CN106842902B - 比例放大器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种比例放大器及其工作方法。所述比例放大器包括印刷电路板和集成于所述印刷电路板且依次连接的输入接口、信号处理电路、调节器、功率驱动模块、测量放大模块及为所述输入接口、信号处理电路、调节器、功率驱动模块、测量放大模块供电的电源电路，所述信号处理电路包括初始电流设定模块和斜坡调整模块，所述测量放大模块包括振荡器和解调器。本发明提供的比例放大器及其工作方法具有结构设计简单、线路板布局合理、电子元器件散热性能好、维修便捷、降低了安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉及一种带电子反馈的单路比例控制放大器，特别地，涉及一种比例放大器及其工作方法。
背景技术
比例放大器是比例电磁阀的比例控制系统的重要组成部分，其功能是对比例电磁阀提供特定性能的电流，使得比例电磁阀输出的流量或者压力成比例地受到控制的电子装置。
现有技术的比例放大器存在结构设计复杂、线路板布局不合理、电子元器件散热性能差、维修不便、存在安全隐患等诸多问题。
发明内容
为了解决上述比例放大器的技术问题，本发明提供一种比例放大器及其工作方法。
本发明提供的比例放大器包括印刷电路板和集成于所述印刷电路板且依次连接的输入接口、信号处理电路、调节器、功率驱动模块、测量放大模块及为所述输入接口、信号处理电路、调节器、功率驱动模块、测量放大模块供电的电源电路，所述信号处理电路包括初始电流设定模块和斜坡调整模块，所述测量放大模块包括振荡器和解调器。
优选的，还包括和所述功率驱动模块连接的比例电磁铁及和所述测量放大模块连接的位移传感器。
优选的，所述电源电路包括电容滤波器、串联型稳压器和单-双电源变换电路。
优选的，所述输入接口包括两个设定值输入接口、具有差分运放器的差分输入口。
优选的，所述调节器为PID调节器，P主要完成增益调节，I-微分调节主要输出信号随时间线形增长，D-积分调节主要起输出信号能随输入的变化速率响应。
优选的，所述功率驱动模块包括运放下行迟滞比较器和两支三极管组成的放大器，正弦振荡信号经下行迟滞比较器，变为频率可变的矩形波，该矩形波经三极管放大器进行电流放大，用改变频率的方式，调节输出电压/电流，来控制比例电磁铁工作。
优选的，所述测量放大模块包括震荡电路、解调器电路、及位移式传感器。
优选的，还包括故障监测报警模块，所述故障监测报警模块包括用于检测电磁铁驱动电缆和位移传感器线缆并由运放器构成电平识别器及用三极管及LED指示灯组成报警电路。
优选的，所述印刷电路板为100X160mm的单板，所述输入接口的接口插件均置于电路板上，可与整机直接配双排欧洲标准32线16针接插件接插使用。
本发明还提供了一种比例放大器的工作方法，应用上述的比例放大器，包括如下步骤:
将外部0～9V阶跃控制信号经所述输入接口进入所述信号处理电路，阶跃信号经所述斜坡调整模块调整后，送入所述调节器；
所述调节器具有激励振荡和PID控制作用，所述位移传感器激励源由所述测量放大模块的正弦波振荡器完成，所述振荡器发出激励信号激励启振，输入的控制信号与位移反馈信号进行综合处理，控制信号大小可以改变其振荡频率；
经综合调制的振荡控制信号，进入所述功率驱动模块的脉宽调制式功率放大电路进行电流放大，最后输出比例电磁铁；同时经过解调器的解调电路输出直流位移的实际测量信号。
相较于现有技术，本发明提供的比例放大器及其工作方法具有以下有益效果：
1、本发明提供的比例放大器具有结构设计简单、线路板布局合理、电子元器件散热性能好、维修便捷、降低了安全隐患。
2、具有电源稳态处理功能，把输入的电源电压(19～35V)转变为±9V；
3、控制信号具有设定值输入(2路)和差分输入(1路)两种方式；
4、具有内部、外部斜坡切换功能和斜坡切除功能；
5、上升和下降斜坡时间可独立调整，调整范围为0.03s～5s；
6、调制解调位移传感器信号，输出阀芯实际位移测量值；
7、采用脉宽调制(PWM)方式对控制信号进行功率电流放大，给电磁铁提供驱动电流；
8、采集位移传感器测量的阀芯位置信号，与输入的控制信号，形成PID闭环控制；
9、具有电磁铁和传感器断路检测、指示报警功能；
10、具有输出过流短路保护功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明提供的比例放大器的结构框图；
图2是图1所示比例放大器的电路结构图；
图3是电源电路的结构图；
图4是输入接口的电路结构图；
图5是信号处理电路的结构图；
图6是调节器的电路结构图；
图7是功率驱动模块的电路结构图；
图8是测量放大模块的电路结构图；
图9是故障监测报警模块的电路结构图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请结合参阅图1和图2，本发明公开一种比例放大器100包括印刷电路板和集成于所述印刷电路板且依次连接的输入接口1、信号处理电路2、调节器3、功率驱动模块4、测量放大模块5及为所述输入接口1、信号处理电路2、调节器3、功率驱动模块4、测量放大模块5供电的电源电路6。
所述信号处理电路2包括初始电流设定模块21和斜坡调整模块22，所述测量放大模块5包括振荡器51和解调器52。
所述比例放大器100还包括和所述功率驱动模块4连接的比例电磁铁7及和所述测量放大模块5连接的位移传感器8。
请参阅图3，所述电源电路6包括电容滤波器、串联型稳压器和单-双电源变换电路。
所述电源电路6输入24VDC，工作电压范围为19～35VDC，输出±9VDc电压源，由电位器P6调节正，负电压值，二极管和熔断器形成错级保护和短路保护，输出稳定的±9VDC电压。
请参阅图4，所述输入接口1包括两个设定值输入接口、具有差分运放器的差分输入口。
具体的，两个设定值输入接口，基准电位一个为9VDC，另一个为6VDC，起指令值预选获可变电压的作用，可分为内部指令值预选和外部指令值预选两种方式；所述差分运放器负责比例放大器以外的控制信号的输入。
请参阅图5，所述信号处理电路2包括初始电流设定模块21和斜坡调整模块22，所述斜坡调整模块对控制信号进行斜坡调制处理，为了避免输入控制信号阶跃变化引起执行的突变。所述初始电流设定模块21主要用于产生比例电磁铁7的预激磁电流，使比例阀在设定值输入时从起始位置迅速启动。
具体的，所述斜坡调整模块的斜坡发生器将输入的阶跃控制信号转变成一个斜坡输出信号，上升和下降的时间通过电位器P1，P2得到调节，其斜坡时间在0.03s～5s的范围内变化。电位器P5初始电流设定。
请参阅图6，所述调节器3是电反馈比例放大器中的一个组成单元，其功能为改善反馈闭环控制比例阀的稳态和动态品质；使控制比例阀达到一定的控制精度；对干扰有抑制作用，是动态性得到提高。
所述调节器3为PID调节器，P主要完成增益调节，I-微分调节主要输出信号随时间线形增长，D-积分调节主要起输出信号能随输入的变化速率响应。
上述电路结构同时也是一个压-频振荡电路，改变输入直流信号大小，则输出的正弦振荡频率随之改变。
斜坡发生器的输出信号作为设定信号传输给PID调节器，与反馈(位移)信号进行综合，构成一个闭环控制回路。
所述功率驱动模块4用于改变脉冲宽度方式来调节输出电压/电流。所述PID调节器根据设定值和实际偏差的大小传给所述振荡器51输入端，最后由所述功率驱动模块4的功率放大器输出的电流来控制电磁铁。由于电感作用，使线圈上的电流变为小幅宽充放电叠加的交流信号的直流信号，起到颤振作用(消除电磁铁的摩擦、滞环)，因此脉宽调制频率也是颤振频率，省去专门的颤振电路。
所述功率驱动模块4的电路由一个运放下行迟滞比较器和两支三极管组成的放大器组成。正弦振荡信号经下行迟滞比较器，变为频率可变的矩形波，该矩形波经三极管放大器进行电流放大。用改变频率的方式，调节输出电压/电流，来控制电磁铁工作。R11采集电流负反馈实现输出短路过流保护。
请参阅图8，所述测量放大模块5包括震荡电路、解调器电路、及位移式传感器。
具体的，由8038振荡器51产生2.5KHz频率的正弦信号，输入位移传感器8的初级线圈，该位移信号由感应线圈次级输出，输出幅度由电位器P4调节。因为输出的信号是一个交变信号，控制电路需要的是一个直流信号，解调电路将交变信号变为直流信号。灵敏度由电位器P3调节，解调后的脉动直流脉动信号送入PID调节器电路与设定控制信号形成闭环控制回路。
振荡电路用8038函数器构成。解调器电路由场效应管等分立元件构成。
请参阅图9，还包括故障监测报警模块，所述故障监测报警模块包括用于检测电磁铁驱动电缆和位移传感器8线缆并由运放器构成电平识别器及用三极管及LED指示灯组成报警电路；故障识别器电路随时检测电磁铁驱动电缆和位移传感器8的线缆，一旦发生断裂或过载，电平识别电路输出一个电信号使LED报警灯亮。该电路由运放器构成电平识别器，以完成对故障的检测，用三极管及LED指示灯组成报警电路。
在本实施例中，所述印刷电路板为100X160mm的单板，所述输入接口1的接口插件均置于电路板上，可与整机直接配双排欧洲标准32线16针接插件接插使用。
比例放大器的主要研制指标如下：
比例放大板采用板卡式结构
环境条件：
a.温度
产品应在0～50℃温度范围内正常工作；
b.湿度
产品应能在相对湿度≤95％(+25℃)的环境中正常工作；
保险丝：
保险丝设定电流为2.5A；
供电电压：
直流24VDC，上限值35V，下限值19V
功率消耗＜45VA；
比例放大板在不带载情况下的电流不大于60mA；
控制信号：
a.设定值输入1：0～9V
b.设定值输入2：0～6V
c.差分输入：0～10V
外部斜坡切断信号：
8.5V～24VDC能切断继电器斜坡，继电器输入阻抗Ri＞100KΩ
斜坡调整时间：
斜坡调整时间范围为：0.03～5S
非线形：
输入信号对位移输出信号的非线性＜2％；
输出驱动电流：
最大驱动电流1.8A±20％(负载电阻5.4Ω)；
VT5003最大驱动电流2.2A±20％(负载电阻10Ω)；
位移传感器激励信号：
2.5KHz±20％的正弦波，其波形是失真度不大于2％，电压有效值不大5V。
阀芯实际位置信号：0～-6V；
温漂：
对零点位移量输出＜0.05％/℃；
接口要求：
放大板通过双排欧洲标准32线(5.08×5.08mm)16针接插件与外部设备连接符合DIN41 612，D形，其中：
控制信号输入接口：
9V设定值输入:26c
6V设定值输入:24a
差分输入：24c(基准电压)和22a(10V)
电源输入接口：6ac(24V)和10ac(0V)
斜坡切断:28a
外部斜坡:30c和32c
设定值输出:28c
实际值输出:32a
传感器接口：22c、20c和14c
电磁铁接口:2ac和4ac
结构设计：采用外部标准整板设计符合DIN41 494，印制板尺寸100X160mm，外部可配安装支架。
所述比例放大器为VT5001比例放大器，作为比例阀的核心控制元件，其可靠性直接关系到采用比例阀作为控制元件的液压系统可靠性。为满足产品可靠性要求，设计中采取以下措施：
线路板的布局
根据电路功能和器件特点，将线路板按照模块布局；大功率器件周围尽量少布线和放置器件；将与外部设备连接的信号集中在16针双排插座，保证信号的可靠传输；在有限的线路板面积上，尽可能的绘制较粗的信号走线；
电子元器件
VT5001比例放大器中采用的电子元器件均符合工业等级；大功率器件加装散热片；
维修性设计
比例放大器与外部设备通过双排欧洲标准32线16针接插件连接，更换维修方便。
安全性设计
VT5001比例放大器与4WRE6型比例方向阀的电磁铁通过两根引线相连，放大器本身具有电磁铁和传感器断路检测和报警功能，能够保证比例阀的正常工作。
电磁兼容性设计
VT5001比例放大器设计时，选用抗干扰能力强的电气元件，满足产品电磁兼容性要求。VT5001比例放大器作为比例阀的核心控制元件，其可靠性直接关系到采用比例阀作为控制元件的液压系统可靠性。为满足产品可靠性要求，设计中采取以下措施：
本发明还公开了一种比例放大器的工作方法，应用上述的比例放大器，包括如下步骤:
将外部0～9V阶跃控制信号经所述输入接口1进入所述信号处理电路2，阶跃信号经所述斜坡调整模块调整后，送入所述调节器；
所述调节器具有激励振荡和PID控制作用，所述位移传感器8激励源由所述测量放大模块5的正弦波振荡器51完成，所述振荡器51发出激励信号激励启振，输入的控制信号与位移反馈信号进行综合处理，控制信号大小可以改变其振荡频率；
经综合调制的振荡控制信号，进入所述功率驱动模块4的脉宽调制式功率放大电路进行电流放大，最后输出比例电磁铁7；同时经过解调器52的解调电路输出直流位移的实际测量信号。
相较于现有技术，本发明提供的比例放大器及其工作方法具有以下有益效果：
1、具有电源稳态处理功能，把输入的电源电压(19～35V)转变为±9V；
2、控制信号具有设定值输入(2路)和差分输入(1路)两种方式；
3、具有内部、外部斜坡切换功能和斜坡切除功能；
4、上升和下降斜坡时间可独立调整，调整范围为0.03s～5s；
5、调制解调位移传感器信号，输出阀芯实际位移测量值；
6、采用脉宽调制(PWM)方式对控制信号进行功率电流放大，给电磁铁提供驱动电流；
7、采集位移传感器测量的阀芯位置信号，与输入的控制信号，形成PID闭环控制；
8、具有电磁铁和传感器断路检测、指示报警功能；
9、具有输出过流短路保护功能。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种比例放大器，其特征在于，包括印刷电路板和集成于所述印刷电路板且依次连接的输入接口、信号处理电路、调节器、功率驱动模块、测量放大模块及为所述输入接口、信号处理电路、调节器、功率驱动模块、测量放大模块供电的电源电路，所述信号处理电路包括初始电流设定模块和斜坡调整模块，所述测量放大模块包括振荡器和解调器。
2.根据权利要求1所述的比例放大器，其特征在于，还包括和所述功率驱动模块连接的比例电磁铁及和所述测量放大模块连接的位移传感器。
3.根据权利要求1所述的比例放大器，其特征在于，所述电源电路包括电容滤波器、串联型稳压器和单-双电源变换电路。
4.根据权利要求1所述的比例放大器，其特征在于，所述输入接口包括两个设定值输入接口、具有差分运放器的差分输入口。
5.根据权利要求1所述的比例放大器，其特征在于，所述调节器为PID调节器，P主要完成增益调节，I-微分调节主要输出信号随时间线形增长，D-积分调节主要起输出信号能随输入的变化速率响应。
6.根据权利要求1所述的比例放大器，其特征在于，所述功率驱动模块包括运放下行迟滞比较器和两支三极管组成的放大器，正弦振荡信号经下行迟滞比较器，变为频率可变的矩形波，该矩形波经三极管放大器进行电流放大，用改变频率的方式，调节输出电压/电流，来控制比例电磁铁工作。
7.根据权利要求1所述的比例放大器，其特征在于，所述测量放大模块包括震荡电路、解调器电路、及位移式传感器。
8.根据权利要求1所述的比例放大器，其特征在于，还包括故障监测报警模块，所述故障监测报警模块包括用于检测电磁铁驱动电缆和位移传感器线缆并由运放器构成电平识别器及用三极管及LED指示灯组成报警电路。
9.根据权利要求1所述的比例放大器，其特征在于，所述印刷电路板为100X160mm的单板，所述输入接口的接口插件均置于电路板上，可与整机直接配双排欧洲标准32线16针接插件接插使用。
10.一种比例放大器的工作方法，应用比例放大器，其特征在于，包括如下步骤:
将外部0~9V阶跃控制信号经输入接口进入信号处理电路，阶跃信号经斜坡调整模块调整后，送入调节器;
调节器具有激励振荡和PID控制作用，位移传感器激励源由测量放大模块的正弦波振荡器完成，振荡器发出激励信号激励启振，输入的控制信号与位移反馈信号进行综合处理，控制信号大小可以改变其振荡频率；
经综合调制的振荡控制信号，进入功率驱动模块的脉宽调制式功率放大电路进行电流放大，最后输出比例电磁铁；同时经过解调器的解调电路输出直流位移的实际测量信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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