液压比例阀控制器.doc

第六章液 压 系 统 比 例 阀 控 制 器6.1 前言比例控制阀主要用于开回路控制(open loop control);比例控制阀的输出量与输入信号成比例关系，且比例控制阀内电磁线圈所产生的磁力大小与电流成正比。在传统型式的液压控制阀中，只能对液压进行定值控制，例如:压力阀在某个设定压力下作动，流量阀保持通过所设定的流量，方向阀对于液流方向通/断的切换。因此这些控制阀组成的系统功能都受到一些限制，随着技术的进步，许多液压系统要求流量和压力能连续或按比例地随控制阀输入信号的改变而变化(图6-1.1)。液压伺服系统虽能满足其要求，而且精度很高，但对于大部分的工业来说，他们并不要求系统有如此高的质量，而希望在保证一定控制性能的条件下，同时价格低廉，工作可靠，维护简单，所以比例控制阀就是在这种背景下发展起来的。比例控制阀可分为压力控制阀，流量控制及方向控制阀三类(如图6-1.2所示)。1. 压力控制阀:用比例电磁阀取代引导式溢流阀的手调装置便成为引导式比例溢流阀，其输出的液压压力由输入信号连续或按比例控制。2. 流量控制阀:用比例电磁阀取代节流阀或调速阀的手调装置而以输入信号控制节流阀或调速阀之节流口开度，可连续或按比例地控制其输出流量。故节流口的开度便可由输入信号的电压大小决定。3. 方向控制阀:比例电磁阀取代方向阀的一般电磁阀构成直动式比例方向阀，其滑轴不但可以换位，而且换位的行程可以连续或按比例地变化，因而连通油口间的通油面积也可以连续或按比例地变化，所以比例方向控制阀不但能控制执行组件的运动方向外，还能控制其速度。以上各种比例阀所作动的液压组件为液压缸或液压马达。6.2 比例阀控制器内部方块之意义与功能 比例阀控制器内部包含各种电路模块，每一个模块有其特定功能及用途并以符号来代表，此处就每一个模块的功能及原理来说明之。1. 斜坡产生器(Ramp Generator)图6-2.1为斜坡产生器之符号图，斜坡产生器(Ramp Generator)主要是将瞬间的电压变化量转换成带有时间延迟的电压变化，也就是说当输入电压改变时，斜坡产生器会将原先的阶梯式电压变化量缓慢地改变到改变后之电压，而在原先电压与改变后电压之间就会得到一随时间上升或下降的斜坡(Ramp)，所以Ramp Generator斜坡产生的原理跟积分器作用的原理是一样的。当输入信号改变时(图6-2.2)，其输入信号的波型有如阶梯形状。若系统无Ramp Generator 时，其阀体控制油压的变化亦与输入信号阶梯式的变化一样，则使每个相邻的油压压差变化很大，结果使整个控制油压的变化不准确及组件作动不圆滑顺畅，而Ramp Generator就是为了解决此项的困扰。当阶梯式的控制信号经Ramp Generator时(图6-2.3)，Ramp Generator会将电压变化的时间延迟，而输出一随时间上升或下降的斜坡信号，使油压变化顺着斜坡方向作变化，这样的结果使整个油压的变化更为圆滑顺畅。图6-2.1 斜坡产生器之符号无ramp generator时有ramp generator时斜坡产生器Ramp Generator控制器控制器控制信号CommandSignal控制信号CommandSignal压力Pressure压力PressureVPtttttPVV输入讯号输入讯号输出油压输出油压(图6-2.2)(图6-2.3)2. 脉波输出信号(Pulsed Output Stage)图6-2.4为脉波产生器之符号图。由脉波产生器(Pulse Generator)发出一脉波信号与控制信号(command voltage)一起输入到电压-电流转换器(converter)，将电压信号转换成脉波电流信号输出到比例控制阀的电磁线圈上使电磁线圈产生磁力，来控制比例阀阀轴的移动量。经由控制电流脉波之工作周期( Duty cycle )的大小，来控制供应至电磁线圈的电流大小，而脉波产生器的输出频率随各种阀体型式而不同。产生的脉波电流，主要是使作用在电磁阀驱动电路的功率损失降到最小，因为若使用模拟信号控制，其在电磁线圈驱动电路上产所生的功率(P=VIL)损失将会很大，而以脉波电流控制时，只要控制电流脉波的工作周期之大小，即可控制电磁阀之平均电流大小，并且可以将在电磁线圈驱动电路上所产生的功率损失降到最小。(图6-2.5)脉波产生器转换器U I调节器 控制电压信号图6-2.43. 电源供应器(Power Supply )将110V或220V的交流电压，由变压器降压经桥式整流滤波，得到一未经稳压的24V直流电压，因变压器是由漆包铜线所绕成的，有其绕线电阻存在rc ，当二极管导通时，亦有其电阻rON存在，所以在全负载时， rc与rON都会产生相当的压降，因此负载实际承受的电压为VL=VS-IL(rc+rON)，若拿来当系统电压供给的话，会受到系统负载电流(IL)的影向而变动，则在控制上会有失真的产生，这不是稳定直流电源所希望的现象，所以须要有稳压阶段(图6-2.5)将未稳压之电压作稳压的动作，减少系统在控制上及作业上误差的产生，在控制器( VT2000及VT3000)系统中，若使用24V做为供给电源时，在系统的最初输入端须装一个电源稳压转换器， 24V在稳压转换后，提供系统内部操作所须之电压及输出一9V 直流电压去当作控制信号(Commend signal)的供给源。(图6-2.6为电源供应器之符号图)220V24V24Veff ( a )24VefftU ( b )+18V+9V整流滤波稳压0VMO9V24Veff ( c ) ( 图6-2.5 )-9V +9V系统内部作业之电压24V0V(图6-2.6 电源供应器之符号)4. 阶梯信号产生器(Step Generator)控制信号输入阶梯信号产生器(Step Generator)，经阶梯信号产生器判别后，送出一阶梯信号产生器所设定之电压，若控制信号(Commend signal)100mV时，阶梯信号产生器就会输出一个正常数电压，若 -100mV控制电压100mV时，阶梯信号产生器输出0V，若控制信号-100mV时， 阶梯信号产生器产生一个负常数电压输出(图6-2.7)。阶梯信号产生器常被使用在比例方向控制阀上面，一般比例方向控制阀在制造技术上及性能的考虑上，其阀轴在换位时，都会有重迭现象的产生(Posltive overlap)，图6-2.8为比例控制阀的特性曲线图， 在X00的区域称为磁滞(Deadband)，这种现象在系统的控制上是不被允许的，为了使输入(I)与输出(Q)更线性化，通常都会加一额外电压(bias)给比例方向控制阀，使滑轴移动换位时，能快速越过X00这个区域，以减小磁滞现象。而阶梯信号产生器的主要功用就是提供一额外电压给电磁阀，使重迭现象减至最小。(图6-2.9为阶梯信号产生器之符图)+100%0.1V-0.1V+100%-100%+UE-UE+UA+100%-UAInOut( 图9 )(图6-2.8比例方向控制阀之特性曲线图)+Q+XXX0X0QbiasUEUA( 图6-2.9 ) 5. 比较器(Regulator on Proportional Amplifier Cards)在一般开回路控制 (Open loop control) 系统里，输入多少电压，其阀体作动相对产生多少油压，也就是电压与压力成比例关系，但是若使用在控制液压流量上面时，因阀体制造时所产生的误差及长期使用下所产生的摩损，都会使在液流的控制上产生偏差，而导致致动器实际的作动情形，超出预期的结果，为了减少偏差产生，所以就在控制系统内加一个比较器，来作误差补偿(图6-2.10)。当滑轴移动时，方向轴上的位置传感器，将所测得的滑轴移动物理量转换成实际的电压信号送回比较器，此时比较器将控制信号与实际信号作比较后，送出一补偿信号至电磁阀，作补偿调整工作，来控制阀口的开口面积，进而控制液压的流量。(图6-2.11为比较器之符号图) PIDValve液压缸液压马达位置传感器物理量控制信号实际信号(图6-2.10) PID控制信号实际信号输出信号(图6-2.11 ) 6. 加法器(summator)加法器算是一个算术操作数件，它是将各个的输入信号相加后， 再将其相加后的总和反向输入，(正变负;负变正)。在VT3000的系统中，加法器接收到从积分器及阶梯产生器送来的控制信号后，将其两个控制信号相加，得到另一信号值，再将其值反向输出到电流调整器。(图6-2.12为加法器之符图)(图6-2.12)UE1UE2UA= ( UE1 + UE2) 例: UE1= +4V ; UE2= +2V UA= (4V+2V) =6V7. 反向器(Inverter)反向器的输出是输入的反向，也就是将正数输入变成负数输出，或是负数输入变成正数输出，而在数字逻辑运算中，反向器的功用是将1的输入变成0的输出，或是将0的输入变成1的输出，由此可见反向器只有一个输入端和一个输出端，在控制器( VT2000或VT3000 )的系统中，反向器的功用只是用来当做信号极性的改变，使控制器的输入与输出变化做同向或反向的变化。(图6-2.13为反向器之符号图)（图6-2.13）UEUE8. 电位计(Potentiometer) 电位计是最常用的电力转换器，其目的为将机械运动变成电气变动信号，电位计最主要的特性为线性度，所谓线性度即为转臂每转动一距离，产生一比例于距离之电阻变化，而与转臂的位置无关，也就是说电位计之电阻是平均分配的。电位计的线性度在某些应用上相当重要，因此厂商对于所产生之电位计均附有线性度百分比之说明，而线性度百分比可以简称为线性度。在完全线性之下，不论转轴角度如何，电位计之电阻值改变量与转轴旋转角度成正比例关系;例如:转轴由00转到600时，电阻值改变20%，同理，由1800转到2400时，也只有20%的电阻值变化量(图6-2.14)。在控制器 ( VT2000及VT3000 ) 系统中， 若我们将电位计一端接10V，另一端接0V，便可得到010V的电压范围(图6-2.15)，经电位计上旋钮的改变，可得到不同的电压输出。所以，若我们将电位计拿来当作系统控制信号(command signal)供给源的话，则转动电位计上的旋钮， 就可改变输入的控制信号。（图6-2.14） Wiper10V0V（图6-2.15）9. 位移转换器(Inductive Positional Transducer on the Valves)位移转换器是用来侦测阀体滑轴的位置，它分为二大部分，一为轴杆部分，由滑轴与磁化的电枢所组成，二是传感器部分，由两组线圈所组成。其作动原理与线性可变差动变压器(LVDT)一样，是一种可以输出一比例于机械位移之AC输出电压信号(图6-2.16)。由振荡器发出一脉波电压信号，输入线圈1与线圈2，当电枢在两线圈的中间位置时，线圈1与线圈2分别感应出V1电压与V2电压,因此在Test Point 1点上的输出电压为Us=V1-V2(图6-2.17)。当电枢往上移动时，线圈1之磁场强度愈强，线圈2之磁场强度变弱，因此线圈1之V1电压，大于线圈2之V2电压，因而产生Us1之电压，而且Us1之电压会随着电枢愈往上移而愈大，同理当电枢往下移时，线圈2之磁场强度变强，线圈1之磁场强度变弱，而产生Us2电压，所以Us2之电压会随着电枢下移位置的增大而变小。输出之交流电压信号，经变换器( Demodulator )转成直流电压信号(实际信号)，传回给系统内的比较器，经比较器将其输入信号与实际信号作比较后，再向阀体上的电磁线圈发出纠正信号，以补偿误差。 电枢 图 6-2.16变换器Demodulator 振荡器信号输出Test point 1Coil 1Coil 2滑轴+U+US1+US+US20-U S2-U S-U S1-U图 6-2.176.3 应用于TBM系统中之比例阀控制器1. VT2000如电路图1，以24V DC当控制器(VT2000)的电源供应(24ac位置)，经系统电源供应器(5)稳压转换后， 提供系统内部作业所须之电压以及内部或外部电位计之电源供给，在VT2000系统中控制信号的输入方式有三种:第一种是从28C位置与30ac位置输入电压，经差值放大器(7)产生一差值电压输出当控制信号，而28C位置之电压为0V10V，30ac位置的电压为28C位置的参考电压，这里特别要注意的是当使用差值放大器做输入信号时，28C与30ac两条信号线必须同时接上或拆除，第二种是从系统电源供应器送出9V到10ac位置，再由10ac位置送入12ac的位置当控制信号，其中MO(14ac位置)为参考电压(0V)，所以10ac所送出的电压为最大电压9V，第三种是在10ac位置与12ac位置之间串接一电位计，经电位计上旋钮的调变，可在12ac的位置得到不同的控制电压信号(0V9V)。控制信号Ub(0V9V)经反向器，将其输入信号极性反向后送到R2 ，R2为一可变电阻，若控制信号的输入方式为第二种时， 经由R2的调变，将可改变控制信号Ub的电压值，若控制信号的输入方式为第一种或第三种时， 则R2可视为一个阻抗，被拿来当做比例压力控制阀内电磁线圈的限流器，控制信号经斜坡产生器(1)，对其输入的控制信号(阶梯电压信号)转换后，得到一随时间成比例变化的电压Ua(0V6V)输出(Ramp信号)，其主要目的是当控制信号改变时，系统油压压力的变化能顺着经由斜坡产生器输出之斜坡方向(Ramp)与控制信号成比例的变化。其中R3与R4可调整Ramp的时间，进而改变Ramp的斜度。信号再送经电流调整器(2)内的电位计R1 ，来当作R1电位计的电压值，经与振荡器(4)调节后，再由电流调整器输出一脉波信号，去控制功率晶体管的工作周期(on/off)，当功率晶体管on时，+UL从功率晶体管，经22ac位置到电磁阀上的电磁线圈，电磁线圈产生磁力，来作动比例压力控制阀，使得系统油压与输入信号成比例关系，最后+UL再由20ac位置去搭铁。而在X1的位置可量得控制电压(0V6V)，在X2的位置可量得电磁线圈的电流(0800mA)。2. VT3000如电路2，以24VDC当控制器(VT3000)的电源供应(32a位置)，经系统电源供应器(7)稳压转换后，提供系统内部作业所需之电压，以及内部或外部电位计之电源供给，在VT3000系统中控制信号的输入方式有三种:一是由系统电源供应器(7)提供一+9V之稳定电压到20c位置及-9V的稳定电压到26ac的位置，再由20c位置或26ac位置，将电压一同送入12a、8a、10a 、10c等四个位置当控制信号，其中MO(20a位置)为这四个信号输入端的参考电压0V，所以这四个位置的电压最大为+9V或-9V。二是由系统电源供应器或是在系统外部使用一电位计，各别供应这四个信号的输入端(12a、8a、10a 、10c)，其输入控制信号范围在+9V-9V之间。三是从16a及16c的位置输入电压，经差值于大器(8)产生一差值电压输出当控制信号，而16a位置之电压为0V10V，16c位置的电压为16a位置的参考电压，这里特别要注意的是当使用差值放大器做输入控制信号时，16a与16c的信号线必须同时接上或拆除。 若控制信号输入的方式为第一种时，要使这四个位置(12a、8a、10a 、10c)产生不同电压的控制信号，可藉由R1R4的调变来获得，若控制信号输入的方式为第二种时，则R1R4可视为这四个输入信号的各别阻抗，所以R1R4均被拿来当做比例方向控制阀内电磁线圈的限流器。控制信号ub(0V9V)经斜坡产生器(1)，对其输入的控制(阶梯电压信号)转换后，得到一随时间成比例变化的电压uA(0V6V)输出(Ramp信号)，其主要目的是当控制信号改变时，系统油压压力的变化能顺着由斜坡产生器输出之斜坡方向(Ramp)与控制信号成比例的变化。R8为一可变电阻，经由R8的调整可改变Ramp