电液比例放大器的电路设计

1、2008年6月第36卷第6期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSJun12008Vol136No16电液比例放大器的电路设计姚磊,邢科礼,金侠杰,张国贤(上海大学机电工程及自动化学院,上海200072)摘要:讨论了电液比例放大器的PWM控制原理,给出了比例电磁铁线圈电流的数学模型。在此基础上对电液比例放大器的控制方法进行了分析并给出了具体电路;利用EDA仿真软件,对该电路进行了仿真。该电路已进行了实物测试,测试结果与仿真结果相符,符合设计要求。研究结果为电液比例放大器的设计提供了依据。关键词:比例放大器;脉冲宽度调制;电液比例中图分类号:TP271+14文献标识码:B

2、文章编号:1001-3881(2008)6-082-TheDesignofElectro2circuitofElectrocplifierYAOLei,XINGKeli,JIN(CollegeofMechatronicsEngineeringandAutShanghai200072,China)Abstract:PWMcontroltheoryofelectroprwasdiscussed.Themathematicalmodelsofthepropor2tionalsolenoidscoilcurrentwerepolforelectro2hydraulicproportionalampli

3、fierwasanalyzed.itsexperimentalresultofsimulation.Keywords:Proportilifier;Pulse2width2modulated;Electro2hydraulicproportionThecon2cretecircuitwasprovided.simanEDAsoftware.Therealcircuitsatisfiestherequirementofdesign,since0概述电液比例放大器是一种用来对比例电磁铁提供特定性能电流,并对电液比例阀或电液比例控制系统进行开环或闭环控制的电子装置。它是电液比例控制元件或系统的重要组

4、成部分。目前电液比例放大器主要有模拟式和PWM方式两种形式。模拟式比例放大器可输出连续电流,功放管工作在线性区,功耗大,温升高,效率较低。而PWM(脉冲宽度调制)控制的功放管工作在开关状态,功耗大为降低,而且无需另加颤振信号,抗干扰能力强,1-2滞后时间短,重复精度高。为此,笔者设计了一种结构简单、调整方便的PWM比例放大器,并利用EDA仿真软件,进行了电路仿真,给出了电路的设计过程。1电液比例电磁铁的线圈电流数学模型电液比例控制器的核心就是控制比例电磁铁线圈中的电流。比例电磁铁的线圈电流方程为:+I=RSdtRS信号PWM的平均值。PWM电路的基本形式是比例电磁铁等效线圈加等效电阻,并联续流

5、二极管,经大功率三极管加到电源。如图1所示为PWM电路的基本形式。PWM信号控制开关图1PWM式比例控制器管的导通与截止。电路的基本形式占空比定义为:D=TH/T(1)其中:U、I分别为比例电磁铁线圈中的电压、电流;RS、L分别为比例电磁铁线圈的等效电阻和等效电感。加在比例电磁铁线圈的电压波形为周期一定、脉冲宽度可调的矩形波。由于PWM信号的频率一般大于10倍以上比例阀的频宽,所以衔铁的运动只响应式中:TH为三极管导通时间;T为PWM周期,其中T=TH+TL;TL为三极管关断时间。图2为PWM信号的占空比与线圈电流的关系曲线。由图2可知,当占空比D和周期T取值合适时,可使比例电磁铁线圈中的电流

6、占空比与电流的关系保持稳定的平均值;在图2时间常数(L/RS)一定时,稳定电流平均值I及电流波动值dI取决于占空比D和周期T。当开关管导通时,即kT<t<(k+D)T(其中k=0,1,2,),电流为:收稿日期:2007-09-18作者简介:姚磊,男,1984年出生,在读硕士研究生,主要研究方向为机电液一体化。电话E-mail:sea191507341631com。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第6期I(t)=

7、U/RS+(I-dI-U/RS)e姚磊等:电液比例放大器的电路设计-(t-kT)/83(2)+12V转换为-12V的直流电平。当开关管截止时,即(k+D)T<t<(k+1)T(其中k=0,1,2,),电流为:I(t)=(I+dI)e-t-(k+D)T/(3)式中:为比例电磁铁电气时间参数,=L/RS。当t=kT+TH和t=(k+1)T(其中k=0,1,2,)时电流值分别为:I+dI=U/RS+(I-dI-U/RS)eI-dI=(1+dI)e-T(1-D)/-DT/(4)由式(4)可得:(I=2RS-TD/)-T/-T(1-D)/1-e(5)212信号输入及斜坡发生器斜坡信号发生器不

8、改变信号幅值,只改变控制信号的上升速度和下降速度。当输入阶跃信号时,能够以可调的速率无冲击的到达给定值,从而获得平稳而迅速的起动、转换或停止。斜坡时间可通过电位器调节,其电路图如图5所示。图中RW1为手调电位器,用来控制输入电压;U1A组成的高输入阻;U1B组成差分放大器电位器RW32=R3=R4时O-1/RC1由上面可知,当占空比从0100%变化时,均电流可以从0变化到稳态电流U/RS。取U=,其24V,RS=1915I的关系曲线如图3其中T/分别取1,2,。由图3可以看出,T与的比值越小,曲线越接近于直线,比值较大时,占图3平均电流I与占空比D的关系空比只能在某个范围内取值,才可保持线性关

9、系。2电液比例放大器的电路设计211电液比例放大器的组成根据所选用的比例电磁铁的参数,可以确定比例放大器的主要参数如下:供电电压2230V;最大输出电流1000mA;初始电流0100mA连续可调;控制电路电压±12V;斜坡调节时间01055s;颤振频率及波形30100Hz的方波。比例放大器的功放级采用PWM的开关式,其总电路组成如图4所示。它主要由电源稳压电路、斜坡发生电路和PWM功放电路等组成。)UP(6)R=RW2+R5+R7(上升段);R=RW3+R6+R7(下降段)。图5输入及斜坡发生器213PWM功放电路PWM功放电路由时钟信号发生器、脉冲宽度调制器、功率放大部分和电流负反

10、馈部分组成。脉冲宽度调制电路由双定时器556组成。555定时器U4A构成频率可调的方波发生器,该矩形波作为第二个555定时器U4B的时钟输入信号,其频率为:f=(RW6+R19)+R20+R21C6(7)图4电版比例放大器总电路组成电源稳压电路主要向控制电路提供所需的电源,包括+24V、±12V三种直流电平,+24V由系统外稳压电源提供,而±12V是利用一片7812集成稳压芯片输出+12V直流电平,然后由PC497芯片,将其中电位器RW4用于调整时钟频率大小。其电路图如图6所示。555定时器U4B组成脉冲宽度调制器,其输出的矩形波占空比由输入电压控制。输出矩形波的周期与4输

11、入信号周期相同。输出信号的脉冲宽度为:© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 84VCC-TH=RW7C8ln机床与液压第36卷UO3电液比例放大器的电路仿真及实验结果(8)VCC-UO其中VCC=12V,UO为双定时器556的11脚输入电压。电位器RW7用于设定最大的占空比,可以调整最大的输出电流。其电路图如图7所示。311电路特性仿真仿真时取比例电磁铁的参数为:L=120mH,。在以上参数下,对电液比例放大器进行RS=1915电路仿真,开关管输入电压U

12、S和比例电磁铁线圈电流I的瞬时特性曲线如图9所示。其中输入电压UP=8V时,t=200ms。图9输入电压8V时开关管输入电压和线圈电流的瞬态特性功率放大电路接收第二个555定时器U4B的输出电流并加以放大,产生线性的功率输出。适当选择R13,使功放管工作在开关状态。为了维持输出电流恒定,这里采用差动电压放大电路,用于对电流采样信号进行综合、滤波和放大,构成电流深度负反馈。其电路图如图8所示。由图9可看出,大约经过0116s后输出电流稳定在800mA。图10为电液比例放大器的输出电流与输入电压的关系曲线。由曲线可看出,当图10输入电压与输出元器件都在理想情况下电流的关系曲线时,输入电压和输出电流

13、二者之间是严格的线性关系。312实验及其结果根据以上分析,制作了PCB电路板,并进行了实验。本实验采用安阳机床电器厂生产的型号为GH2632045的比例电磁铁。该实验是为了获得在不同输入电压下,负载比例电磁铁的线圈输出电流,并与理想情况下比较。其结果如表1所示。表1实验结果输入电压UP/V01246电磁铁线圈仿真电流I/mA0100200400600|I-I|I电磁铁线圈测试电流IL/mA0100898187382587误差/%26153211注:误差=×100%图8功率放大电路由表1可看出,本文设计的比例放大器的线性误差符合设计要求。试验结果显示该放大器可靠性高、功耗低,可完全用于

14、实际工作。(下转第87页)© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第6期马金河等:基于半圆锥型减振槽的变量叶片泵配流盘的设计87压力微分方程反映了压力梯度。升压减振槽的结构参数1的最优化选取就是要尽量满足它们的压力梯度趋于恒定也就是尽量使式(1)表示的曲线趋于水平,半圆锥槽型减振槽的预升压压力梯度曲线如图6所示。图6减振槽的预升压压力梯度4试验测试通过以上仿真分析可以知道,当配流盘半径R1不变时,半圆锥型减振槽的形状尺寸只受到和1振槽尺寸优化更简单,。试验

15、中,并按上述仿真分析采用相应的1值减振槽两者具有相同,值分别是30°、45°、60°。试验中主要测量在额定工作压力32MPa、额定转速1000r/min条件下的噪声,测量结果如表1所示。表1噪声测量结果/(°)噪声/dB306345596062(上接第75页)高,具有较大的负载不敏感性,很适宜大惯量负载的驱动。TI公司的TMS320F2812是高性能的数字信号处理芯片,具有丰富的片上资源和运算能力。本文提出并研究了一种基于DSPTMS320F2812的车载俯仰电液伺服系统,对系统的总体设计及硬件、软件的设计作了较为详尽的论述,并讨论了变结构控制算法在系统

16、中的应用。该系统原理简单、组成方便、工作可靠,通过仿真和试验表明,对,实时性好、扩展方便参考文献【1】北京理工大学.液压传动M.北京:科学出版社,1977.【2】张琦,等.电液控制工程实践M.西安:西北工业大学出版社,1988.【3】张雄伟.DSP芯片的原理与开发应用M.北京:电子工业出版社,1997.【4】潘新民,王燕芳.单片微型计算机实用系统设计M.北京:人民邮电出版社,1992.(上接第84页)4结论笔者采用了PWM技术改进了比例控制放大器,所设计的比例放大器由电源稳压电路、斜坡发生电路和PWM功放电路等组成。通过仿真及实际测试,其输出结果及线性度误差基本符合设计要求。该电液比例放大器结

17、构简单、可靠性高、体积小、功耗低、成本低,具有良好的调节性能和抗扰动能力。测量结果表明,泵的噪声平均值6113dB比使用普通三角形减振槽时的平均值67dB低517dB。值45°时的噪声最低为59dB,这与以上仿真和理论分析基本一致,但是还需要在仿真和理论分析指导下做更多的试验进行验证。这一方法使试验验证的数量比使用普通三角形减振槽时减少了一半。5结束语本文建立了内反馈限压式单作用变量叶片泵预升压力的数学模型,给出了新型半圆锥型减振槽参数优化选取的方法,从而减小了压力梯度。在一定程度上消除了冲击、气蚀和噪声的产生,为变量叶片泵提供了一种新的设计思路。参考文献【1】吴根茂,等.实用电液比例技术M.杭州:浙江大学出版社,2006.【2】宫文斌,刘昕晖,孙延伟.电液比例PWM控制方法J.吉林大学学报:工学版,2003,33(3):104-106.【3】李光彬,张雪梅,赵光,等.基于PWM控制技术的电液比例阀的研究J.煤矿机械,2006,27(11):114-116.参考文献【1】何存兴.液压元件M.北京:机械工业出版社,1981.【2】凌翔,沙宝森.单作用叶片泵的参数计算与分析J.液压技术通讯,1975(1):63-68.【3】盛敬超.液压流体力学M.北京:机械