CN103062472B - 具有使能保护控制功能的电液伺服阀阀控器 - Google Patents

Abstract

一种具有使能保护控制功能的电液伺服阀阀控器，在三级电液伺服阀控制器的使能控制端上安装有电气使能控制器，在其保护端上安装有电气保护控制器，通过使能端和保护端的控制，实现伺服阀正常输出信号与安全保护信号切换。当使能信号为高电压时，控制信号通过I/V转换、前馈控制、比例控制器、功率放大器实现对伺服阀的控制。当时使能信号为低电平时，使能控制器能将控制信号强制切换，补偿反相输入信号，实现强制输入信号为指定信号的功能。当安全保护信号为低电平时，强制系统解除闭环控制，输出固定保护信号，实现伺服阀阀芯位置的保护，从而达到系统的安全的目的。具有响应快，对控制无扰动的特点。

Description

具有使能保护控制功能的电液伺服阀阀控器

技术领域

本发明涉及一种具有使能保护控制功能的电液伺服阀阀控器。

背景技术

三级伺服阀控制器作为核心控制元件在电液伺服阀液压伺服控制系统中得到了广泛的应用，尤其是大流量三级伺服阀被广泛地应用于冶金、矿山、船舶等各个行业。但是目前大流量三级伺服阀主要依赖于进口，主要原因在于电液伺服阀阀芯的控制部分尚不成熟，稳定性和安全性方面有待于提高。三级电液伺服阀控制器(ZL 2009 1 0071332.8)中对控制器的组成和原理进行了介绍，解决了控制器闭环控制的稳定性问题。但是当由于外界原因或伺服阀本身的故障需要伺服阀解除闭环控制时，原有的三级电液伺服阀控制器难以实现使能控制和保护控制功能，伺服阀控制器的输出信号不受控。故障时伺服阀控制器输出不确定性也给系统带来危险。

发明内容

本发明是在现有三级电液伺服阀控制器的基础上增加了具有电气保护功能的使能/保护模块，在不影响三级伺服阀控制器性能的基础上，通过使能端和保护端的控制，实现伺服阀正常输出信号与安全保护信号切换。

本发明为达到上述目的所采用的技术如下：一种具有使能保护控制功能的电液伺服阀阀控器，在三级电液伺服阀控制器的使能控制端上安装有电气使能控制器，在其保护端上安装有电气保护控制器，电气使能控制包括电压跟随器、保护信号反相器、限幅电路、使能切换器和加法器，阀控器正常工作信号G1经电压跟随器输出分别给限幅电路和保护信号反相器，保护信号反相器将受电气使能端控制的保护电压信号G3与电压跟随器输出的信号G2相加并反相，得到信号G4输出给使能切换器，使能切换器根据电气使能信号控制控制输出信号G5为G4或是GND，加法器将限幅输出的信号G2与使能切换器输出的信号G5相加得到最终的输出信号G6，限幅电路对电压跟随器输出的控制信号进行限幅，避免饱和时出现控制信号不受控现象；当使能信号为高电平时，G₅＝0V；输出信号：G₆＝G₂+G₅＝G₂＝G₁

当使能信号为低电平时，G₅＝G₄＝-(G₃+G₂)

G₆＝G₂+G₅＝G₂+G₄＝G₂-G₃-G₂＝-G₃；

则输出信号G₆在电气使能控制端的作用下输出为控制信号G₁或为反相的保护信号-G₃；实现电气使能端的使能保护作用；在电气系统闭环控制均工作正常的情况下，电气使能控制信号直接实现其保护作用；

电气保护控制器包括可调电压输出单元和保护控制切换器，可调电压输出单元包括固定电阻R₂₁、固定电阻R₂₂和可调电阻R₂₃，保护电压通过固定电阻R₂₁和固定电阻R₂₂限幅后，受可调电阻R₂₃调节输出信号G₈，信号G₈连接至保护控制切换器的常闭控制端；阀控器正常工作信号G₇连接至保护控制切换器的常开控制端；当保护控制切换器处于正常工作状态时，电气保护控制端正常供电，阀控器的正常控制信号通过保护控制切换器的常开控制端输出至保护输出信号G₉，使信号G₉＝G₇，则伺服阀正常受阀控器控制；当电气保护控制端为低电平时，保护控制切换器切断常开点的控制信号，将调节好的固定信号G₈送出至保护控制切换器输出端，实现保护功能；所述的使能切换器和保护控制切换器为芯片AQW654。

本发明采用控制信号反向叠加的方法在控制器正常工作状态下，实现了控制器使能控制功能。由于使能控制器在控制闭环回路中不存在状态切换动作，具有响应快，对控制无扰动的特点。电气保护控制器是当电气控制器失效时采用的强制保护措施，具有不依赖于闭环控制器的特点，是具有最高优先级的电气保护控制器。

附图说明

图1具有使能控制功能的阀控器的组成原理图；

图2电气使能控制原理图；

图3电气保护控制器原理图；

图4电气使能控制器电路拓扑图；

图5电气保护控制器电路拓扑图。

具体实施方式

实施例1

具有保护功能的伺服阀控器原理如图1-3所示，其主要有以下几个部分组成，依次介绍如下：

1、电气使能控制

电气使能控制由反相器、可调保护电压与信号切换装置组成。当使能控制端为高电平时加法器为控制信号增加零信号，控制信号不受电气使能端的影响。当使能信号为低电平时，控制信号经过反相器再加上可调的保护电压叠加至控制信号中，使无论控制信号如何变化，输出信号均为保护信号。为了防止控制信号饱和，需要在控制回路中增加限幅回路，避免因控制信号饱和而使输出信号不受保护的信号出现。

2、I/V转换控制器

I/V转换控制器是通过调整输入电阻的方法来转换输入电流和归一化控制电压之间的关系。I/V转换后经过电压跟随器提高输入电阻，减小后级输入阻抗对信号的影响。

3、前馈控制器

前馈控制器为一阶校正系统，其传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{T_{1}s+1}{T_2+1}$ 式(1)

其中：T₁与T₂分别代表系统校正转折频率

为了得到式(1)的校正环节，位置信号分别经过一阶状态滤波和微分环节得到G₁(s)和G₂(s)，如式2所示

$G_1\left(s\right)=\frac{1}{T_{2}s+1},$ $G_2\left(s\right)=\frac{{\mathrm{KT}}_{2}s}{T_{2}s+1}$ 式(2)

两者相加即可以得到(1)式实现。通过调节增益K，即可调整前馈控制器的转折频率。

4、速度控制器和比例控制器

速度反馈控制器用于提高系统的阻尼。速度反馈需要以下几个步骤：

●为了使控制信号归一化，首先将LVDT信号调理器输出进行调零和放大处理，得到标准的±10V位置反馈信号；

●位置反馈信号经过微分环节后，得到速度反馈信号，调节电位器的阻值改变速度反馈的增益；

比例控制器用于提高系统频宽。调整比例控制器需要以下两个步骤：

●给定信号与反馈信号经过位置比较器后得到位置偏差信号；

●由比例控制器调整系统的电气增益，在系统稳定的前提下，提高系统频宽。

5、抖振信号

抖振信号是通过信号发生器发出高频振动信号，克服阀芯阀套静摩擦力造成的系统输出非线性。抖振信号有以下几个特点

●抖振信号信号发生器是独立的信号发生器，产生的正弦波信号的频率与幅值均可调；

●正弦波信号的频率为三级伺服阀阀芯工作频宽的3-5倍。

6、电气保护控制器

电气保护控制器的作用是当阀控器位置闭环控制出现故障时，切断位置闭环，使输出信号强制为固定电压值，以此驱动三级伺服阀的导阀，使主阀芯输出为可控的固定位置，从而保证了系统的安全。

7、功率放大器

功率放大器为伺服阀的功率驱动级。功率放大器由以下几部分组成：

●功率放大器的输入为比例控制器、抖振信号发生器和电气保护器输出之和；

●功率放大器为电流负反馈恒流源输出；

●通过限流电阻，控制最大输出电流。

功率放大器的将控制器计算输出信号进行放大，将控制器的产生伺服阀驱动信号，经伺服驱动器转换为±40mA的功率驱动信号，驱动伺服阀导阀动作。

8、调制解调器

调制解调器作用是将三级伺服阀阀芯位移传感器LVDT信号通过施加高频正弦激励获取调制后的位移信息，再通过解调控制提取有用的位移信号，用于反馈控制。

实施例2

本发明是在三级电液伺服阀控制器基础上增加了具有电气保护功能的使能保护模块，在不影响三级伺服阀控制器性能的基础上，通过使能端和保护端的控制，实现伺服阀正常输出信号与安全保护信号切换。当使能信号为高电压时，控制信号通过I/V转换、前馈控制、比例控制器、功率放大器实现对伺服阀的控制。当时使能信号为低电平时，使能控制器能将控制信号强制切换，补偿反相输入信号，实现强制输入信号为指定信号的功能。当安全保护信号为低电平时，强制系统解除闭环控制，输出固定保护信号，实现伺服阀阀芯位置的保护，从而达到系统的安全的目的。当系统需要保护时，通过控制使能端和保护控制端，使伺服阀主阀芯到达指定位置，使系统处于安全状态，进而起到了安全保护作用。

1、电气使能控制器

如图4所示，电气使能控制由电压跟随器、保护信号反相器、限幅电路、使能切换器与加法器组成，输入控制信号G₁经电压跟随器输出分别给限幅电路和保护信号反相器。保护信号反相器将受电气使能端控制的保护电压信号G₃与电压跟随器输出的信号G₂相加并反相，得到信号G₄输出给使能切换器。使能切换器的作用是根据电气使能信号控制输出信号G₅为G₄或是GND。加法器将限幅输出的信号G₂与使能切换器输出的信号G₅相加得到最终的输出信号G₆。限幅电路对电压跟随器输出的控制信号进行限幅，避免饱和时出现控制信号不受控现象。

当使能信号为高电平时，G₅＝0V。输出信号：G₆＝G₂+G₅＝G₂＝G₁

当使能信号为低电平时，G₅＝G₄＝-(G₃+G₂)

G₆＝G₂+G₅＝G₂+G₄＝G₂-G₃-G₂＝-G₃

则输出信号G₆在电气使能控制端的作用下输出为控制信号G₁或为反相的保护信号-G₃。在电气系统闭环控制均工作正常的情况下，使能控制信号可以通过驱动电气使能控制器改变阀控器输出控制端的切换，实现阀控器的使能功能。

2、电气保护控制器

当电气闭环系统出现故障时，电气使能控制器无法实现使能控制功能。此时的保护采用电气保护控制器来实现。电气保护控制器是当电气闭环出现故障而无法实现正常的闭环控制时，通过电气保护控制端实现输出信号在正常控制信号和预设固定电压之间的切换，实现保护功能。电气保护控制器由可调电压输出部分和保护控制切换器组成。电气保护控制器电路拓扑图如图5所示：

可调电压输出部分由固定电阻R₂₁、R₂₂和可调电阻R₂₃组成，保护电压通过R₂₁和R₂₂限幅后，受电位器R₂₃调节输出G₈，G₈信号连接至保护控制切换器的常闭控制端。阀控器正常工作信号G₇连接至保护控制切换器的常开控制端。当保护控制切换器处于正常工作状态时，电气保护控制端正常供电，阀控器的正常控制信号通过保护控制切换器的常开控制端输出至保护输出端G₉，使G₉＝G₇，则伺服阀正常受阀控器控制。当电气保护控制端为低电平时，保护控制切换器切断常开点的控制信号，将调节好的固定信号G₈送出至保护输出端，实现保护功能。电气使能控制器和电气保护控制器可以单独使用也可以组合使用。

Claims (2)

1.一种具有使能保护控制功能的电液伺服阀阀控器，在三级电液伺服阀控制器的使能控制端上安装有电气使能控制器，在其保护端上安装有电气保护控制器，其特征在于：电气使能控制器包括电压跟随器、保护信号反相器、限幅电路、使能切换器和加法器，阀控器正常工作信号G1经电压跟随器输出分别给限幅电路和保护信号反相器，保护信号反相器将受电气使能端控制的保护电压信号G3与电压跟随器输出的信号G2相加并反相，得到信号G4输出给使能切换器，使能切换器根据电气使能信号控制控制输出信号G5为G4或是GND，加法器将限幅输出的信号G2与使能切换器输出的信号G5相加得到最终的输出信号G6，限幅电路对电压跟随器输出的控制信号进行限幅，避免饱和时出现控制信号不受控现象；当使能信号为高电平时，G₅＝0V；输出信号：G₆＝G₂+G₅＝G₂＝G₁，当使能信号为低电平时，G₅＝G₄＝-(G₃+G₂)，

G₆＝G₂+G₅＝G₂+G₄＝G₂-G₃-G₂＝-G₃；

则输出信号G₆在电气使能控制端的作用下输出为控制信号G₁或为反相的保护信号-G₃；实现电气使能端的使能保护作用；在电气系统闭环控制均工作正常的情况下，电气使能控制信号直接实现其保护作用。

2.根据权利要求1所述的一种具有使能保护控制功能的电液伺服阀阀控器，其特征在于：所述的电气保护控制器包括可调电压输出单元和保护控制切换器，可调电压输出单元包括固定电阻R₂₁、固定电阻R₂₂和可调电阻R₂₃，保护电压通过固定电阻R₂₁和固定电阻R₂₂限幅后，受可调电阻R₂₃调节输出信号G₈，信号G₈连接至保护控制切换器的常闭控制端；阀控器正常工作信号G₇连接至保护控制切换器的常开控制端；当保护控制切换器处于正常工作状态时，电气保护控制端正常供电，阀控器的正常控制信号通过保护控制切换器的常开控制端输出至保护输出信号G₉，使信号G₉＝G₇，则伺服阀正常受阀控器控制；当电气保护控制端为低电平时，保护控制切换器切断常开点的控制信号，将调节好的固定信号G₈送出至保护控制切换器输出端，实现保护功能；所述的使能切换器和保护控制切换器为芯片AQW654。