增量式数字阀计算机控制系统研发及开发

1、LOGO 增量式数字阀计算机控制系统研发及开发增量式数字阀计算机控制系统研发及开发 作者：张萃作者：张萃 主讲人：姚主讲人：姚xx Company Logo 目录目录 绪论绪论1 增量式数字阀计算机控制系统的原理及特性增量式数字阀计算机控制系统的原理及特性2 系统硬件设计系统硬件设计3 系统软件设计（不作介绍）系统软件设计（不作介绍）4 Company Logo 摘要摘要 本论文以绝缘子拉力试验机改进设计为前提，研究开发了增量式本论文以绝缘子拉力试验机改进设计为前提，研究开发了增量式 数字比例压力阀的计算机控制系统，实现了微机控制比例加载要求。数字比例压力阀的计算机控制系统，实现了微机控制比例

2、加载要求。 本文从数字比例溢流阀的构成、原理及特性出发，分析了增量式本文从数字比例溢流阀的构成、原理及特性出发，分析了增量式 数字控制机理及控制特性。并从液压阀控制要求、机械转换器、步进电数字控制机理及控制特性。并从液压阀控制要求、机械转换器、步进电 机、驱动器及微机控制等几个环节探讨了增量式电液数字控制系统开机、驱动器及微机控制等几个环节探讨了增量式电液数字控制系统开 发中的若干技术问题。根据系统控制要求，完成了系统硬件设计、上位发中的若干技术问题。根据系统控制要求，完成了系统硬件设计、上位 机软件、下位机软件及相应控制模块的开发，创建了基于机软件、下位机软件及相应控制模块的开发，创建了基于

3、LabVIEW 软软 件虚拟仪器控制平台。并对软硬件及系统进行了试验。件虚拟仪器控制平台。并对软硬件及系统进行了试验。 该系统能实现以中央控制计算机为控制中心集群监控多个液压元件该系统能实现以中央控制计算机为控制中心集群监控多个液压元件 或多个液压系统完成即定或编定的工作，也可以由下位机单独实现各台或多个液压系统完成即定或编定的工作，也可以由下位机单独实现各台 设备的独立工作。设备的独立工作。 Company Logo 1、绪论、绪论 1940 年底，首先在飞机上出现了电液伺服系统年底，首先在飞机上出现了电液伺服系统 50年代，永磁力矩马达，年代，永磁力矩马达，喷嘴挡板阀作第一级的喷嘴挡板阀作

4、第一级的 电液伺服阀电液伺服阀 60 年代，各种结构的电液伺服阀相继出现年代，各种结构的电液伺服阀相继出现 70 年代初，开始批量生产电液流量年代初，开始批量生产电液流量 伺服阀伺服阀 80 年代来发展了电液控制技术，电磁阀控制和电液年代来发展了电液控制技术，电磁阀控制和电液 比例控制技术得到了广泛的应用比例控制技术得到了广泛的应用 目前，电液伺服控制和电液比例目前，电液伺服控制和电液比例 控制都已经发展成为比较成熟的控制都已经发展成为比较成熟的 技术技术。 1、1 Company Logo 计算机电液控制系统拥有微机控制技术和液压控制技术的双重优势，从信计算机电液控制系统拥有微机控制技术和液

5、压控制技术的双重优势，从信 息处理方面来看具有很多优点。息处理方面来看具有很多优点。在这样的基础上，数字式液压元件产生的在这样的基础上，数字式液压元件产生的 背景：背景： 计算机接收和发出的一般是离散数字式的，伺服元件及比例控制元件在与计算 机相联时一般要经过数字化，即需要经过 A/D 或 D/A 转换，而不能直接相连，而且， 伺服元件的加工精度要求很高，电磁比例控制元件具有对温度的敏感性，正由于伺 服、比例元件具有上述缺点，人们自然想到一种能够直接接受数字信号的电液控制 元件数字式液压元件。 Company Logo Company Logo 模拟式模拟式 比例阀比例阀 组合式组合式 数字阀

6、数字阀 步进式步进式 数字阀数字阀 高速高速 开关阀开关阀 一般需要数一般需要数 模和模数的模和模数的 反复转换、反复转换、 也常采用脉也常采用脉 宽调制式控宽调制式控 制，是一种制，是一种 间接式的数间接式的数 字控制字控制 由成组的普由成组的普 通电磁阀和通电磁阀和 压力阀或流压力阀或流 量阀组成的量阀组成的 数字式压力数字式压力 或流量阀或流量阀。 省去了昂贵省去了昂贵 的的 D/A 转转 换装置换装置 一般是由微一般是由微 机控制步进机控制步进 电机电机，带动带动 阀芯运动阀芯运动， 再由阀芯控再由阀芯控 制液压执行制液压执行 器工作。器工作。无无 需采用需采用 D/A 和和 A/D

7、转换转换 通常采用时通常采用时 间比率式脉间比率式脉 冲调制来达冲调制来达 到流量控制到流量控制 的目的的目的 数字式比例控制技术数字式比例控制技术 定义：直接接受数字控制信号，对输出的压力和流量进行比例控制的电液控制系统。 系统中采用的数控元件类型： Company Logo 数模混合式数模混合式 控制控制 控制方式按信号的控制方式按信号的 处理方式来分处理方式来分 脉冲调制式脉冲调制式 控制控制 Company Logo 脉宽调制脉宽调制 (PWM) 脉幅调制脉幅调制 (PAM)脉频调制脉频调制 (PFM) 脉码调制脉码调制 (PCM) 脉数调制脉数调制 (PNM) 脉冲调制式控制按对脉冲

8、信号的某一特征参数进行调制脉冲调制式控制按对脉冲信号的某一特征参数进行调制分为：分为： Company Logo 调制方法如图调制方法如图所示所示 脉冲量调制形式脉冲量调制形式 ： Company Logo 采用模拟式比例阀的数模混合控制采用模拟式比例阀的数模混合控制 用计算机来控制普通模拟式比例阀，必须采用数模和模数转换器及其他接口 电路。将计算机输出的数字量变成模拟量，再经放大和调节才能用于控制比例阀。 图示 由模拟量比例阀组成的数模混合控制系统 Company Logo 采用脉冲调制的数字式比例控制系统采用脉冲调制的数字式比例控制系统 为了使计算机输出的脉冲控制信号为比例元件接受，必须要

9、按比例元件所能 接受的信号要求来进行调制。脉冲调制指脉冲的某特征参数受到控制的调制， 该特征参数的变化反映了比例元件中控制信息的变化，因此，采用数字式控制时 要对脉冲控制信号进行调制。 调制方法如图所示。 在实际应用中，脉数调制控制方式演变成增量法来实现。 脉数调制型数字式比例控制是用计算机对增量式的数字阀进行控制的一种形式。 增量式数字阀是以步进电机进行电机械转换的比例阀，阀芯的移动步数与输人 脉冲数成比例。为了使阀芯达到某一需要的开度(幅值)。脉数调制型数控系统的 框图见图所示。计算机根据约定指令，输出脉冲序列，经脉冲分配和放大 后去驱动步进电机，使数字阀按脉冲数量的要求，改变输出的压力、

10、流量和方向 去推动液压执行器. Company Logo 图示 脉数调制型数控比例系统 Company Logo 增量式数字阀 的优点 可直接由脉冲 信号控制 精度高抗干扰能力强 Company Logo 增量式数字阀计算机控制系统的开发意义及内容增量式数字阀计算机控制系统的开发意义及内容 增量式数字阀计算机控制系统的开发意义增量式数字阀计算机控制系统的开发意义 本项目是对绝缘子拉力试验机液压加载系统进行改进而设的。 绝缘子拉力试验机实施的试验项目包括以下几项内容： 1、 逐个试验 2、 一分钟耐受试验 3、 96 小时保压试验 4、 破坏试验 拉力试验机液压原理图如图所示。 Company

11、Logo Company Logo 本论文的研究内容本论文的研究内容 1增量式数字压力阀控制系统的工作原理及特性 对增量式数字阀闭环控制系统的工作原理、传动元件及传动机构性能要 求进行分析和研究。 2控制电路的设计 本论文中所应用的设计思路是集散控制的方法，即下位机可以在脱离上位机的 情况下单独运行，就是有上位机监控时，大量的数据处理和操作功能也由下位机 来完成，大大的提高了整个系统的运行速度，下位机电路主要包括：（1）仪用 信号放大板，用来放大不同的压力传感器的压力值，该放大板由多路选择开关， 可编程增益控制，运算放大器等组成。（2）CPU 控制板，（3）步进电机控制 板，（4）模数信号转换

12、电路，（5）RS485 总线电路设计。 3控制软件设计 下位机控制软件与相应的硬件相对应，设计了各种功能子程序，具有操 作速度快，功能完善的特点。 上位机控制软件LabVIEW Company Logo 2、增量式数字阀计算机控制系统的原理及特性增量式数字阀计算机控制系统的原理及特性 增量式数字阀计算机控制系统框图增量式数字阀计算机控制系统框图 如图 增量式电液数字控制阀闭环控制系统 Company Logo 增量式数字溢流阀的工作原理及特性分析增量式数字溢流阀的工作原理及特性分析 增量式数字溢流阀原理图 Company Logo 根据图示可建立数字溢流阀液压部分的数学模型 模型假设： 1忽略

13、导阀的粘性摩擦 2忽略主阀的干摩擦。 得出描述增量式数字溢流阀的动静态特性的基本方程如下； 流量连续方程 主阀及导阀的平衡方程为： Company Logo 对于丝杆螺母机械转换机构有：对于丝杆螺母机械转换机构有： t -丝杆螺距 - 步进电机步距角 N -输入脉冲数 由此有步进电机的步位压力特性图 Company Logo 步进电机及其特性步进电机及其特性: 步进式数字阀是指由步进电机作电机械转换的数字阀。对步进式数字阀的控制 从本质上说就是对步进电机的控制。 步进电机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的电磁装置，是种 特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电机则有运转和定

14、位两种基本 状态。每给它输入一个脉冲信号，它就转过一定的角度，当有连续脉冲输入时，它 就一步一步地转动。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场会使转子保 持在原有位置而处于定位状态。在不失步的情况下，由于它的位移量与输入脉冲数 严格成正比，且时间上与输人脉冲同步，因而只要控制输入脉冲的数量，频率及各 绕组的通电顺序，使可获得所要求的转角、转速和转向等特性。 具体的：1、步进电机的动态特性 2、步进电机电磁驱动力矩 3、矩频特性 4、步进电机速度的提高 5、步进电机的微机驱动 Company Logo 步进电机选择步进电机选择 选择的总体原则是步进电机的运行频率高、输出转矩要大、步距误差小

15、和性 能价格比高。但是由步进电机的转矩频率特性，频率过高势必造成转矩降低， 所以实际选用时应全面考虑。所以需要对它的负载、精度和速度进行分析。 拉力试验机的精度要求在不同的拉力值下数值有所不同，脉冲当量一定要能 满足对精度的要求，系统压力调节范围为 025MPa，可计算出脉冲当量（MPa /脉冲），然后由脉冲当量选择电机的步距角和机械转换器的传动比，并根据精 度要求选择电机的步距精度。选用混合式步进电机。 Company Logo Company Logo Company Logo Company Logo 机械转换器机械转换器 机械转换器的主要作用是将步进电机的转动步距角转换为阀芯或弹簧 的

16、直线位移。正确选用机械转换器对于确定步进电机的步距角、改变电机轴 上的负载情况和改善阻尼等非常重要。常用的机械转换器可以是凸轮机构或 螺杆（丝杆螺母或滚珠丝杆）机构，并且可以根据步进电机脉冲速率的 高低或可调与否决定是否设置齿轮减速机构。 凸轮式机械转换器 丝杆螺母式机械转换器 Company Logo 调节杆可以推动阀芯，也可以推动弹簧，本系统为推动弹簧结构，由于 采用了变频控制，采用（c）所示转换器形式。 步进电机闭环控制的研究步进电机闭环控制的研究 步进系统多采用开环控制，由于步进电机本身的性能及机械结构等因素 的影响都可使工作量轴偏离指令值，使系统的精度降低，而且这种开环控制 也只能用

17、于系统特性符合某种函数的系统. 应用闭环控制使系统的控制精度、重复精度都大大的提高了，也大大的 降低了控制的难度，有效地提高步进系统的性能。 1步进电机驱动系统和闭环控制 步进电机在工作时将输入的数字脉冲转换成电机轴的输出角度，每个脉 冲使转轴转动一个步距角，并依靠电磁力矩将转轴准确地锁定在相应的步距 位置上。 由于各种非线性因素的影响，必然使被驱动部件的实际位移偏离指 令值，而开环系统不会检测到这个问题，所以无法对其进行有效校正与补偿， 因此很难使系统达到较高的控制精度。 Company Logo 在系统中引入检测环节并对其进行闭环控制，可从根本上解决步进系统的精度问 题，检测环节可将检测到

18、的实际被测量反馈给控制器，控制器根据检测到的运动部 件的实际被测量和速度状态，来调整输入脉冲的数量、频率，使步进电机稳定在正 常运行状态，并使运动部件的实际被测量与指令要求一致，从而满足步进驱动系统 的精度和可靠性的要求。 2系统结构设计方法 要提高步进驱动系统的精度，应从几方面考虑: 首先，改善步进电机的性能，减小步距角。 其次，采用精密传动副，减小传动链中的间隙。 这里提出的步进驱动系统闭环控制方法，一方面对步进电机的步距角进行细分驱动， 另一方面引入被测量检测环节和闭环控制器，使系统的运动部件的精度由检测环节 的测量精度决定，并对系统中各种非线性因素的影响通过控制器进行有效的动态校 正与

19、补偿。闭环系统结构如图所示。 Company Logo 闭环系统结构图 Company Logo 3、系统硬件设计系统硬件设计 本系统采用步进电机进行控制液压加载的随动方式，通过对系统压力的实时检测进 行反馈控制。 总体设计思路 Company Logo 数据采集装置数据采集装置 采集信号可以是压力、位移等。 程控增益放大器程控增益放大器 1仪用放大器与运算放大器比较 在本系统中应用 AD620 作放大器。仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端 单端输出的闭环增益单元。运算放大器的闭环增益是由其反向输入端和输出端之 间连接的外部电阻决定。 电桥前置电路 AD620是一个低成本，高精度的仪表放大器，使用方便，仅需 使用一个外部电阻即可设置增益 Company Logo 上图示是一个电桥前置电路，一种典型的仪表放大器应用。当检测信号时，电桥电阻器 阻值改变，使电桥失去平衡并且在电桥两端产生一个差分的电压变化。该电桥的信号 输出就是这种差分电压，将其直接连接到仪表放大器的输入端。 Company