CN103775720A

CN103775720A - 一种电动液压驱动装置

Info

Publication number: CN103775720A
Application number: CN201210410095.5A
Authority: CN
Inventors: 涂秀芹
Original assignee: NANJING XIRUISI CHEMICAL Co Ltd
Current assignee: NANJING XIRUISI CHEMICAL Co Ltd
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2014-05-07

Abstract

本发明公开了一种电动液压阀的控制装置，包括控制芯片，在控制芯片上连接有控制电机正反转的电机控制电路、电机电流检测电路和压力测量信号电路；所述控制芯片上还设有RS-485总线接口，以方便对液压阀通过网络进行控制；所述控制芯片上还连接有复位电路、时钟电路、直流稳压电源和LED显示装置，且在控制芯片上设有调试接口；所述电机控制电路包括固态继电器。本发明提供的一种电动液压阀的控制装置，使液压阀阀门的开闭能够通过电动方式进行控制，能够节省铜材，节约空间。

Description

一种电动液压驱动装置

技术领域

本发明涉及一种船用阀门的驱动装置，尤其涉及一种电动液压驱动装置。

背景技术

传统的液压驱动方式由于是采用油压来控制阀门，控制信号首先要通过电磁阀控制油路，然后通过油路管作用于阀门，从而实现对阀门的开启、关闭，以及调节控制，而且每个阀门须两根由铜管制成的油路管，控制装置与执行装置之间的距离一般又比较远，故使得这种阀门控制方式既浪费铜材，又增加了船体自身的重量，还占据了有限的船体空间。由于传统的阀门遥控系统具有以上缺陷，国内外的船舶制造商开始寻找新的解决方案。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采用电动方式控制阀门的液压驱动装置，以节省铜材，节约空间。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采样的技术方案为：

一种电动液压驱动装置，包括执行装置和控制装置，所述执行装置包括电机、液压泵、双液控单向阀、液压缸、两个溢流阀和油箱，所述电机与液压泵相连接，在液压泵上设有电机正转出油口和电机反转出油口；在双液控单向阀上设有主油孔A、主油孔A1、主油孔B和主油孔B1，在液压缸上设有A油腔和B油腔，所述电机正转出油口连接主油腔A和一个溢流阀的进油口，所述电机反转出油口连接主油腔B和另一个溢流阀的进油口，所述两个溢流阀的出油口接入油箱内，所述主油孔A1与A油腔连通，主油孔B1与B油腔连通；当电机正转时，主油孔A和主油孔A1连通，向A油腔注油，当电机反转时，主油孔B和主油孔B1连通，向B油腔注油；在液压缸上设有驱动头；所述控制装置包括控制芯片，在控制芯片上连接有控制电机正反转的电机控制电路、电机电流检测电路和检测液压缸压力的压力测量信号电路；所述控制芯片通过电机控制电路和电机电流检测电路与电机相连，通过压力测量信号电路与液压缸相连接。

该装置还包括两个应急手摇泵，其中一个应急手摇泵的进油口与A油腔相连通，另一个应急手摇泵的进油口与B油腔相连通。

所述控制芯片上还连接有复位电路、时钟电路、直流稳压电源和LED显示装置，且在控制芯片上设有调试接口；所述电机控制电路包括固态继电器。

所述控制芯片采用单片机AT89C51芯片；AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，其功能强大、性价比高，适用于各种控制领域。

双液控单向阀又称双向液压锁，是两个同样结构的液控单向阀共用一个阀体，阀体上开设四个主油孔，记为主油孔A、主油孔A1、主油孔B和主油孔B1。当液压系统一条油路的液流从主油孔A正向流入该阀时，液流压力自动顶开右阀芯，使主油孔A与主油孔A1连通，油液从A腔向A1腔正向流通；同时，液流压力将中间的控制活塞向左推，从而顶开左阀芯，使主油孔B与主油孔B1连通，将原来封闭在主油孔B1通路上的油液经主油孔B排出。反之，液压系统一条油路的液流从主油孔B正向流入该阀时，液流压力自动顶开左阀芯，使主油孔B与主油孔B1沟通，油液从主油孔B向主油孔B1正向流通；同时，液流压力将中间的控制活塞右推，从而顶开右阀芯，使主油孔A与主油孔A1连通，将原来封闭在主油孔A1通路上的油液经主油孔A排出。简单的说，就是当一个油腔正向进油时，另一个油腔为反向出油，反之亦然。

双液控单向阀的主要技术性能包括正向最低开启压力、反向开启最小控制压力、反向泄露量、压力损失等。

（1）正向最低开启压力

设单向阀的岀液腔的压力为零，由阀芯的力平衡条件，可得正向最小开启压力为：

p_{A} > \frac{F_{t} + F_{f} + G}{A}

式中，p_A为正向最小开启压力，单位为MPa；F_t为弹簧力，单位为N；F_f为阀芯上的摩擦阻力，单位为N；G为阀芯重力（仅在阀芯为垂直安装时考虑，在大多数情况下可忽略不计），单位为N；A为阀座口的面积，单位为m²。

双液控单向阀的正向最小开启压力因应用场合不同而异。对于同一个单向阀，不同等级的开启压力可通过更换单向阀的弹簧实现；若只作为控制液流单向流动的单向阀，弹簧刚度选得较小，其开启压力仅需0.03~0.05MPa；若作为液压系统的背压阀使用，则需换上刚度较大的弹簧，使单向阀的开启压力达到0.2~0.6MPa。

（2）反向开启最低控制压力

反向开启最低控制压力是指能使单向阀打开的控制口最低压力。一般来说，外泄式比内泄式反向开启最低控制压力小，复式比简式反向开启最低控制压力小，在p_A<0时，约为0.05p_B。

（3）反向泄漏量（液流反向进入时阀座孔处的泄漏量）

一个性能良好的单向阀应做到反向无泄漏获泄漏量极微小。当系统有较高保压要求时，应选用泄漏量小的结构，如锥阀式单向阀。

（4）压力损失（单向阀正向通过额定流量时所产生的压力降）

液控单向阀的压力损失有控制口不起作用（控制口压力为零）时的压力损失和压力口起作用时的压力损失两种。前者为控制口压力为零时液控单向阀通过额定流量时所产生的压力降，与普通单向阀相同。对于后者，当液控单向阀是在控制活塞作用下打开时，不论此时是正向流动还是反向流动，它的压力损失仅是由油液的流动阻力而产生的，与弹簧力无关。因此，在相同流量下，它的压力损失要小于控制活塞不起作用时的正向流动压力损失。

通过控制装置可以对阀门开关进行控制，控制装置接受执行装置的电流和压力反馈信号，通过比较输入信号与反馈信号，产生起停和换向信号。从而使电机正反转带动阀门关闭。在电机运转过程中，不断检测电机电流，若发现电机在一定时间内过流，控制器就发出命令，切断电机电源并发出报警。

溢流阀主要有两个作用：定压溢流和安全保护。定量泵节流调节系统中，定量泵提供是恒定流量，当系统压力增大时，会使流量需求减小。此时溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，即泵出口压力恒定（阀口常随压力波动开启）。系统正常工作时，阀门关闭。负载超过规定极限（系统压力超过调定压力）时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加（通常使溢流阀调定压力比系统最高工作压力高10％～20％）。

有益效果：本发明提供的一种电动液压驱动装置，采用电动方式控制阀门开闭，能够节省铜材，节约空间。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为控制芯片电路连接结构示意图；

图3为压力反馈信号拾取电路；

图4为霍尔效应原理图；

图5为磁补偿式霍尔电流传感器工作原理如图；

图6为电机电流检测电路；

图7为电机控制电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种电动液压驱动蝶阀的装置，包括执行装置和控制装置。

所述执行装置如图1所示，包括电机1、液压泵2、双液控单向阀3、液压缸6、两个溢流阀5、蝶阀7和油箱8，所述电机1与液压泵2相连接，在液压泵2上设有电机正转出油口和电机反转出油口；在双液控单向阀3上设有主油孔A、主油孔A1、主油孔B和主油孔B1，在液压缸6上设有A油腔和B油腔，所述电机正转出油口连接主油腔A和一个溢流阀5的进油口，所述电机反转出油口连接主油腔B和另一个溢流阀5的进油口，所述两个溢流阀5的出油口接入油箱8内，所述主油孔A1与A油腔连通，主油孔B1与B油腔连通；当电机1正转时，主油孔A和主油孔A1连通，向A油腔注油，当电机1反转时，主油孔B和主油孔B1连通，向B油腔注油；在液压缸6上设有驱动头，所述驱动头与蝶阀7的阀杆相连接。该装置还包括两个应急手摇泵9，其中一个应急手摇泵9的进油口与A油腔相连通，另一个应急手摇泵9的进油口与B油腔相连通。

所述控制装置包括控制芯片，在控制芯片上设有调试接口，连接有LED显示装置、基本电路、前向通道和后向通道，其中基本电路复位电路、时钟电路和直流稳压电源，前向通道包括电机电流检测电路、检测液压缸6压力的压力测量信号电路，后向通道包括控制电机1正反转的电机控制电路；所述控制芯片通过电机控制电路和电机电流检测电路与电机1相连，通过压力测量信号电路与液压缸6相连接。

所述控制芯片采用单片机AT89C51芯片，其电路连接结构示意图如图2所示，以下就具体电路设计进行说明。

1基本电路

1.1复位电路

单片机接通电源开始执行程序时，首先要对机器内部全部寄存器、I/O接口等重新复位，所以要求必须有复位电路。AT89C51单片机可以由外部电路复位，也可以由看门狗进行复位。复位引脚（RST引脚）至少为振荡器启动时间（通常为几个毫秒）再加上两个机器周期高电平，才能完成一次复位。本例我们采用最简单的上电复位加手动复位。由一个RC延迟电路构成上电复位电路，在RC延迟电路两端跨接一个开关构成手动复位电路，在上电刚接通电源时，电容C相当于瞬间短路，+5V立刻加到RST端，该高电平使单片机复位，随着电容器C不断充电，RST点位不断降低，到一定电平时，变成低电平，复位结束。

1.2时钟电路

本例利用一个石英晶体和两个匹配电容，把石英晶体的两个引脚分别引入微处理器的时钟信号端，和微处理器的内部构成一个时钟电路。

1.3直流稳压电源

电源模块的设计是一个系统的重要设计部分，因为它的精度对整个系统的精度都有着重要的影响。小功率稳压电源的组成包括电源变压器，整流，滤波和稳压电路四部分。电源变压器是将交流电网电压变为所需的电压值，然后由整流电路将交流电压变为脉动的直流电压，再由滤波电路滤除直流电压中的纹波，从而得到平滑的直流电源，但这样得到的电压还随电网电压波动（一般有±10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化，故还需加稳压电路。显然，稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。

本例采用集成稳压器LM78M05将+12V电压转换为+5V电压。所采用的稳压器芯片内部设有过流、过热保护以及调整管安全保护电路，所需外接元件少，使用方便，可靠，广泛应用于各种电子设备中。电路中接入电容用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激震荡和抑制电路中引入的高频干扰，电解电容用以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。

2前向通道

前向通道一般包括信号采集、信号调节以及信号转换电等路，前向通道的主要功能是拾取各种测试信号和控制信号，并将其以一定的方式处理和变换后输入到单片机系统。因此单片机应用系统的前向通道是原始参数的输入通道，也是体现被测对象与系统相互联系的信号输入通道，是被测对象及控制参数输入部分与单片机之间必不可少的桥梁纽带。

本例中需要有模拟信号和数字信号输入，根据控制需要，并不要求实时测试各个时刻的准确值，只需当输入信号大于或小于某一固定值时作出相应的判断，从而发出相应的控制信号即可。故当接收来自上位仪表的4~20mA的电流信号或1~5V的信号时，经过电压比较器LM339进行电压比较后转化为数字量输出，而后再做相应的处理计算。

2.1压力测量信号电路

传感器采集系统压力，经过传输、处理，送至控制芯片，经系统比较、分析作出控制判断，从而实现控制装置的可靠运行。从控制过程分析可以看出，系统的控制精度和传感器的精密程度直接相关，故在选择传感器时要特别重视。压力传感器的选型可以按照以下步骤进行：

（1）熟悉测量压力类型：确定系统中压力的最大值，一般而言，选择一个具有比最大值大1.5倍左右的压力量程的变送器；

（2）了解压力介质类型：黏性液体、泥浆会堵上压力接口，溶剂或有腐蚀性的物质基础会不会破坏传感器中与这些介质直接接触的材料；以上因素决定是否选择直接的隔离膜片及直接与接触的材料，比如在扩散硅压力传感器选择注意隔离膜片；

（3）确定温度范围：通常压力传感器会标定两个温度范围，取出正常操作的温度范围和温度可裣的范围；正常操作温度范围是指压力传感器在工作状态下不被破坏时候的温度范围，在超出温度补偿范围时，可能会达不到其应用研究的性能指标；温度补偿范围是一个比操作温度范围小的典型范围；

（4）掌握精度：决定精度的有非线性、迟滞、非重复性、零点偏置刻度、温度等；

（5）弄清输出信号：压力传感器有MV、V、MA及几数字输出等多种类型，选择怎样的输出取决于多种因素，包括压力传感器与系统控制器或显示器间的距离，是否存在电气噪声或其他干扰信号。

由压力传感器采集到的模拟量压力反馈信号经电压比较器LM339，输出数字量信号，电路图如图3所示。

2.2电机电流检测电路

亦可称为电机电流反馈信号输入电路。为了保证电机的正常运行，需要在电机运行时对电机的实际电流进行检，将检测结果与额定电流进行比较，然后进行故障处理。一般当检测到电动机电流超过额定电流(一般设定电流是额定电流的2~8倍)，认为是非正常状态，根据电机电流与额定电流的比值大小确定时间t，如果电机在一定时间t内保持过流，电机则被断开；如果电机电流是额定电流的8~10倍，则判断为电机短路；当检测到电流小于额定电流的0.6倍，如果在一定时间内电流一直小于额定电流的0.6倍，则认为电机断相，电机速断。本文选用霍尔型电流互感器对电机电流进行检测。

霍尔型电流传感器是以霍尔效应为其工作基础，由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。

如图4所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为U_H的霍尔电压，它们之间的关系为：

U_{H} = k \frac{IB}{d}

式中d为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。根据霍尔效应，人们用半导体材料制成霍尔元件，并因其具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点被广泛应用于各个领域。

由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小；利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

不同类型传感器的具体型号主要由量程区分。当原边电流超过传感器额定时，线性度将降低。为保证测量精度，传感器额定测量值为被测信号1~1.5倍较为合适，如果被测信号有较大的波形系数，还需进一步加大量程，确保被测信号峰值不超出传感器测量范围。从减少库存角度考虑，如果系统中有幅值接近的且差别不大的传感器，可按较大量程选择，较小幅值信号采用多匝穿绕。

本例选用的是300W的交流单向电机，采用SENSOR（北京森社）霍尔电流传感器CHS-3A/V1，其额定电流为3A、可隔离测量交流电流、输出1~5V直流标准信号、电源电压为12V。其制造原理是闭环霍尔磁补偿原理。众所周知，当电流流过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流的大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线性关系，因此，可以用测得的输出信号，直接反应导线中电流的大小，即：

I∝B∝U_H

此公式中，I为通过导线中的电流，B为导线通电流后产生的磁感应强度，U_H为霍尔器件在磁场中产生的霍尔电压，选择适当的比例系数，上述关系可表示为等式。对于霍尔输出电压U_H的处理，总体来讲可分为两类：一类为开环(或称直测式、直检式)霍尔电流传感器；另一类为闭环(或称零磁通式、磁平衡式)霍尔电流传感器。针对霍尔传感器的电路形式，人们最容易想到的是将霍尔元件的输出电压用运算放大器直接放大，得到所需要的信号电压，由此电压值来标定原边被测电流的大小，这种形式的霍尔传感器通常称为开环霍尔电流传感器。开环霍尔传感器的优点是电路形式简单、成本相对较低；其缺点是精度和线性度较差，响应时间较慢，温度漂移较大。为克服开环传感器的缺点，20世纪80年代末期，国外出现了闭环霍尔电流传感器。1989年，北京701厂引进国外技术率先在国内开展闭环霍尔电流传感器的研制和生产，经过十几年的努力，这种传感器逐渐为国内广大用户了解和应用，闭环霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的.如图8所示．即原边电流(I_N)所产生的磁场通过一个副边线圈的电流(I_M)所产生的磁场进行补偿．使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态，当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时。式：

N^*I_N=n^*I_M

成立，在此公式中I_N为原边电流；N为原边线圈的匝；I_M为副边补偿电流；n为副边线圈的匝数。

由式看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流I_M的大小，即可推算匠边电流I_N的值，从而实现原边电流的隔离测量。

磁补偿式霍尔电流传感器工作原理如图5所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。

电机电流经过霍尔型电流传感器，输出为1~5V标准电压，将其经电压比较器LM339，输出转化为数字信号，电路如图6所示。

3后向通道

电机控制电路选用固态继电器作为开关器件，具体电路如图7所示。微电子技术、电子计算机技术、现代通讯技术、光电子技术以及空间技术的飞速发展，对继电器技术提出了新的要求，新工艺、新技术的发展无疑对继电器技术的发展起到促进作用。

微电子技术和超大规模IC的飞速发展对继电器也提出了新的要求。第一是小型化和片状化，如IC封装的军用TO-5(8.5×8.5×7.0mm)继电器，它具有很高的抗振性，可使设备更加可靠；第二是组合化和多功能化，能与IC兼容、可内置放大器，要求灵敏度提高到微瓦级；第三是全固体化，固体继电器灵敏度高，可防电磁干扰和射频干扰。

选择电磁继电器应注意以下几点：

（1）继电器额定工作电压的选择。在使用继电器时，应首先了解继电器所在电路中的工作电源电压，继电器的工作电压应等于该电压，或者电路电源电压为继电器工作电压的80%，也可保证继电器正常工作，但不能使电路工件电压超过继电器额定工作电压，否则继电器线圈易烧毁。

（2）继电器触点负载的选择。应根据继电器所控制的电路特点来确定触点负载的数量及形式，再以触点控制电路中电流的种类、电压及电流的大小来选择触点容量的大小。触点容量的大小是反映加在触点上的电压和通过触点电流的能力，一般触点的负载不应超过触点的容量。

（3）继电器线圈电源的选择。在通常情况下，电路设计都采用直流电的继电器，也可根据控制电路的特点来考虑继电器的种类，还要考虑继电器所消耗的功率。

（4）继电器动作时间的选择。应根据实际电路对被控对象动作的时间要求，选择继电器的动作时间和释放时间。也可在继电器电路中附加电子元器件来加速或延缓继电器的动作及释放时间，以满足不同的要求。

（5）工作环境条件。选用继电器时，还应考虑环境的温度、工作寿命以及冲击振动等。

当电机正转时，油液从双液控单向阀主油孔A正向流入，主油孔A1腔流出，流进液压缸的A油腔，使液压缸的驱动头向左推动，带动蝶阀旋转，开至90°时，液压缸A油腔油液满，使右边溢流阀压力变大，阀芯位置变化，油液排回油箱，当检测到电机电流迅速增大时，说明阀门旋转到位，电机停转。当电机反转时，液流从双液控单向阀主油孔B正向流入，主油孔B1流出，流进液压缸的B油腔使液压缸的驱动头向右推动，带动蝶阀旋转，关至0°时，液压缸B腔油液满，使左边溢流阀压力变大，阀芯位置变化，油液排回油箱，当检测到电机电流迅速增大时，说明阀门旋转到位，电机停转。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种电动液压驱动装置，其特征在于：该装置包括执行装置和控制装置，所述执行装置包括电机（1）、液压泵（2）、双液控单向阀（3）、液压缸（6）、两个溢流阀（5）和油箱（8），所述电机（1）与液压泵（2）相连接，在液压泵（2）上设有电机正转出油口和电机反转出油口；在双液控单向阀（3）上设有主油孔A、主油孔A1、主油孔B和主油孔B1，在液压缸（6）上设有A油腔和B油腔，所述电机正转出油口连接主油腔A和一个溢流阀（5）的进油口，所述电机反转出油口连接主油腔B和另一个溢流阀（5）的进油口，所述两个溢流阀（5）的出油口接入油箱（8）内，所述主油孔A1与A油腔连通，主油孔B1与B油腔连通；当电机（1）正转时，主油孔A和主油孔A1连通，向A油腔注油，当电机（1）反转时，主油孔B和主油孔B1连通，向B油腔注油；在液压缸（6）上设有驱动头；所述控制装置包括控制芯片，在控制芯片上连接有控制电机（1）正反转的电机控制电路、电机电流检测电路和检测液压缸（6）压力的压力测量信号电路；所述控制芯片通过电机控制电路和电机电流检测电路与电机（1）相连，通过压力测量信号电路与液压缸（6）相连接。

2.根据权利要求1所述的电动液压驱动装置，其特征在于：该装置还包括两个应急手摇泵（9），其中一个应急手摇泵（9）的进油口与A油腔相连通，另一个应急手摇泵（9）的进油口与B油腔相连通。

3.根据权利要求1所述的电动液压驱动装置，其特征在于：所述控制芯片上还连接有复位电路、时钟电路、直流稳压电源和LED显示装置，且在控制芯片上设有调试接口。

4.根据权利要求1所述的电动液压驱动装置，其特征在于：所述控制芯片采用单片机AT89C51芯片。

5.根据权利要求1所述的电动液压驱动装置，其特征在于：所述电机控制电路包括固态继电器。