电液伺服控制器的电路设计及精度研究doc-故障诊断控制器

电液伺服控制器的电路设计及精度研究李永建王少萍摘要：本文针对目前电液伺服控制器中电液伺服阀显示电路影响其驱动电路设计的问题，提出了用电流式模拟表头加继电器方法，代替了采样电路加电压式模拟表头，改善了线性度和精度；针对一般的传感器调理电路增益调节范围小，线性度不好的问题，本文采用了一种新的电路增加了放大倍数和改善了线性度；本文还介绍了一种根据实际情况把电位计和固定电阻结合的方法，提高了电位计在电路中的精度。关键词：电液伺服阀驱动电路调理电路精度Thecircuitdesignofelectro-hydraulicservocontrollerandAccuracyresearchAbstract:Thispaperaimedatissueofelectro-hydraulicservocontrollerservovalvedisplaycircuitaffectingtheirdrivingcircuitatpresent,usingCurrentanalogHeadandRelay,insteadingofsamplingcircuitandvoltageanalogHead,improvedthelinearityandprecision；Gainadjustmentofthesensorconditioningcircuitsaimedatthegeneralscopeofthesmall,poorlinearity.Inthispaper,anewamplifiercircuittoincreaseandimprovethelinearity；Italsointroducesamethodaccordingtotheactualsituationtoputafixedresistancecombinationofpotentiometer,anditimprovedtheaccuracyofcircuit.Keywords:electro-hydraulicServoValve；DrivingCircuit；Conditioningcircuit；Accuracy近年来电液伺服控制技术的发展非常迅速，覆盖从民用机械到精确打击武器等关键国民经济领域。作为辅助设备——电液伺服控制器的应用的场合也越来越多。但传统的电液伺服控制器中的电液伺服阀显示电路通过采用电阻把电液伺服阀电流转换为电压去显示，由于采样电阻串联在电液伺服阀驱动电路中，造成了驱动电路的非线性，也影响了显示精度；本文用继电器作为选择电路，把电流式模拟表头引入驱动电路中直接测量电液伺服阀电流，提高了显示的线性度和精度；本文还针对电液伺服控制器中传感器调理电路中增益调节范围小，线性度不好的问题，提出了可行的解决方案。1电液伺服控制器概述A/DD/A下位机网卡A/D力矩传感器标准输入4路伺服阀位移传感器力矩传感器调理电路伺服驱动电路处理电路标准输出串口计算机电液伺服控制器图1电液伺服控制器原理示意图作者简介:李永建（1977-），男，北京航空航天大学自动化科学与电器工程学院硕士生Email：[e-mail]王少萍，女，北京航空航天大学自动化科学与电器工程学院博士生导师由图1可以看出，电液伺服控制器的主要功能是将电液控制系统的力矩信号和角位置信号进行调理送入计算机的A/D，同时将计算机D/A输出的控制信号（伺服阀控制信号）进行转换和放大，去驱动伺服阀按要求运动。本系统的特点是：（1）力矩传感器感受的力矩信号比较微弱，输出信号为mV级，经过传输线后进入调理电路引入很大干扰，故除了对其功率放大和调零外，另加入滤波电路；（2）为了保证电液伺服控制器的可扩展性，还设计了标准输入和标准输出接口；（3）配置了显示仪表以实现实时监测电液伺服系统工作情况的目的。现将以电液伺服阀FF102驱动放大电路、显示电路及位移传感器调理电路为例讨论其设计方法及如何提高电路精度线性度方面的问题。2电液伺服阀驱动显示电路的设计2.1电液伺服阀驱动电路设计驱动模块是电液伺服阀驱动电路的核心，它由第一级仪表运算放大器AD622AN和第二级功率运算放大器LH0041组成。电液伺服阀驱动电路的要求在D/A1端加-10V～10V的电压，AB端（接电液伺服阀）输出-40mA～40mA的电流信号。第一级AD622AN放大电路在后面将论述，下面先讨论一下第二级功率运算放大器LH0041的使用原理。图2为电液伺服阀驱动电路图。电液伺服阀作为驱动的负载，其线圈具有电感而非纯电阻阻抗，所以流过线圈的电流将不与加在其两端的电压，即放大器的输出电压成正比。为了使控制电流正比于输入电压，采用电阻R-S107与电液伺服阀控制线圈串联，并将其上电压与经过电阻R-ST1反馈到放大器输入端，因为反馈电压是由电流产生的，故为电流负反馈。图2电液伺服阀驱动电路图用Is表示流经电液伺服阀控制线圈的电流，从图中容易得出：1107sRSTRSIII(1)其中：1/11101102101102STDARSTRSRSUUIIIRSRS(2)又：1071071011021()107107RSRSRSRSURSTIIIRSRS(3)可得：1/11(1)()107101102STDAsUURSTIRSRSRS(4)由式(4)可以看出，流经电液伺服阀控制线圈的电流Is正比与输入电压/1DAU和调零电压1STU的综合值，1STU连接面板上的调零旋钮，即可实现电气调零。放大器的电流增益可由电位器R-ST1调节，事实上由于电阻R-S107的大小远远小于R-ST1，流经电阻R-S107的电流可以忽略。2.2电压式电液伺服阀显示电路设计图3电液伺服阀驱动及显示电路图在图3显示电路中，为了测量电液伺服阀的电流，在电液伺服阀回路路中串联一个采样电阻R-S15，把电流转换成电压，然后经仪表放大器AD622AN隔离，再经过高精度运算放大器OPA277比例放大后送到电压式模拟表头显示；一个模拟表头需要显示两路电液伺服阀电流，所以CX1接通道选择电路（此通道选择电路比较简单，只要一个模拟开关4052即可，电路略去）后再接电压式模拟表头。电液伺服阀二的驱动电路和显示电路与电液伺服阀一电路类似，其电压输出CX2也接通道选择电路；最后再接电压式模拟表头来显示。采用上述的驱动电路和显示电路，得到的电液伺服阀输入电压和输出电流数据如表1所示。表1电液伺服阀驱动电路输入输出数据V-10-9-8-6-5-4-1014568910mA40363224201640.1-3.9-15.8-19.8-23.8-31.8-35.7-39.7通过观察上表中的数据发现，在输入的驱动电压在0～10V电压期间，输出电流没有与输入的驱动电压保持严格的线性关系。从图3可以看出显示电路中加入采样电阻增加了驱动电路的输出阻抗，这样会对驱动电路线性度产生了影响；此外，在图3中在通过采样电阻R-S15把电液伺服阀电流转换电压并放大过程中，首先由于采样电阻，一般其精度选为1‰，所以在采样电阻上产生了1‰的精度损失，其次在通过运算放大器OPA277的比例放大过程中，在运算放大器上也存在了精度的损失。为了减少显示电路不必要的精度损失和改善驱动电路的线性度，可采用电流式显示电路。2.3电流式电液伺服阀电流显示电路电流式模拟表头电路与电压式模拟表头显示电路的不同,它不需要采样电阻和隔离放大电路,而是直接在把电流式模拟表头串联在电路中,在采样电阻的位置换上电流式模拟表头。要用一个模拟表头显示两路电液伺服阀的电流,也需要加入了通道选择电路；通道选择电路的功能是：当测量电液伺服阀的电流以电流式模拟表头串联在电液伺图3电液伺服阀驱动及显示电路图服阀的电路中,电液伺服阀二的相应部分短接;同理要测量电液伺服阀二的电流时把电流式模拟表头串联在电液伺服阀电路中,电液伺服阀的相应部分短接。实现此功能的通道选择电路如图3，K1，K2，K3，K4为同一继电器的4个双置开关，当K1打到1，K2打到3，K3打到5，K4打到7时，电流式模拟表头测量电液伺服阀一的电流，电液伺服阀二相应测量部分为短接。图4通道选择电路图用上述电路得到的输入电压和输出电流的实验数据如表2所示。表2电液伺服阀驱动电路输入输出数据V-10-9-8-6-5-4-1014568910mA40363224201640-4-16-20-24-32-36-40从表2可见，采用电流式模拟表头的显示电路使输入驱动电压与电液伺服阀输出电流保持了比例关系，提高了显示电液伺服阀电流的精度和线性度。从表1和表2比较可以看出两种显示电路造成的电液伺服阀显示精度和线性度不同。3传感器调理电路设计3.1传感器调理电路原理及电路设计一般位移传感器数据都不能直接用来显示，需要通过调理电路才能显示。下面介绍位移传感器的调理电路原理:已知位移传感器在75mm时输出电压为5V，为了直观,现在让位移传感器在75mm时，电压式模拟表头的显示为75，表示位移为75mm；要电压式模拟表头的显示75，只要输入电压式模拟表头的电压为7.5V，然后把电压式模拟表头的小数点后移一位，电压式模拟表头就显示75；又由于位移传感器的输出和测量位移是线性的，所以只需要将传感器输出放大7.5/5=1.5倍即可，这就是调理电路的原理。现有两种方法可实现此调理电路:传统的方法用运算放大器OPA277的负反馈电路来实现，其电路如5所示。图5运算放大器负负反馈电路图对运算放大器有：(1)同相输入端与反相输入端的电位相等，但不是短路。我们把满足这个条件称为虚短；理想运放的输入电阻为∞,因此集成运放输入端不取电流。因为：0,0UUII，所以：从上式我们可以看出：oU与iU是比例关系，改变比例系数1/fRR，即可改变oU的数值；负号表示输出电压与输入电压极性相反。用高精度运放OP277的“虚短”“虚断”特性使显示信号和输出信号不会相互干扰，又因为电压跟随器具有比射级输出器好得多的跟随特性，所以稳定性和精度都比较高，但缺点是输出与输入反向，而且增益调节范围过小。改进后得调理电路是采用仪表放大器AD622AN，它是一种低功耗，高精度的仪表放大器，其放大倍数可以达到2～1000，可见AD622AN比用OPA277的放大倍数调节大的多，其次AD622AN使用更方便，只要在1，8之间加以可变电阻就可以改变其增益（不接电阻时增益为1），增益电阻RG的选择按下式计算：RG=50.5KΩ/(G-1)，所以增益电阻RG=50.5/(7.5/51)k=101KΩ,调理电路如图6所示。图6仪表放大器AD622AN调理电路图3.2电路中元器件精度的选用原则在用电压式模拟表头测量电液伺服阀电流的电路中用到10欧姆的采样电阻，此处需要高精度的元件，因为采样电阻的阻值不准会影响采样输出，已知加在采样电阻的电流为-40mA～40mA，如果采样电阻不是10Ω,而是9.99Ω，则在采样电阻上无论如何也得不到-0.4V～0.4V的电压；在使用了精度为1‰的电阻时发现采样电阻输出电阻误差较大，改用1‰精度的采样电阻后输出较理想，可见影响电路精度的关键元部分需选择精度较高的元器件，两种精度的采样电阻的数据曲线如图7所示。图7电液伺服阀驱动电压与输出电流在测量电液伺服阀电流的电路中有一个调节增益的电位计R-ST1(见图2)，为了得到准确的增益，此处需要精度高的电阻值，一般有1K，2K，20K，200K等阻值，现在电路中需要134K的阻值，可把一个120K的电阻和20K的高精度电位计串联，串联后的电位计的阻值范围为120K～140K，这样得到阻值比采用200K高电位计精度高，而且更容易调节到134K的阻值。4．结论在进行电路设计过程中，应注意以下事项：①应尽量采用模块电或产品,从上面的介绍知采用电流式模拟表头显示电路明显比电压式模拟表头显示电路的精度高,主要是因为电流式模拟表头显示电路是直接把电流式模拟表头接入电液伺服阀驱动回路中，这样，显示精度就是电流式模拟表头的精度；而