CN108223882A - 一种电液伺服阀驱动控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电液伺服阀控制技术，具体涉及一种电液伺服阀驱动控制电路及方法，包括积分电路、推挽放大电路、电流采样电路以及故障检测电路，所述积分电路正向输入端通过匹配电阻与地相连，负向输入端通过电阻分别与电流采样电路输出的反馈电压V_f和控制电压V_c相连，推挽放大电路实现对积分电路输出积分电压V_A的跟踪，并提供驱动功率，推挽放大电路输出端经由采样电阻R0与负载相连，故障检测电路负载电压检测端与负载相连，故障检测电路负载电流检测端与电流采样电路输出端相连。

Description

一种电液伺服阀驱动控制电路及方法

技术领域：

本发明属于电液伺服阀控制技术，具体涉及一种电液伺服阀驱动控制电路及方法。

背景技术：

电液伺服控制系统因其体积小、重量轻、寿命长和控制精度高等突出优点，越来越多地被应用于航空领域及其他工业流量控制单元。电液伺服阀多为mA级小电流驱动，对控制系统的响应速度和精度有较高要求，同时，要能够实现接口的开路、短路检测。

当前，多见的电液伺服阀控制驱动方案，主要针对电流驱动实现，且电路结构复杂，系统成本和重量的增加，响应速度慢、精度不高，故障检测性能差，没有考虑接口的开路与短路检测，实际应用受到了局限。

发明内容

本发明的目的是：提供一种快速、精确的电液伺服阀开度控制与接口故障检测电路解决方案。

本发明的技术方案是：一种电液伺服阀驱动控制电路，包括积分电路、推挽放大电路、电流采样电路以及故障检测电路，所述积分电路正向输入端通过匹配电阻与地相连，负向输入端通过电阻分别与电流采样电路输出的反馈电压V_f和控制电压V_c相连，推挽放大电路实现对积分电路输出积分电压V_A的跟踪，并提供驱动功率，推挽放大电路输出端经由采样电阻R0与负载相连，故障检测电路负载电压检测端与负载相连，故障检测电路负载电流检测端与电流采样电路输出端相连；

电流采样电路采集输出的驱动电流Iout，并转换为反馈电压Vf；

积分电路对反馈电压Vf与控制电压Vc的和进行积分处理，积分电路输出的积分电压为VA；当反馈电压Vf偏大时，会减小积分电压VA；当反馈电压Vf偏小时，会增加积分电压VA；直到反馈电压Vf与控制电压Vc的和等于0；

推挽放大电路实现对积分电压VA的跟踪，并提供驱动功率，VA越大驱动电流Iout越大，VA越小驱动电流Iout越小；

在驱动电流Iout输出到电液伺服阀的同时，故障检测电路时刻采集驱动负载的电流和负载的电压值，当采样电压值大于开路电压门限并保持到预设时间，且采样电流值小于开路电流门限并保持到预设时间，系统会报开路故障；当采样电压值小于短路电压门限并保持到预设时间，且采样电流值大于短路电流门限并保持到预设时间，系统会报短路故障。

所述的一种电液伺服阀驱动控制电路，所述积分电路由带有电容负反馈C1的运算放大器D1构成。

所述的一种电液伺服阀驱动控制电路，推挽放大电路由一对互补的功率三极管构成。

所述的一种电液伺服阀驱动控制电路，所述电流采样电路为带有采样电阻R0的差分放大电路或电流传感器。

所述的故障检测电路，故障检测电路包括第一比较器、第二比较器、一个与门、一个延迟器和锁存器，其中，第一比较器的两输入端分别接受负载电压门限值与负载电压采样值，第二比较器的两输入端分别接受负载电流门限值与负载驱动电流I_out采样值，与门两输入端分别与第一比较器和第二比较器的输出端连接，延迟器输入端连接与门输出端连接，延迟器输出端连接至锁存器。

本发明技术方案还提供一种电液伺服阀驱动控制方法，包括以下步骤：

步骤1：位置检测系统根据电液伺服阀开度位置输出反馈开度；

步骤2：开度调节器根据期望开度与反馈开度之间的差值输出控制电压Vc，当反馈开度偏大时，开度调节器会增大控制电压Vc，当反馈开度偏小时，开度调节器会减小控制电压Vc；

步骤3：电流采样电路采集输出的驱动电流I_out，并转换为反馈电压V_f；

步骤4：积分电路对反馈电压V_f与控制电压V_c的和进行积分处理，积分电路输出积分电压为V_A，当反馈电压V_f偏大时，积分电路输出的积分电压V_A减小；当反馈电压V_f偏小时，积分电路输出的积分电压V_A增大；直到反馈电压V_f与控制电压V_c的和等于0；

步骤5：推挽放大电路对积分电压V_A跟踪，并提供驱动功率；

步骤6：积分电压V_A通过电流采样电路中的采样电阻R0转换为驱动电流I_out，驱动电液伺服阀实现开度位置控制，使期望开度与反馈开度实现动态平衡。

所述的一种电液伺服阀驱动控制方法，还包括故障检测步骤，所述故障检测步骤在所述步骤1到步骤6中全程工作，具体包括：

在驱动电流I_out输出到电液伺服阀的同时，故障检测电路时刻采集驱动负载的电流和负载的电压值，当采样负载电压值大于开路电压门限并保持到预设时间，且采样负载电流值小于开路电流门限并保持到预设时间，系统会报开路故障；当采样电压值小于短路电压门限并保持到预设时间，且采样电流值大于短路电流门限并保持到预设时间，系统会报短路故障。

本发明的技术效果是：

为了快速、准确的实现电液伺服阀开度位置控制，本发明使用了硬件闭环与软件闭环相结合的方式实现电液伺服阀开度位置的快速、精确控制。在实现电液伺服阀控制的同时，要能够实现对执行机构的故障检测功能，保证系统的运行稳定性和产品自身的自我保护。

本发明一种电液伺服阀驱动控制电路及方法主要应用于流量控制系统中，系统运行稳定可靠，能够实现电液伺服阀开度位置的准确控制，并能够实现电液伺服阀的开路、短路检测与过流保护。

附图说明

图1是本发明一种电液伺服阀驱动控制电路及方法的功能原理框图；

图2是本发明一种电液伺服阀驱动控制电路硬件原理图；

图3是负载开路故障检测逻辑图；

图4是负载短路故障检测逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，对某型电液伺服阀进行开度控制，要求驱动电流I_out范围为(-310mA～+310mA)，伺服阀线圈电阻15Ω。

请同时参阅图1、图2、图3和图4，其中，图1是本发明一种电液伺服阀驱动控制电路及方法的功能原理框图，图2是本发明一种电液伺服阀驱动控制电路硬件原理图，图3是本发明一种电液伺服阀驱动控制电路负载开路故障检测逻辑图，图4是本发明一种电液伺服阀驱动控制电路负载短路故障检测逻辑图。

本发明为一种电液伺服阀驱动控制电路及方法，该发明原理框图如图1所示，电路硬件原理图如图2所示。该电路主要包括积分电路、推挽放大电路、电流检测电路以及故障检测电路。

积分电路正向输入端通过匹配电阻与地相连，负向输入端通过电阻分别与电流采样电路输出的反馈电压和控制电压相连，推挽放大电路实现对积分电路输出结果的跟踪，并提供驱动功率，同时推挽放大电路输出端经由采样电阻R0与负载相连。电流检测电路通过对采样电阻R0两端电压监控驱动电流I_out的大小。故障检测电路负载电压检测端与负载相连，负载电流检测端与电流检测电路输出端相连。

如图2所示，积分电路中的运算放大器正向输入端通过匹配电阻R1(10KΩ)与地连接，负向输入端与电流检测电路输出的反馈电压V_f和控制电压V_c连接，通过选择比例电阻R2、R7阻值为20KΩ，根据负反馈运放的“虚断”、“虚短”特性，图2中A点电压V_A＝-t*(V_c+V_f)/(R2*C1)。为保证电路响应时间t达到us级，负反馈电容C1容值选择为100pF。此时V_A＝-t*(V_c+V_f)*500000。当电路处于稳态过程中，V_c+V_f＝0，此时V_A不再变化。

推挽放大电路为一对互补功率三极管(NPN+PNP)构成，所述电流检测电路包含采样电阻R0和差分放大电路，采样电阻R0阻值选择精度为0.1％的10Ω，通过设置差分放大电路比例电阻R3、R4阻值为精度为0.1％的100KΩ，比例电阻R5、R6阻值为精度为0.1％的150KΩ，可得电流检测电路输出的反馈电压V_f＝I_out*10*150/100＝15*I_out。当驱动电流I_out偏小时，即控制电压V_c与反馈电压V_f的和小于零,此时积分电路输出积分电压V_A变大，则推挽放大电路输出电压变大，驱动电流I_out变大。反之，当驱动电流I_out偏大时，即控制电压V_c与反馈电压V_f的和大于零,此时积分电路输出积分电压V_A变小，则推挽放大电路输出电压变小，驱动电流I_out变小。直到V_c+V_f＝0，此时积分电路输出电压不变，驱动电流I_out不再变化，此时驱动电流I_out与控制电压V_c的关系为I_out＝-V_c/15。

故障检测电路包括第一比较器、第二比较器、一个与门、一个延迟器和锁存器，其中，第一比较器的两输入端分别接受负载电压门限值与负载电压采样值，第二比较器的两输入端分别接受负载电流门限值与负载驱动电流I_out采样值，与门两输入端分别与第一比较器和第二比较器的输出端连接，延迟器输入端连接与门输出端连接，延迟器输出端连接至锁存器。如图3所示，当反馈负载电压值大于开路电压门限且反馈负载电流值小于开路电流门限，并持续设定时间，系统会报开路故障。如图4所示，当反馈负载电压值小于短路电压门限且反馈负载电流值大于短路电流门限，并持续设定时间，系统会报短路故障。故障检测电路保证了电路的可测试性和可靠性。

本发明基于上述电液伺服阀驱动控制电路的具体过程如下：

步骤1：电流采样电路采集输出的驱动电流I_out，并转换为反馈电压V_f＝15*I_out，并与控制电压V_c同时接到积分电路的负向输入端；

步骤2：积分电路对反馈电压V_f与控制电压V_c的和进行积分运算，其输出的积分电压V_A＝-t*(V_c+V_f)/(R2*C1)＝-t*(V_c+V_f)*500000；

步骤3：推挽放大电路能够实现对输出电压V_A的跟踪，并提供驱动功率；

步骤4：当驱动电流I_out偏小时，即控制电压V_c与反馈电压V_f的和小于零,此时积分电路输出积分电压V_A变大，则推挽放大电路输出电压变大，驱动电流I_out变大。反之，当驱动电流I_out偏大时，即控制电压V_c与反馈电压V_f的和大于零,此时积分电路输出积分电压V_A变小，则推挽放大电路输出电压变小，驱动电流I_out变小。直到控制电压V_c与反馈电压V_f的和等于零，此时积分电路输出积分电压V_A不变，驱动电流I_out不再变化，此时驱动电流I_out与控制电压V_c的关系为I_out＝-V_c/15，故实现了通过控制电压V_c对驱动电流I_out的控制；

步骤5：在驱动电流I_out输出到电液伺服阀的同时，故障检测电路时刻采集驱动负载的电流和负载的电压值,当采样负载电压值大于开路电压门限并保持到预设时间，且采样负载电流值小于开路电流门限并保持到预设时间，系统会报开路故障；当采样负载电压值小于短路电压门限并保持到预设时间，且采样负载电流值大于短路电流门限并保持到预设时间，系统会报短路故障。

一种电液伺服阀驱动控制方法，包括开度调节器、电液伺服阀驱动控制电路和位置检测系统。开度调节器使用指令信号与位置检测系统输出的反馈信号之间的差值作为输入，通过控制算法(例如：PID等实现期望开度与反馈开度之间动态平衡，实现对电液伺服阀的开度位置控制。

本发明电液伺服阀驱动控制方法，具体工作过程如下：

步骤1：位置检测系统中的位置传感器采用五线制LVDT传感器，调理电路采用LVDT信号专用调理芯片AD698AP将电液伺服阀开度位置信息转换成电压信号；

步骤2：开度调节器根据期望开度与反馈开度的差值作为输入，通过控制算法输出控制电压V_c改变电液伺服阀驱动电流I_out输出；为不考虑电液伺服阀的具体的数学模型，开度调节器选择PID控制算法，输出的控制电压V_c信号范围为(-4.65V～+4.65V)，保证了电液伺服阀驱动电流I_out范围为(-310mA～+310mA)；

步骤3：当反馈开度偏大时，开度调节器会增大控制电压V_c，此时积分电路输出电压V_a减小，驱动电流I_out减小，电磁阀开度减小；当反馈开度偏小时，开度调节器会减小控制电压V_c，此时积分电路输出电压V_a增大，驱动电流I_out增大，增大电磁阀开度。直到期望开度与反馈开度实现动态平衡，实现对电液伺服阀的开度位置控制。

实际工作中，本发明已用于某型燃油流量控制系统中，在各种系统试验过程中系统运行稳定可靠，能够实现电液伺服阀的快速准确控制，并能够实现电液伺服阀的开路、短路检测。

Claims (7)

1.一种电液伺服阀驱动控制电路，其特征在于，包括积分电路、推挽放大电路、电流采样电路以及故障检测电路，所述积分电路正向输入端通过匹配电阻与地相连，负向输入端通过电阻分别与电流采样电路输出的反馈电压V_f和控制电压V_c相连，推挽放大电路实现对积分电路输出积分电压V_A的跟踪，并提供驱动功率，推挽放大电路输出端经由采样电阻R0与负载相连，故障检测电路负载电压检测端与负载相连，故障检测电路负载电流检测端与电流采样电路输出端相连；

电流采样电路采集输出的驱动电流Iout，并转换为反馈电压Vf；

积分电路对反馈电压Vf与控制电压Vc的和进行积分处理，积分电路输出的积分电压为VA；当反馈电压Vf偏大时，会减小积分电压VA；当反馈电压Vf偏小时，会增加积分电压VA；直到反馈电压Vf与控制电压Vc的和等于0；

推挽放大电路实现对积分电压VA的跟踪，并提供驱动功率，VA越大驱动电流Iout越大，VA越小驱动电流Iout越小；

在驱动电流Iout输出到电液伺服阀的同时，故障检测电路时刻采集驱动负载的电流和负载的电压值，当采样电压值大于开路电压门限并保持到预设时间，且采样电流值小于开路电流门限并保持到预设时间，系统会报开路故障；当采样电压值小于短路电压门限并保持到预设时间，且采样电流值大于短路电流门限并保持到预设时间，系统会报短路故障。

2.根据权利要求1所述的一种电液伺服阀驱动控制电路，其特征在于，所述积分电路由带有电容负反馈C1的运算放大器D1构成。

3.根据权利要求1所述的一种电液伺服阀驱动控制电路，其特征在于，推挽放大电路由一对互补的功率三极管构成。

4.根据权利要求1所述的一种电液伺服阀驱动控制电路，其特征在于，所述电流采样电路为带有采样电阻R0的差分放大电路或电流传感器。

5.根据权利要求1所述的故障检测电路，其特征在于，故障检测电路包括第一比较器、第二比较器、一个与门、一个延迟器和锁存器，其中，第一比较器的两输入端分别接受负载电压门限值与负载电压采样值，第二比较器的两输入端分别接受负载电流门限值与负载驱动电流I_out采样值，与门两输入端分别与第一比较器和第二比较器的输出端连接，延迟器输入端连接与门输出端连接，延迟器输出端连接至锁存器。

6.一种电液伺服阀驱动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：位置检测系统根据电液伺服阀开度位置输出反馈开度；

步骤2：开度调节器根据期望开度与反馈开度之间的差值输出控制电压Vc，当反馈开度偏大时，开度调节器会增大控制电压Vc，当反馈开度偏小时，开度调节器会减小控制电压Vc；

步骤3：电流采样电路采集输出的驱动电流I_out，并转换为反馈电压V_f；

步骤4：积分电路对反馈电压V_f与控制电压V_c的和进行积分处理，积分电路输出积分电压为V_A，当反馈电压V_f偏大时，积分电路输出的积分电压V_A减小；当反馈电压V_f偏小时，积分电路输出的积分电压V_A增大；直到反馈电压V_f与控制电压V_c的和等于0；

步骤5：推挽放大电路对积分电压V_A跟踪，并提供驱动功率；

步骤6：积分电压V_A通过电流采样电路中的采样电阻R0转换为驱动电流I_out，驱动电液伺服阀实现开度位置控制，使期望开度与反馈开度实现动态平衡。

7.根据权利要求6所述的一种电液伺服阀驱动控制方法，其特征在于，还包括故障检测步骤，所述故障检测步骤在所述步骤1到步骤6中全程工作，具体包括：

在驱动电流I_out输出到电液伺服阀的同时，故障检测电路时刻采集驱动负载的电流和负载的电压值，当采样负载电压值大于开路电压门限并保持到预设时间，且采样负载电流值小于开路电流门限并保持到预设时间，系统会报开路故障；当采样电压值小于短路电压门限并保持到预设时间，且采样电流值大于短路电流门限并保持到预设时间，系统会报短路故障。