CN109188959A - 一种高速开关阀气动肌肉驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于气动控制领域，涉及一种高速开关阀气动肌肉驱动系统。所述的驱动系统包括感知模块、上位机、驱动模块和气源模块。所述的气源模块通过驱动模块的三位三通高速开关阀与气动肌肉连接，为气动肌肉提供气源；驱动模块与上位机连接，上位机控制驱动模块输出驱动信号来控制高速开关电磁阀的打开，从而控制气动肌肉的充气和放气；感知模块与上位机相连，将其测量气动肌肉的位移和气压信息传送给上位机。本发明采用的高速开关阀具有响应速度快、结构简单、抗污染和抗干扰能力强，解决了目前气动肌肉驱动系统遇到的通讯速率低、价格昂贵、安装复杂、无法实现闭环控制等问题。

Description

一种高速开关阀气动肌肉驱动系统
技术领域
本发明属于气动控制领域，涉及一种高速开关阀气动肌肉驱动系统。
背景技术
目前气动肌肉驱动系统通常使用比例电磁阀。比例电磁阀基于电磁开关阀的原理：断电时，弹簧将铁心直接压在阀座上，使阀门关闭；线圈通电时，所产生电磁力克服弹簧力将铁心提起，从而打开阀门。比例电磁阀对电磁开关阀的结构作了一些改动：在任何线圈电流下，使弹簧力与电磁力之间产生平衡。线圈电流的大小或电磁力的大小将影响柱塞的行程和阀门开度，而阀门开度(流量)与线圈电流(控制信号)之间为理想的线性关系。然而比例电磁阀价格较为昂贵，并且由比例电磁阀构成的半实物仿真驱动系统通讯速度较低，在很大程度上降低了气动肌肉控制的精度和可靠性。
发明内容
本发明针对目前气动肌肉驱动系统遇到的通讯速率低、价格昂贵、安装复杂、无法实现闭环控制等问题，提供了一种基于高速开关阀的驱动感知一体化气动肌肉驱动系统。
本发明采用的技术方案：
一种高速开关阀气动肌肉驱动系统，包括感知模块、上位机、驱动模块和气源模块。所述的气源模块通过驱动模块的三位三通高速开关阀与气动肌肉连接，为气动肌肉提供气源；驱动模块与上位机连接，上位机控制驱动模块输出驱动信号控制高速开关电磁阀的打开和关闭，从而控制气动肌肉的充气和放气；感知模块与上位机相连，将其测量气动肌肉的位移和气压信息传送给上位机。
感知模块包括数据采集卡、气压传感器、直线位移传感器和接线盒；所述的直线位移传感器平行固定在气动肌肉一侧；气压传感器与气动肌肉相连，位移传感器和气压传感器实时测量气动肌肉的长度和气压；直线位移传感器和气压传感器的输出端通过接线盒与数据采集卡连接，数据采集卡将采集到的模拟量数据转换为数字量数据，数据采集卡与上位机相连，将数字量数据传递给上位机。
上位机采用工控机；上位机接收感知模块获得的测量数据，并进行相应的计算，最后将计算结果发送给驱动模块。
感知模块的数据采集卡和驱动模块的定时/计数器固定在上位机的主机插槽；数据采集卡将从传感器获得的测量数据传送给上位机，上位机接收测量数据后进行计算，将控制信号发送给驱动模块的定时/计数器。
驱动模块包括定时/计数器、驱动器和三位三通高速开关阀。定时/计数器接收上位机输出的数字信号转换为PWM信号，定时/计数器输出端通过PCI线缆将与接线盒连接；接线盒的端子通过杜邦线与驱动器连接，实现将定时/计数器输出的PWM信号发送给驱动器；驱动器采用电磁阀驱动板，将接收到的PWM信号放大输出给三位三通高速开关阀；三位三通高速开关阀为PWM电磁阀，通过机械装置将开关电信号转换成质量流量的模拟信号，只有开关两种极限工作状况，不需要进行A/D转换直接可以将开关信号转化为流体脉冲信号，简化了控制系统的软硬件设置。
三位三通高速开关阀的电气输入端与驱动器连接，其一个阀口与气动肌肉连接，另一个阀口与气源模块的减压阀连接；三位三通高速开关阀根据驱动器发出的电位信号到达不同阀位，实现打开气路控制气动肌肉的充放气。
气源模块包括气动三联件、储气罐和气泵；气动三联件由分离器、过滤器、减压阀依次连接；气泵与气动三联件的分离器串联，储气罐并联在气泵与分离器之间；气动三联件的减压阀与高速开关阀的接口连接。
所述的数据采集卡为PCI-6014；气压传感器采用霍尼韦尔40PC150G2A；所述的直线位移传感器的型号为KTC LWH；定时/计数器采用PCI-6602；接线盒采用CB-68LP接线盒。
本发明的有益效果：
本发明采用的高速开关阀具有响应速度快、结构简单、抗污染和抗干扰能力强，解决了目前气动肌肉驱动系统遇到的通讯速率低、价格昂贵、安装复杂、无法实现闭环控制等问题。
附图说明
图1为本发明气动肌肉驱动系统硬件连接示意图。
图2为本发明气动肌肉驱动系统电气连接示意图。
图中：1气动肌肉；2直线位移传感器；3气压传感器；4数据采集卡；5工控机；6定时/计数器；7驱动器；8三位三通高速开关阀；9气动三联件；91减压阀；92过滤器；93分离器；10储气罐；11气泵；12负载砝码。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
图1为本发明气动肌肉驱动系统硬件连接示意图，该系统的硬件包括：气动肌肉1、直线位移传感器2、气压传感器3、数据采集卡4、工控机5、定时/计数器6、驱动器7、三位三通高速开关阀8、气动三联件9、储气罐10、气泵11；直线位移传感器2和气压传感器3作为感知元件，直线位移传感器2用于测量气动肌肉的长度，气压传感器3用于测量气动肌肉的气压；直线位移传感器2的型号为KTC LWH，集成在气动肌肉1上，即安装在气动肌肉1的一侧，与之平行；气压传感器3的型号为霍尼韦尔40PC150G2A；位移传感器2和气压传感器3的输出端都与数据采集卡4连接，数据采集卡4和定时/计数器6将接收的测量数据传送给工控机5。驱动器7接收从定时/计数器6接收的PWM信号，驱动器7将PWM信号放大，传送给高速开关阀8，高速开关阀8电气输入端与驱动器连接；气动三联件9、储气罐10、气泵11、构成供气装置；气动三联件包括减压阀91、过滤器92和分离器93，依次串联而成；从气泵11端出发，气泵11与气动三联件9的分离器93串联，储气罐10并联在气泵11与分离器93之间；气动三联件9的减压阀91与高速开关阀8的接口用气管连接；用一个气路三通接头将高速开关阀8的另一接口、气压传感器3的气路接口和气动肌肉1连通；工控机5通过数据采集卡4，接收测得的实时位移和气压数据，通过定时/计数器6，将计算结果输出给驱动器7；驱动器7控制高速开关阀8的动作，从而实现气动肌肉1的充放气。
图2为本发明气动肌肉驱动系统电气连接示意图，该系统主要分为感知模块、上位机和驱动模块。感知模块负责测量气动肌肉的位移和气压，并将测量数据传递给上位机。感知模块由数据采集卡、气压传感器、直线位移传感器组成；上位机由一台工控机构成；驱动模块由32位定时/计数器、驱动器和一个三位三通高速开关阀组成。位移传感器和压力传感器作为感知元件实时测量气动肌肉的长度和气压，并将测量结果传递给数据采集卡。由PCI-6014直接将测量数据传递给上位机，上位机在Simulink算法平台上根据测得的长度和气压数据进行计算，并将计算结果传递给定时/计数器。PCI-6602对控制信号进行脉冲宽度调制(PWM)，将PWM信号传递给驱动器，驱动器发出驱动信号使高速开关阀动作到不同阀位，进而实现高速开关阀的开合，从而控制气动肌肉的充放气；当开关阀在左位时，实现气动肌肉的充气，当开关阀在右位时，实现气动肌肉的放气；最终形成可控的反馈闭环控制平台。
一种高速开关阀气动肌肉驱动系统，包括感知模块、上位机、驱动模块和气源模块，是一个可控的反馈闭环控制平台。所述的气源模块通过驱动模块的三位三通高速开关阀与气动肌肉连接，为气动肌肉提供气源；感知模块与上位机相连，将测量气动肌肉的位移和气压信息送给上位机；上位机与驱动模块连接，控制驱动模块输出驱动信号来控制高速开关电磁阀的打开，从而控制气动肌肉的充气或放气。
感知模块包括数据采集卡、气压传感器、直线位移传感器和接线盒；所述的直线位移传感器的型号为KTC LWH，平行固定在气动肌肉一侧；气压传感器的型号为霍尼韦尔40PC150G2A；气压传感器与气动肌肉相连，位移传感器和气压传感器实时测量气动肌肉的长度和气压；直线位移传感器和气压传感器的输出端通过接线盒与数据采集卡连接，数据采集卡采集到的模拟量数据转换为数字量数据，数据采集卡与上位机相连，将数字量数据传递给上位机。
上位机采用工控机；上位机接收感知模块获得的测量数据，并进行相应的计算，最后将计算结果发送给驱动模块。
感知模块的数据采集卡和驱动模块的定时/计数器固定在上位机的主机插槽；数据采集卡将从传感器获得的测量数据传送给上位机，上位机接收测量数据后进行计算，将控制信号发送给驱动模块的定时/计数器。上位机的软件架构基于Real-Time WindowsTarget(RTWT)，RTWT是MATLAB提供的用PC机进行原型实物仿真与测试实时系统的一种方案，将Simulink描述的控制器直接通过输入输出卡(包括在卡上的A/D和D/A转换器)对硬件系统进行实时控制。
驱动模块包括32位定时/计数器、驱动器和三位三通高速开关阀。定时/计数器型号为PCI-6602，用来接收上位机输出的计算结果，将数字信号转换为PWM信号，用PCI线缆将定时/计数器输出端与接线盒连接，接线盒的端子通过杜邦线与驱动器连接，从而将定时/计数器输出的PWM信号发送给驱动器；驱动器为一个电磁阀驱动板，能将接收到的PWM信号放大，然后将放大后的PWM信号输出给三位三通高速开关阀；此处采用的三位三通高速开关阀为一种PWM电磁阀，它通过机械装置将开关电信号转换成质量流量的模拟信号，只有开关两种极限工作状况，不需要进行A/D转换直接可以将开关信号转化为流体脉冲信号，简化了控制系统的软硬件设置；高速开关阀具有响应速度快、结构简单、抗污染和抗干扰能力强等优点，其电气输入端与驱动器连接，其一个阀口与气动肌肉连接，另一个阀口与气源模块连接；三位三通高速开关阀根据驱动器发出的电位信号到达不同阀位，进而实现打开或关闭气路，从而控制气动肌肉的充放气。
气源模块负责提供一定气压的气源；包括气动三联件、储气罐和气泵构成了气动肌肉的气源气路；气动三联件由分离器、过滤器、减压阀依次串联连接；从气泵端出发，气泵与气动三联件的分离器串联，储气罐并联在气泵与分离器之间；气动三联件的减压阀与高速开关阀的接口用气管连接；用一个气路三通接头将高速开关阀的另一接口、气压传感器的气路接口和气动肌肉连通。

Claims (2)

1.一种高速开关阀气动肌肉驱动系统，其特征在于，包括感知模块、上位机、驱动模块和气源模块；所述的气源模块通过驱动模块的三位三通高速开关阀(8)与气动肌肉(1)连接，为气动肌肉(1)提供气源；驱动模块与上位机连接，上位机控制驱动模块输出驱动信号控制高速开关电磁阀的打开和关闭，从而控制气动肌肉(1)的充气和放气；感知模块与上位机相连，将其测量气动肌肉(1)的位移和气压信息传送给上位机；
感知模块包括数据采集卡(4)、气压传感器(3)、直线位移传感器(2)和接线盒；所述的直线位移传感器(2)平行固定在气动肌肉(1)一侧；气压传感器(3)与气动肌肉(1)相连，直线位移传感器(2)和气压传感器(3)实时测量气动肌肉(1)的长度和气压；直线位移传感器(2)和气压传感器(3)的输出端通过接线盒与数据采集卡(4)连接，数据采集卡(4)将采集到的模拟量数据转换为数字量数据，数据采集卡(4)与上位机相连，将数字量数据传递给上位机；上位机采用工控机(5)；上位机接收感知模块获得的测量数据，并进行相应的计算，将计算结果发送给驱动模块；驱动模块的定时/计数器(6)和感知模块的数据采集卡(4)固定在上位机上；数据采集卡(4)将获得的测量数据传送给上位机，上位机接收测量数据后进行计算，将控制信号发送给驱动模块的定时/计数器(6)；
驱动模块包括定时/计数器(6)、驱动器(7)和三位三通高速开关阀(8)；定时/计数器(6)接收上位机输出的数字信号转换为PWM信号，定时/计数器(6)输出端与接线盒连接；接线盒与驱动器(7)连接，实现将定时/计数器(6)输出的PWM信号发送给驱动器(7)；驱动器(7)将接收到的PWM信号放大输出给三位三通高速开关阀(8)；三位三通高速开关阀(8)通过机械装置将开关电信号转换成质量流量的模拟信号，只有开关两种极限工作状况；
三位三通高速开关阀(8)的电气输入端与驱动器(7)连接，三位三通高速开关阀(8)的一个阀口与气动肌肉(1)连接，另一个阀口与气源模块的减压阀(91)连接；三位三通高速开关阀(8)根据驱动器(7)发出的电位信号到达不同阀位，实现打开气路控制气动肌肉(1)的充放气；
气源模块包括气动三联件(9)、储气罐(10)和气泵(11)；气动三联件(9)由分离器(93)、过滤器(92)、减压阀(91)依次连接；气泵(11)与气动三联件(9)的分离器(93)串联，储气罐(10)并联在气泵(11)与分离器(93)之间；气动三联件(9)的减压阀(91)与高速开关阀的接口连接。
2.如权利要求1所述的一种高速开关阀气动肌肉驱动系统，其特征在于，驱动器(7)采用电磁阀驱动板，三位三通高速开关阀(8)为PWM电磁阀。
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