套方案进行比较，并利用 m u l t i s i m 电路仿真软件对部分主要电路进行仿真，仿真结果比较理想。同时还为 控制器设计了扩展a d 、d a 电路、电源电路和数字i 0 电路： 4 、电液比例流量阀为非线性元件，控制时需要进行非线性补偿。为此，利 用m a t l a b 图像处理和曲线拟合工具，针对控制对象电液比例流量阀出厂实测 的流量特性曲线和负载特性曲线进行数据的获取及其误差分析，再利用最小二 乘法分别进行拟合与组合，得到了电液比例流量阀的任意设定电压值、任意压 差下的流量通用函数，效果比较好。 关键词：电液比例流量阀；最小二乘法曲线拟合；m u l t i s i m 电路仿真；，p w m 功 率驱动；l p c 2 2 9 0 a b s t r a c t a b s t r a c t t a k i n gt h ea d v a n t a g eo fe c o n o m y , u t i l i t y , a n d s oo n , t h et e c h n o l o g yo 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 lv a l v e c o n t r o lh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tb r a n c ho f m o d e mc o n t r o l ，w h i c hh a sb e e na p p l i e de x t e n s i v e l yi nm i l i t a r yu s e ，c i v i lu s e ，i n d u s t r y , a n do t h e rm e c h a n i c a li n d u s t r i e s ，a n db e c o m ea l li m p o r t a n ti n d e xo fi n d u s t r i a l i z a t i o n l e v e lo fac o u n t r y w i t hi n t r o d u c i n go fe m b e d d e dt e c h n o l o g y , i tm a k e st h ec o n t r o l l e r o 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 lv a l v em o r ed i g i t a l ，i n t e l l i g e n ta n dn e t w o r k i n g b a s e do nt h es t a t u so ft h ed e v e l o p m e n to fp r o p o r t i o n a lc o t r o l l e ra n de x i s t i n g r e l a t e de q u i p m e n t , t h em a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e 锻f o l l o w ： f i r s t ，a n a l y z et h es i t u a t i o na n dt r e n do ft h ep a s t , p r e s e n t ，a n df u t u r eo 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 l c o n t r o l t e c h n o l o g y 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 e rb o t ha th o m ea n da b r o a d ，a n dc o n c l u d et h a ti ti sf e a s i b l ea n dn e c e s s a r yt o r e s e a r c ho nt h i sp r o j e c t s e c o n d ，a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co fp r o p o r t i o n a lm a g n e ta n dp r o p o r t i o n a lf l o w v a l v ea n de s t a b l i s h e dt h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o n t r o lo b j e c t t h i r d ，a c c o r d i n gt oa b o v ea n da c t u a lm e a s u r e m e n t ，g i v eo u tt h eg e n e r a lf r a m eo 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 lf l o wv a l v ec o n t r o l l e rb a s e do nl p c 2 2 9 0m c u a n d a l l o c a t et h er e s o u r c eo fl p c 2 2 9 0 p a r t i c u l a r l y , d e s i g np w m p o w e rd r i v ec i r c u i t ，s t a t e d i s p l a yc i r c u i t ，d i s p l a c e m e n tf e e d b a c kc i r c u i ta n dc o m m o nv ia n di vc i r c u i t s o m e o ft h e mh a st w os c h e m e sa n ds i m u l a t eb ym u l t i s i ms o f t w a r e ，w h i c hs h o w st h ec i r c u i t s i si d e a l f u r t h e r m o r e ，d e s i g n e da da n dd ac i r c u i t ，a n ds oo n f o r t h , f o rt h en o n l i n e a rc o m p e n s a t i o no 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 lf l o w v a l v ec o n t r o l l i n g ，g e tt h ed a t u mo ff l o wc h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n dl o a dc h a r a c t e r i s t i c c u r v ef r o ms u p p l i e r ss p e c i f i c a t i o n ，f i tt h e mb ym a t l a br e l a t e dt o o lb o x ，a n d a n a l y z et h e i re r r o r s a tl a s t ，f i g u r eo u taf i n a lf o u n c t i o nw h i c hc a nc a l c u l a t et h ef l o w v a l u ea ta n yp r e s s u r ed i f f e r e n t i a la n da n yc o m m a n dv a l u e k e yw o r d s ：e l e c t r o n i c h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lf l o wv a l v e ；le a s ts q u a r em e t h o dc u r v e f i t t i n g ；m u l t i s i mc i r c u i ts i m u l a t i o n ；p w mp o w e rd r i v e ；l p c 2 2 9 0 目录 第1 章绪论l 1 1 本课题产生的背景和研究意义1 1 2 国内外发展状况一2 1 2 1 电液比例技术发展概况2 1 2 2 电液比例控制器的发展2 1 3 本课题主要研究工作4 第2 章电液比例流量阀特性分析及数学建模5 2 1 比例电磁铁5 2 1 1 比例电磁铁介绍5 2 1 2 比例电磁铁的工作原理及建模6 2 2 流量阀的分析和建模7 2 2 1 液压桥路的介绍7 2 2 2 电液比例流量阀受力分析和建模1 0 2 2 3 电液比例流量阀流量分析和建模1 2 2 3 小结1 4 第3 章比例流量阀控制器总体设计1 5 3 1 控制器的输入输出分析1 5 3 2 嵌入式微处理器选型及资源分配及总体框架1 5 3 3 主要外围电路设计l6 3 3 1 电源电路16 3 3 2 功率驱动电路1 8 3 3 3 位移传感器反馈电路2 5 3 3 4i ，v i 转换电路3 2 3 3 5a d ，d a 电路3 9 3 3 6 数字i o 电路4 1 3 4 小结4 1 i i l 目录 第4 章典型流量特性曲线数据获取及拟合4 2 4 1 数据获取及拟合的作用4 2 4 2 数据获取4 2 4 3 最小二乘多项式拟合4 7 4 3 1 原理介绍4 7 4 3 2 曲线拟合4 8 4 4 小结5 8 第5 章总结与展望5 9 5 1 总结5 9 5 2 展望6 0 至| 【谢6 1 参考文献6 2 攻读学位期间的研究成果一6 5 l v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题产生的背景和研究意义 液压传动相比机械传动，有很多优势，具有调速范围大，易实现无级调速， 当功率相同时，液压传动装置具有体积小，机构紧凑，重量轻，惯性小，传递 的力和力矩大，工作平稳，反应快等。随着现代微电子技术的发展，电液比例 技术为现代微电子技术与大功率设备之间搭起了桥梁，已成为现代控制工程的 重要分支，在军用，民用和工业等几乎所有的机械行业中得到了广泛的应用， 它是衡量一个国家工业水平的重要指标i l 】。 从广义上看，比例控制即为输出量随输入信号连续成比例变化的控制。当 比例控制在液压方面应用时，广义的比例控制可分为手动控制和电液控制，进 一步细分，电液控制又可分为数字式或模拟式的电液伺服控制和电液比例控制。 相比而言，手动控制不能实现自动控制，控制精度也不高，但成本比较低，一 般都用于要求比较低的场合；电液伺服控制虽然控制精度高、频响高及无零位 死区，但对油液的要求和制造费用都比较高，一般都用于要求较高的军工和航 空航天领域；电液比例控制在控制精度，频响，制造成本，对油液的要求等都 处于适中的地位，主要的缺点就在于存在零位死区，在控制中，通过对死区进 行补偿，可以弥补零位死区的缺陷，可满足大部分工业控制的要求。因此电液 比例控制技术赢得了较电液伺服控制技术更为广泛的应用。电液伺服阀和电液 比例阀性能对照表如表1 1 1 2 叫。 表1 1电液伺服阀和电液比例阀性能对照表 第1 章绪论 1 2 国内外发展状况 1 2 1 电液比例技术发展概况 早期出现的传统的电液开关阀，由于不能满足高质量的控制系统的要求， 于是在1 9 4 0 年底首次在飞机上出现了电液伺服系统。经过2 0 多年的发展，电 液伺服控制技术逐渐成熟，但电液伺服阀对液体介质要求苛刻以及制造成本和 维护费用比较高，难以被一般工业用户所接受。 因此，在2 0 世纪6 0 年代末，即比例技术的诞生时期，出现了一种在传统 工业用液压阀基础上改进的，在可靠性，成本上，控制精度和频响都能满足一 般工程技术要求的早期比例阀，电液比例控制技术应运而生，并迅速发展起来。 此时的电液比例控制刚起步，其性能还是比较差的，频响在1 - 5 h z ，稳态滞环介 于4 7 ，主要用于开环。同时，在高性能伺服阀上经过增加电机转换器的功 率，适当简化伺服阀的结构以及着重改善阀抗污染性能和降低制造成本后的工 业伺服阀问世，工业伺服控制技术也随之发展起来。 在1 9 7 5 年到1 9 8 0 年期间，即比例技术的发展进入了第二阶段，大量的比 例元件采用内反馈，比例控制器和耐高压比例电磁铁在技术上也逐渐成熟，频 响达到了5 1 5 h z ，稳态滞环也降至了3 左右，应用也越来越广泛，不仅应用于 开环控制，还应用于闭环控制。 到了2 0 世纪8 0 年代，进入了比例技术发展的第三阶段。在这一阶段的最 大进展是比例技术开始和插装阀相结合，形成了8 0 年代的电液比例插装技术。 同时，由于电子元件和传感器的小型化，出现了电液一体化的比例技术，形成 了8 0 年代的集成化电液比例技术。此时，比例阀的稳态和动态性能都与工业伺 服阀相当。 2 0 世纪9 0 年代至今，在这一阶段，电液比例技术得到进一步完善。推出了 伺服比例阀，解决了闭环控制死区的问题，其价格和性能介于普通比例阀和伺 服阀之间。同时，比例元件与计算机技术相结合，产生了数字式比例元件及其 控制系统【1 】【5 捌。 1 2 2 电液比例控制器的发展 电液比例控制器是电液比例控制元件或系统的重要组成部分，是用来给比 例电磁铁提供电流，并对电液比例阀或电液比例系统实行开环或闭环控制的电 2 第1 章绪论 子装置。为了实现元件内部闭环或系统闭环，检测反馈系统也是电液比例元件 或系统必不可少的部分。 一般的电液比例控制系统都由电源、输入输出接口、信号处理、调节器、 前置放大级、功率放大级、测量放大电路等部分组成，应满足如下要求：良 好的稳态控制性能；动态响应快，频带宽；功率放大级的消耗小；抗干 扰能力强，有很好的稳定性和可靠性：较强的控制功能；规范化，标准化。 在电液比例控制器的发展方面，国外起步得比较早，也比较完善。如r e x r o t h , v i e k e r s ，t o w l e r , b o s c h ，h e r i o n , b s o ，m o o g ，s c h u l t z ，b i n d e r , 油研等公司都有规格 齐全的系列化产品，部分公司由过去的生产模拟式和低频p w m 式比例控制器逐 步转向数字式和高频p w m 式比例控制器。直到现在，已有较齐全的系列化和规 范化的比例控制器，有些还带有遥控功能、总线功能及内置式比例控制器，在 操作和选购上都很方便。 在国内，电液比例控制器的发展起步比较晚，但发展速度在逐步加快。主 要研究或生产的机构有浙江大学流体传动及控制研究所、上海迈迪液压机电有 限公司和上海瑞雪塑胶科技有限公司等等，但产品的性能、标准化、规范化和 系列化等方面都有待向国外学习。 大部分的比例控制器都是由运放和分立元件构成的模拟式电路实现的，没 有数字处理器，硬件电路比较复杂，灵活性差。参数设定由电位器完成，重复 性和复制性都很差，一旦被改动，难以恢复，电位器的磨损对其可靠性存在隐 患。 随着嵌入式技术，数字化技术，通讯技术和计算机技术的发展，这些微处 理器能够实现丰富的数字化计算，主要表现在能够实现信号运算和功率放大， 能够进行复杂的控制策略计算，能够实现参数重复设定，各种数据的记忆和存 储及其密码保护，并能提供友好的人机界面接口和网络化的通讯接口，还可以 通过更新软件来迎合用户的各种特殊功能要求等等。 同时，随着传感器和电子器件的小型化以及材料和加工技术的发展，电液 比例控制技术的发展呈现了如下特点：小型化、集成化；数字化、智能化； 多功能化；网络化【) 叫j 。 3 第1 章绪论 1 3 本课题主要研究工作 比例控制器的典型构成如图1 1 所示，基于实验室已有的电液比例流量阀及 其模拟式控制器以及相关的仪器设备与技术，本文针对图1 1 中所示的部分做如 下设计和研究： ( 1 ) 通过对控制对象，即电液比例流量阀的特性分析，构建电液比例流量阀 的数学模型； ( 2 ) 搭建比例流量阀控制器的总体框架及各部分电路的具体设计与仿真分 析。主要包括以下几个部分：电源电路的设计；p w m 功率驱动电路的设计 与仿真；位移传感器反馈电路的设计；i ，v i 电路的设计；扩展a d ， d a 电路；数字i o 电路设计； ( 3 ) 由于控制对象比例流量阀是一非线性元件，其实测数据厂家已给出。为 了对控制对象的非线性补偿，因此对控制对象的典型流量特性曲线数据进行获 取并拟合，得出可在控制策略中用于非线性补偿的流量特性通用表达式； ( 4 ) 对本文所涉及的内容进行总体概括，对不足之处进行点明，并提出后续 工作和长远的个人见解。 图1 1比例控制器的典型构成 4 第2 章电液比例流量阀特性分析及数学建模 第2 章电液比例流量阀特性分析及数学建模 电液比例流量阀是比例阀中的一种，它主要由比例电磁铁和流量阀组成。 本章首先分析比例电磁铁及主阀的特性及工作原理，再搭建了对应的数学模型。 2 1 比例电磁铁 2 1 1 比例电磁铁介绍 比例电磁铁是一电机转换器件，其功能是将控制电流信号转换成位移或力 信号，与电液伺服系统相比，精度和响应速度都有些逊色，但具有结构简单， 抗污染能力强，成本低，通用性好，维护方便，衔铁可以做成耐高压的结构， 易于程序控制和远程控制等优点f 1 啦! 2 1 。 典型的耐高压比例电磁铁主要由衔铁、导套、极靴、壳体、线圈、推杆等 组成，导套前后两段由导磁材料制成，中间一段非导磁材料，即隔磁环焊接。 如图2 1 ( a ) 所示，图( b ) 是比例电磁铁与普通电磁铁的位移一力特性比较图。 j”j l l 一上一一 弋一一一一 、 。 、么 - - h 。 一 d o l 1i l一 l l l 矗) 基本结构 b ) 位移一力特性 1 接杼2 j ：作气骧3 非j ：作气隙4 螺钉5 钫铁 1 比铹电磁铁2 簪通直漉电磁铁 6 轴承环6 线潮：黼磁环8 导奁9 极靴l o 限位片i 吸合区工作行程区空 亍程区 图2 1耐高压直流比例电磁铁的基本结构和特性 基本类型比例电磁铁可分为：力控制型，其输入输出特性为输入电流正 比于输出力( 电流力) ，在工作区内与衔铁位移无关，即具有水平吸力特性，主 要用于行程较短，先导级：行程控制型，其输入输出特性为输入电流正比于 输出位移( 电流力位移) ，主要用于输出行程较大，直控阀；位置调节型，其 5 第2 章电液比例流量阀特性分析及数学建模 输入输出特性为输入电流正比于衔铁位移( o g 流衔铁位置) ，具体力的大小在最 大吸力之内根据负载需要定，通过衔铁位置反馈闭环实现位置控制，主要用于 控制精度要求较高的直控阀。目前所使用的比例电磁铁主要有4 种规格：0 2 5 型 ( 其外形尺寸为2 5 2 5 ( r a m ) ，以此类推) ，0 3 5 型，0 4 5 型和0 6 0 型，其输出力分别 为：2 0 n ，5 5 n ，7 5 n 和1 5 0 n 左右。供电电压一般为2 4 v 和1 2 v ，后者多用于 车辆【1 】【1 3 4 1 。 2 1 2 比例电磁铁的工作原理及建模 比例电磁铁的磁路分成两部分1 和2 ，如图2 2 ( a ) 所示，一条磁路l 由 前端盖盆型极靴底部沿轴向穿过工作气隙而进入衔铁，经过导套后段和导磁外 壳回到前端盖极靴，产生轴向推力( 端面力) f 1 ；另一条磁路2 经过导套前段盆 型极靴锥形周边，径向穿过工作气隙进入衔铁与1 汇合，产生轴向附加力f 2 。 这两条磁路的形成是因为采用了隔磁环结构，形成了锥形周边的盆型极靴。由 上述磁路的分析可知，f l 和f 2 同时作用于衔铁，并由于衔铁和推杆是连为一体 的，因此就形成了比例电磁铁的位移力特性，如图2 2 ( b ) 所示。在工作行程区， 电磁力f 相对于衔铁位移基本呈水平力特性关系【1 】【1 3 】。 ( a ) 。、：的磁路示意图 ( b ) 位移一力特性示意图 图2 2比例电磁铁磁路及行程力特性 g p 4 5 a 4 a i w 9 型比例电磁铁的特性曲线见图2 3 【1 5 】。 比例电磁铁的电流由比例控制器来提供，由比例电磁铁线圈的电流电压关 系可得关系式2 1 。 l l ：( t ) = l d 訾+ i ( t ) r s + k v 警 式中：确一动生反电动势系数，单位为v m s ： 6 ( 2 1 ) 第2 章电液比例流量阀特性分析及数学建模 r 广线圈和比例控制放大器内阻，单位为q ； 图2 3比例电磁铁特性曲线 上卜线圈动态电感，单位为h 。 在比例控制器环节，由输入p w m 的占空比来调节比例电磁铁线圈的电流， 在实际中，他们之间成线性关系，不成比例关系，具体表达式见式2 2 。 r u ( t ) = k d ( d 。( t ) - d o ) ( 2 2 ) 式中：杨一比例控制器p w m 占空比电压修正系数； 盔、办_ 呻w m 信号占空比设定值及调零占空比。 比例电磁铁在工作区时，具有良好的稳态电流力特性，其数学模型可近似 为如下表达式2 3 ： r = k l * i( 2 3 ) 式中：所一比例电磁铁的电流增益； e 。电磁铁线圈在衔铁上的作用力，单位为n 。 由于衔铁与流量阀的阀芯l 是衔接在一起的，其受力可以在考虑阀芯受力 时一起考虑。 2 2 流量阀的分析和建模 2 2 1 液压桥路的介绍 在分析液压元件和系统时，利用液压桥路的典型无因次特性、构成原理和 先导液阻工作点分析，可方便对液压元件和系统基本特性计算及原理和特性的 定性分析【l l 。 7 第2 章电液比例流量阀特性分析及数学建模 液压桥路类似于电桥，如图2 4 所示，表2 1 为液压量与电量的类比。 图2 4 所示的是液压全桥与电路全桥的类比，与电桥中存在半桥一样，液桥 中也存在液压半桥。在实际的工程应用中，液压半桥应用的比较多，主要功能 为：在稳态时起到位移压差转换器的作用；在动态时起到转换器和功率放大的 双重作用。液压半桥根据输入液阻与输出液阻是否可变分为三种基本类型，如 表2 2 。 图2 4液桥和电桥的类比 表2 1液压量与电量的类比关系 表2 2 三种基本液压半桥的原理图 bc 袖 ； 勺卜 凡囊l 酚 氏 7 一芷一 洲 宴酽。l 产铲 腋辜目如l l ” 雳址 生匿ll 山 凡p “ 愚1 鞋：l 静 “叫鞫 ” 山以 l il 舞移 獭j蕊汰麓 缓压缴麓心 一l。l l一l 上 - i 上 i 凡 y “ j 。 8 第2 章电液比例流量阀特性分析及数学建模 在先导控制液桥中，为了满足比例控制的一般要求，先导液桥需要：可变 液阻的控制力要小；先导级的移动部件质量要小；先导液桥的控制流量要小； 固定液阻和可变液阻都要对小流量敏感，同时为了防止堵塞而要保障有适当的 通流面积；液桥的输出压力和排油腔的流量要与控制信号呈较好的线性关系和 较大的增益；在比例电磁铁、先导级和功率级之间必须设置反馈回路。 根据液桥的构成与原理可知，控制对象( 2 f r e 6 型电液比例流量阀，见图2 5 ) 为一a 型液压半桥。其工作原理为：流量的设定( o 至l o o ) 在设定电位器或其 他d a 设备上设定，应用的设定值通过放大器以及比例电磁铁( 4 ) 调节检测节流 器( 2 ) ，检测节流器( 2 ) 的位置由感应式位移传感器( 3 ) 测得，与设定值的任何偏差 通过反馈控制来补偿，压力补偿器( 6 ) 保持在检测节流器( 2 ) 上的压降为常数。因 此得到负载补偿。当流量从b 至a 时，经过单向阀( 5 ) 来实现单向节流。控制对 象的实测流量特性、负载特性以及动态性能曲线如图2 6 、2 7 和2 8 ，配套的比 例电磁铁的规格见表2 3 i ”以酬。 a b 1 壳体2 检测节流器 3 感应式传感器4 比例电磁铁5 单向阀6 压力补尝器 图2 52 f r e 6 b 型电液比例流量阀 嚣 + 量 墨1 5 薹o ； ， ：y ： ：舅； 矿 ，：l ；l ：| ，。| y i， 矿j l ； ! y ， 艺艺j 7 。 髦二毒二，一 q 。昨竺蚤葛e 二婪尊 o 1 卜叫 口i ：睦兰堇 ：巨三吾口i 。犯= 篡苎型i 。巨；三兰茸 口；* l e = = ；俦e = = 吾 o ；肇兰兰兰兰罢，皇圣= 罢孚； q 5 每夏三三；趸重三三三釜兰i 娶k硒谶侪瑚i为期蝣m1 7 s瑚 进口臌j p n o t af a ) b a r进 j 压j j p a ( b ) b a r 一 一( b 口限力o b a r )a 口压力：l o b a r ， i o o , 控制值)t i o o 控制值) 。 b ) 负载特健 比例流量阀流量、负载特性曲线 9 第2 章电液比例流量阀特性分析及数学建模 t 可 g 蓬 毫 设定值阶跃变化时的响应；反。= 1 0 0b a r ；阀型：2 5 q t 零 霹 盘 ll f 、 l l， 、 ，ll f 1 、 t、l 象 6 l 、 ，q 、， ，q纣 f |f ， l | nl o2 0加6 08 01 0 002 0柏6 01 时阗m 8 一 图2 7比例流量阀流量动态响应特性曲线 蚶 j 弋 、 一_ 设定艇幅位、 、 一4 5 甭5 5 l 5 、 厂 一援一 ， ， 设定馕幅谴 一 一0 至10 0 锄5瓒) 、 式一一一 ，。 ，、 f l ； i t ，r l ， 宣言 r ：二，一 l 图2 8比例流量阀流量频率响应特性曲线 表2 3 比例电磁铁( g p 4 5 a 4 a i w 9 ) 规格 一1 如 一 药 一 柏 一 o _ 9 d _ 7 s 耋 一釜 霉 一弱 一 s o 额定电 常态电 额定吸额定行 全行程力滞环 电流滞重复精 承受静外壳 型号阻2 0 态油压 防护 电感( 实 流a力n程m m m m环 度 澳l j ) m h ( q )m p a 等级 g p 4 5 a 4 0 8 1 5l9 5 5 48 036 3 312 li p 6 52 9 9 a l w 9 3 l + 4 5 +3 7 3 + 3 6 2 l w 9 0 3 4 51 2 1i p 6 5 3 1+ 1 0 1 4 2 2 2 电液比例流量阀受力分析和建模 为了方便电液比例流量阀的受力分析，图2 5 中的电液比例流量阀的示意图 如图2 9 。 1 0 弛如柏柏加伯 第2 章电液比例流量阀特性分析及数学建模 y o y x o - x 卜一+ 一 x 阀芯2 、， 刊 一 i1 o l x 0 _ 1 厂一 y ，n - 一d im 髟中 抡八八1 h 嘲 一i l l l 上 i ri 一。 il 全。 p ot 舶 图2 9电液比例流量阀的示意图 气气萋，气气寸 一 心蕊添蕊蕊沁浏憋蕊沁心蕊测 a ) 阀芯1 及衔铁 b ) 阀芯2 图2 1 0电液比例流量阀阀芯受力示意图 由于比例电磁铁在工作行程里，表现为水平力特性以及控制电流力的线性 关系，对于比例电磁铁，在此只考虑与动态有关参数分析。由此可得衔铁与阀 芯1 的受力平衡方程为【1 】【4 】： 最= 礅l 璋舅+ c o 辜童+ k 求8 + x + 黟+ 足l ( 2 4 ) 阀芯2 的受力平衡方程为： 船$ 叠= m 2j i j 。+ q 枣岁十缸】i ：口e + x 十，0 + p z 】l c 羹+ 瓦： ( 2 5 ) 式中：m ，加广分别为阀芯1 组件与阀芯2 的质量，单位为k g ； 量卜分别为阀芯1 与阀芯2 的加速度，m s 2 印、d 图2 9 示各空腔的压力，单位为p m 第2 章电液比例流量阀特性分析及数学建模 彳除去阀芯杆面积后的阀芯受力面积，单位为i n 2 ； r 一电磁力，单位为n ； 卜阀的等效弹簧刚度，单位为n m ； z 厂主阀弹簧的预压缩量，单位为r n ； c o 、c 厂一阀芯1 综合阻尼系数、阀芯2 综合的阻尼系数，单位为n s m ； 足j 、r 厂阀芯1 左侧与阀芯2 左侧的液动力与摩擦力，单位为n 。根 据经验公式可知液动力为0 4 3 w x a p 2 0 1 ，其中w 为阀1 3 面积增益； 盆1 如流体流进、出阀1 3 时流向与阀芯轴线之间的夹角，单位为度。 彳活塞端面面积，单位为n 1 2 。 2 2 3 电液比例流量阀流量分析和建模 比例流量阀的流量控制是在一定的工作压差p 下，改变阀1 3 的通流面积彳似 来实现的，遵照阀口的流量公式【l 】【1 7 - 1 9 】： g 咄聊乒 q 石 式中：卜流量系数； 4 伍卜通流面积，单位为r n 2 ； r 阀口前后压差，单位为p a ； 根据比例流量阀的阀口构造( 见图2 9 ) 可知，阀1 3 面积为【2 0 】： a 0 ) = 2 宰n 幸，扛可i 西1 习幸d x = 了d 2 事咒搴 | a r c c 。s ( 1 一鞘一2 车( 1 一等习宁一( 荆2 | f广n ( x x o ，x o + d 】)( 2 7 ) 式中：d 、x o 、x 、r 阀口直径、活塞初始位置至阀口正遮盖量与阀口没被遮 盖的弓形的高及空的个数，单位为m ； 因此，入口流量： q 1 = c l 宰a 1 宰f 奉( p o p 2 ) ( 2 8 ) vp 。 增量形式为： 1 2 第2 章电液比例流量阀特性分析及数学建模 1 3 第2 章 电液比例流量阀特性分析及数学建模 q ：嚣! ! ! ：! 兰! 里三至婴：! = ：墨：竺：! 塑幸y q 2 嚣l ：j 匕一幸y + 坚塑里票型蝴+ 二- ：! 二一宰协 + 坚塑巫要塑蝴 式中：4 ，4 厂分别为阀进口、出1 ：3 的阀口面积，单位为m 2 ； 在稳态时，q l = q 2 2 3 小结 ( 2 1 本章针对控制对象，即比例流量阀，分析了比例电磁铁与流量阀的特性， 并建立了数学模型，给出了相关的参数。 1 4 第3 章比例流量阀控制器总体设计 第3 章比例流量阀控制器总体设计 3 1 控制器的输入输出分析 根据市场上广泛应用的比例流量阀控制器及其发展的趋势，设定本控制器 的输入输出及其规格如下【1 - 5 】【2 5 】： 供电电压：2 4 v d c 控制信号： 输入：模拟量： 数字量： 输出：模拟量： 数字量： 最大输出电流： 初始电流： o 一+ 10 v ：4 2 0 m a 8 位数字量输入 o + 10 v ：4 2 0 m a 8 位数字量输出 1 5 a 5 5 0 m a 输出电流非线性度： 1 ，0 0 0 ，0 0 0 小时，高低温 特性好，能满足工业级产品技术要求【3 3 1 。其电路原理图见图3 3 。 u l i l 1 3 v 图3 3 5 v d c 、3 3 v d c 稳压电源电路 3 ) 3 3 v d c 稳压电源电路 能够实现5 v d c 到3 3 v d c 的稳压芯片有很多。本设计选用l m l l l 7 稳压芯 片加滤波电路作为3 3 v d c 稳压电源，原理图见图3 3 。 l m l l l 7 是一种低压差稳压器，在负载电流为8 0 0 m a 时压降为1 2 v 。它具 有与国家半导体行业标准的l m 3 1 7 相同的输出引脚。l m l l l 7 是一个可调节的 稳压器，可以只通过两个外接电阻，设置输出从1 2 5 v 到1 3 8 v 的电压，此外它 还可以提供5 种固定电压，1 s v 、2 5 v 、2 8 5 v 、3 3 v 和5 v 。l m l l l 7 拥有电流 限制和过热保护功能。它的电路包括一个齐纳调整带隙基准，以保证输出电压 的精度在1 以内。l m l l l 7 系列拥有l l p 、t o 2 6 3 、s o t - 2 2 3 、t o 2 2 0 和 t o 2 5 2d p a k 封装类型。在输出端需要外接一个至少1 0 u f 的钽电容，以改善 瞬态响应和稳定性刚。 3 3 2 功率驱动电路 ( 一) 原理及硬件电路 电液比例流量阀控制器的核心是控制比电磁铁线圈中的电流，模拟式控制 功率输出级的电流是连续电流，功耗大，需散热装置；而p w m 控制功率输出级 为开关型，输出的是脉冲信号，有响应快、抗干扰能力强、功耗小等优点【3 5 - 3 6 。 当给比例电磁铁直流电流时，根据电流的大小会产生相应的电磁力。由于比例 电磁铁是一r l 器件，当控制信号为当p w m 信号u 的频率达到一定值的时候， 加载在r l 上的信号可视为幅值抖动很小的直流信号i ，可近似认为直流信号 1 8 图3 5反接卸荷式p w m 功率驱动、状态显示和过流报警电路 表3 2比例电磁铁丁作时实测电流值 自带电位计控制调一符 o1 02 03 04 05 06 07 08 09 0 1 0 0 对应p w m 占空比 5 05 1 15 2 25 3 3 5 4 45 5 55 6 6 5 7 75 8 8 5 9 9 6 l 电磁铁的电流( a ) 0 4 60 5 20 。5 80 6 40 70 7 60 8 2o 8 8 0 9 4 11 0 6 第3 章比例流量阀控制器总体设计 从表3 2 中可以看出，当电位计从0 到1 0 0 变化时，比例流量阀的流量从 o l m i n 增值最大，对应的p w m 控制信号的占空比从5 0 呈线性变化至6 1 。 基于上述实际测量的结果，在设计p w m 功率驱动电路时，还考虑其稳定性、 控制精度以及响应特性，因此设计了如图3 5 所示的反接卸荷式p w m 功率驱动 电路【3 】，并设计了正常工作状态显示和过流报警电流。图3 6 为电位计调制9 0 时，即p w m 占空比为6 0 时的功率驱动电路中的控制信号实测结果。 髓k几s t o p m p o r g m 瞻 a u t 0 s l r t 面救几 s t o pm p o 眦 k l r r o s e t 一 1 一 。 j j 。 c h l 。 c h l ， 蜂j 峰值5 6 8 v 平均值3 0 1 1 ，取消自峰一峰值1 5 0 v平均值l s _ 5 v取消宦 周期3 3 0 8 , u s频率2 , 5 5 5 k h z 动设置 周期3 s 1 8 , u s频率2 , 5 5 2 k h z 动设置 1 3 1 12 , 0 0 vm2 5 0 mc h lj 粼c h l5 0 0 vm2 5 0 , m o 1 1l1 6 8 v 在c h l 上检涮到正方形波或脉冲c h l 垂直位置一2 0 0d i v s ( 一1 0 0 v ) 图3 5 中1 点测试信号图3 5 中2 点测试信号 殛k几 s t o p mp 憾0 , 0 0 b 。k l r t o s t r 触 卿 j l s t d p mp 坛旧瞻k u t o s e t c m 平均值 藏洲 哆，门厂m 锵 。 鳖蜂值的6 v 量塑值2 8 2 v 取消自， 取消旨 周期3 3 4 2 , u ，频率2 5 3 7 k h z 动设置 劫渲董 o i l 珊v m2 5 0 m0 1 1 ，2 5 4 vc h l1 洲 m 锄鹏c i t i - 厂弧i i v 汕睇啪1 6 ：0 4 勰犏h ) e c 稍1 铡2 6 4 6 4 9 岫 图3 5 中3 点测试信号图3 5 中4 点的测试信号 图3 6 博世力士乐控制板p w m 功率驱动电路控制信号测量结果 图3 5 的上部分为反接卸荷式功率放大电路，下半部分为过流报警电路。在 图中可以看出，q 3 、q 4 为功率输出级，通过q 3 和q 4 对p w m 信号进行功率 放大，以驱动比例电磁铁。q 3 为p 沟道功率m o s f e t 管i r f 9 5 4 0 ，q 4 为n 沟 道功率m o s f e t 管i r f 5 4 0 ，i r f 9 5 4 0 与i r f 5 4 0 的规格见表3 3 。 第3 章比例流量阀控制器总体设计 表3 3i r f 9 5 4 0 与i r f 5 4 0 的规格 v t ) s s i t ) 2 5 。cr t ) s t o a ) f e t 极性 q g t y p i r f 9 5 4 0- 1 0 0 v2 3a1 1 7 0 m q p 型沟道 6 4 7 n c i r f 5 4 01 0 0v2 8 a7 7 0 m qn 型沟道 7 2n c 为了防止输入干扰进入功率放大级，因此在p w m 功率驱动的输入级设计了 一光耦隔离6 n 1 3 7 。由于光耦隔离的同时信号也反向了，再利用q l 来进行二次 反向，因此q 2 的控制信号就和主控制器输出的p w m 信号同相。匹配r 3 ，r 5 ， r 7 ，r 8 和r 1 1 ，使得q 2 两端的电势合理分配，从而控制q 3 和q 4 同时工作。 当控制器信号为高电平时，6 n 1 3 7 导通，q 1 的控制信号几乎为o ，则q 2 截止，