CN216589355U - 液压系统中控制变量泵和比例阀开关的pwm放大电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的是解决现有同步封层车用的液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路大多为进口或购买厂家自带，成本昂贵且受芯片短缺的影响导致供货周期变长的问题，而提供了一种液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路。本实用新型包括输入信号、电源电路、三角波发生电路、采集电路、偏置加法电路、PWM波形生成电路和驱动反馈电路；所述输入信号依次连接采集电路、偏置加法电路、PWM波形生成电路和驱动反馈电路；所述电源电路的输出端连接PWM波形生成电路；所述三角波发生电路的输出端连接PWM波形生成电路；所述偏置加法电路与驱动反馈电路连接。

Description

液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路

技术领域

本实用新型涉及工业自动化控制领域，具体涉及一种液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路。

背景技术

随着科学技术的发展，在自动化仪表、传感器研制开发、工业现场、电力监控、医疗设备、试验研究等领域对远程监控设备对信号的处理要求也越来越多。对远程设备控制模块的控制精度，抗干扰能力，安全可靠性，高效节能环保、降低应用成本、智能化程度，安装方式等都有比较高的要求。基于单片机的嵌入式系统在工业中的应用也越来越普遍。

目前工程机械中的同步封层车用的液压系统中控制变量泵和比例阀开关的 PWM放大电路，为变量泵和比例阀的驱动器是设备中的关键部件，液压系统中的变量泵和比例阀需要通过恒定的电流来控制其开度，最终控制液压系统流量的输出。其精度和稳定性影响设备的整体性能。常规的控制方式为进口购买厂家自带的控制器或者放大器，其最大的痛点为成本昂贵且受芯片短缺的影响导致供货周期变长。所以自主设计一款PWM放大电路以控制液压系统中控制变量泵和比例阀开关是非常必要的。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决现有同步封层车用的液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路大多为进口或购买厂家自带，成本昂贵且受芯片短缺的影响导致供货周期变长的问题，而提供了一种液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路，其特殊之处在于：

包括电源电路、三角波发生电路、采集电路、偏置加法电路、PWM波形生成电路和驱动反馈电路；

所述电源电路用于为三角波发生电路、采集电路、偏置加法电路、PWM波形生成电路和驱动反馈电路提供电压，并可实现宽电压输入；

所述采集电路、偏置加法电路、PWM波形生成电路和驱动反馈电路依次连接；所述驱动反馈电路的反馈信号与偏置加法电路的反馈信号输入端连接；

所述采集电路连接PLC或电位器，用于接收差分或单端输入信号，并为偏置加法电路提供采集信号；

所述偏置加法电路用于将采集信号、反馈信号和偏置电流叠加，最终输出控制信号提供给PWM波形生成电路的同相输入端；

所述三角波发生电路用于生成三角波信号，三角波发生电路的输出端连接 PWM波形生成电路的反相输入端；

所述PWM波形生成电路用于将控制信号与三角波信号进行比较，从而生成与输入信号成比例的PWM信号；

所述驱动反馈电路包括放大电路和采样电路，放大电路将PWM信号进行电流放大，输出电流用于驱动负载线圈，采样电路对输出电流进行采样，并输出反馈信号提供给偏置加法电路。

进一步地，所述偏置加法电路包括采样反馈单元、分压单元和运算放大单元；

采样反馈单元包括第一运算放大器OP1、电阻R3、电阻R4、反馈电阻R1；电阻R3的一端接驱动反馈电路的采样电阻R5的一端和负载线圈L1的一端，另一端接第一运算放大器OP1的反相端；电阻R4的一端接驱动反馈电路的采样电阻R5的另一端，另一端接第一运算放大器OP1的同相端；反馈电阻R1的一端接第一运算放大器OP1的输出端，另一端接第一运算放大器OP1的反相端；第一运算放大器OP1的同相端通过电阻R2接参考电源V1的正极；

分压单元包括第一分压电阻R7、第二分压电阻R19；第一分压电阻R7的一端接电源V2的正极，第二分压电阻R19的一端接地，另一端与第一分压电阻 R7的另一端连接，该连接端用于偏置电压；

运算放大单元包括第二运算放大器OP2、第一平衡电阻R26、上拉电阻R9、第二平衡电阻R6、偏置电阻R8和电容C1；

所述第二运算放大器OP2的同相输入端与上拉电阻R9的一端连接，反相输入端与第一平衡电阻R26的一端、第二平衡电阻R6的一端及偏置电阻R8的一端连接，其输出端通过电容C1与反相输入端连接，用于输出控制信号提供给 PWM波形生成电路的同相输入端；

所述上拉电阻R9的另一端接电源V1的正极；

所述第一平衡电阻R26的另一端接采样电路提供的输入信号；

所述偏置电阻R8的一端连接分压单元提供的偏置电压。

进一步地，所述三角波发生电路用于生成频率为200Hz的三角波，提供频率信号。

进一步地，所述采样电路包括采样电阻R5，采样电阻R5采用高次侧采样，减少输出端子。

进一步地，所述驱动反馈电路还包括续流二极管D2，通过续流二极管D2 和采样电阻R5使输出电流连续。

进一步地，所述采样电阻R5为0.5～1Ω。

进一步地，所述输入信号的输入电压为0-10V。

进一步地，所述驱动反馈电路的输出电流为0-1200mA，输出电流初始值与偏置加法电路分压单元的第二分压电阻R19负相关。

本实用新型相比现有技术的有益效果是：

本实用新型提供的液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路，通过详细的理论计算与仿真并进行设备的长期运行，最终实现供电电源为 20-28V，输入0-10V对应0到1.2A的线性电流输出，产品适应能力强，适用各种比例阀和放大器。输出电流不受输入电压波动、环境温度发生变化和元件的电气差异而影响其输出精度。本实用新型自主研发的PWM放大电路解决了目前进口购买厂家自带的控制器或者放大器，成本昂贵且受芯片短缺的影响导致供货周期变长的现实问题。本实用新型是结合偏置加法电路中的第一运算放大器 OP1和第二运算放大器OP2以及三角波电路中的运算放大器OP5，利用最少的高精度器件，实现了高精度的电流输出，核心在于电路的设计和各参数的匹配，成本仅为同类产品的1/10。

附图说明

图1为本实用新型实施例液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路总原理图；

图2为本实用新型实施例电源电路的电路图；

图3为本实用新型实施例三角波发生电路的电路图；

图4为本实用新型实施例采样电路的电路图；

图5为本实用新型实施例偏置加法电路的电路图；

图6为本实用新型实施例PWM波形生成电路的电路图；

图7为本实用新型实施例驱动与反馈电路的电路图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路作进一步详细说明。

液压系统中的变量泵和比例阀需要通过恒定的电流来控制其开度，最终控制液压系统流量的输出。常规的控制方式为购买厂家自带的控制器或者放大器，其最大的痛点为成本昂贵且受芯片短缺的影响导致供货周期变长。

一种液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路，本电路通过多级闭环及反馈，实现供电电源为20-28V，输入0-10V对应0到1.2A的线性电流输出。包括输入信号、电源电路、三角波发生电路、采集电路、偏置加法电路、 PWM波形生成电路和驱动反馈电路。

如图1所示，系统各个电路块的原理和相应的逻辑关系，输入信号依次连接采集电路、偏置加法电路、PWM波形生成电路和驱动反馈电路，电源电路的输出端连接PWM波形生成电路，三角波发生电路的输出端连接PWM波形生成电路，偏置加法电路与驱动反馈电路连接。

如图2为电源电路的电路图，电源电路主要用于为控制电路提供所需的各级电压，并可实现宽电压输入。其中一级供电主要提供运放的单电源，二级主要提供输入的参考电压值，输入电源直接提供至输出电路。

如图3三角波发生电路的电路图所示，三角波发生电路用于生成频率为 200Hz的三角波，提供频率信号，三角波发生电路的输出端连接PWM波形生成电路的反相输入端，可通过调整R12阻值和C2电容值进行频率的调整，也适用不同的应用场景。

如图4采样电路图所示，采样电路用于将输入信号进行取样，可采用差分电路或单端接地电路，差分输入适合PLC输出的差分电压，单端接地模式适合电位器直接控制的应用场景。

如图5电路图所示，偏置加法电路用于将采集信号、反馈信号和偏置电流叠加，最终输出控制信号提供给PWM波形生成电路的同相输入端。其中偏置电路是通过对第二分压电阻R19的阻值进行调整，可根据不同的应用场合调整，常用的可设置起始电流为200mA或400mA。

所述偏置加法电路包括采样反馈单元、分压单元和运算放大单元；

采样反馈单元包括第一运算放大器OP1、电阻R3、电阻R4、反馈电阻R1；电阻R3的一端接驱动反馈电路的采样电阻R5的一端和负载线圈L1的一端，另一端接第一运算放大器OP1的反相端；电阻R4的一端接驱动反馈电路的采样电阻R5的另一端，另一端接第一运算放大器OP1的同相端；反馈电阻R1的一端接第一运算放大器OP1的输出端，另一端接第一运算放大器OP1的反相端；第一运算放大器OP1的同相端通过电阻R2接参考电源V1的正极；

分压单元包括第一分压电阻R7、第二分压电阻R19；第一分压电阻R7的一端接电源V2的正极，第二分压电阻R19的一端接地，另一端与第一分压电阻R7的另一端连接，该连接端用于偏置电压；

运算放大单元包括第二运算放大器OP2、第一平衡电阻R26、上拉电阻R9、第二平衡电阻R6、偏置电阻R8和电容C1；

第二运算放大器OP2的同相输入端与电上拉阻R9的一端连接，反相输入端与第一平衡电阻R26的一端、第二平衡电阻R6的一端及偏置电阻R8的一端连接，其输出端通过电容C1与反相输入端连接，用于输出控制信号提供给PWM 波形生成电路的同相输入端；

上拉电阻R9的另一端接电源V1的正极；第一平衡电阻R26的另一端接采样电路提供的输入信号；偏置电阻R8的一端连接分压单元提供的偏置电压。

第二运算放大器OP2在三路输入第一平衡电阻R26、第二平衡电阻R6和偏置电阻R8都为9V的条件下输出电流为0mA。在第一平衡电阻R26输入为9V 时，通过运算放大器输入阻抗无穷大的特征，闭环由第二分压电阻R19和采样反馈单元构成。减小第二分压电阻R19的阻值降低偏置电阻R8的输入电压，第二运算放大器OP2为维持虚短提高输出电压，直至第二平衡电阻R6和偏置电阻R8之间的电流平衡。实际工程应用中，不同的比例阀或者变量泵的起始电流不同，因此可通过第二分压电阻R19来设置起始电流也满足不同的应用场景。在初始电流设定完后，输入和输出的闭环通过第一平衡电阻R26和由第一运算放大器OP1及第二平衡电阻R6构成。增加采样电路中V6的输入电压通过运算放大器OP6使输出到第一平衡电阻R26的电压降低，同理运算放大器OP2为了维持虚短会调整OP2的输出电压，最终使第二运算放大器OP2达到虚短。通过第二运算放大器OP2输出电压的改变，最终与三角波电路进行比较，调整三角波电路中的运算放大器OP5的PWM的占空比实现电流的增大或者减小。

如图6电路图所示，PWM波形生成电路用于将输入信号与反馈信号对PWM 的占空比进行调整，保证输出电流与输入电压成比例，其中R13信号来自输出信号，运算放大器的2脚由三角波发生器提供三角波电路。

如图7电路图所示，驱动反馈电路用于驱动负载线圈，并经续流二极管和采样电阻使输出电流连续。采样电阻R5大小对输出电流起决定性因素，1欧姆电阻可提供对应200-600mA电流，0.5欧姆电阻可提供对应400-1200mA的电流输出。本系统设计采用高次侧对电流进行采样，可防止因输出接地导致的短路，对电路进行了有效的保护。

通过此电路实现了模拟电压对液压系统的精确控制。系统电路略作修改可适应于12V供电的系统。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路，其特征在于：包括电源电路、三角波发生电路、采集电路、偏置加法电路、PWM波形生成电路和驱动反馈电路；

所述电源电路用于为三角波发生电路、采集电路、偏置加法电路、PWM波形生成电路和驱动反馈电路提供电压，并可实现宽电压输入；

所述采集电路、偏置加法电路、PWM波形生成电路和驱动反馈电路依次连接；所述驱动反馈电路的反馈信号与偏置加法电路的反馈信号输入端连接；

所述采集电路连接PLC或电位器，用于接收差分或单端输入信号，并为偏置加法电路提供采集信号；

所述偏置加法电路用于将采集信号、反馈信号和偏置电流叠加，最终输出控制信号提供给PWM波形生成电路的同相输入端；

所述三角波发生电路用于生成三角波信号，三角波发生电路的输出端连接PWM波形生成电路的反相输入端；

所述PWM波形生成电路用于将控制信号与三角波信号进行比较，从而生成与输入信号成比例的PWM信号；

所述驱动反馈电路包括放大电路和采样电路，放大电路将PWM信号进行电流放大，输出电流用于驱动负载线圈，采样电路对输出电流进行采样，并输出反馈信号提供给偏置加法电路。

2.根据权利要求1所述的液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路，其特征在于：

所述偏置加法电路包括采样反馈单元、分压单元和运算放大单元；

采样反馈单元包括第一运算放大器OP1、电阻R3、电阻R4、反馈电阻R1；电阻R3的一端接驱动反馈电路的采样电阻R5的一端和负载线圈L1的一端，另一端接第一运算放大器OP1的反相端；电阻R4的一端接驱动反馈电路的采样电阻R5的另一端，另一端接第一运算放大器OP1的同相端；反馈电阻R1的一端接第一运算放大器OP1的输出端，另一端接第一运算放大器OP1的反相端；第一运算放大器OP1的同相端通过电阻R2接参考电源V1的正极；

分压单元包括第一分压电阻R7、第二分压电阻R19；第一分压电阻R7的一端接电源V2的正极，第二分压电阻R19的一端接地，另一端与第一分压电阻R7的另一端连接，该连接端用于偏置电压；

运算放大单元包括第二运算放大器OP2、第一平衡电阻R26、上拉电阻R9、第二平衡电阻R6、偏置电阻R8和电容C1；

所述第二运算放大器OP2的同相输入端与电上拉阻R9的一端连接，反相输入端与第一平衡电阻R26的一端、第二平衡电阻R6的一端及偏置电阻R8的一端连接，其输出端通过电容C1与反相输入端连接，用于输出控制信号提供给PWM波形生成电路的同相输入端；

所述上拉电阻R9的另一端接电源V1的正极；

所述第一平衡电阻R26的另一端接采样电路提供的输入信号；

所述偏置电阻R8的一端连接分压单元提供的偏置电压。

3.根据权利要求2所述的液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路，其特征在于：

所述三角波发生电路用于生成频率为200Hz的三角波，提供频率信号。

4.根据权利要求3所述的液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路，其特征在于：

所述采样电路包括采样电阻R5，采样电阻R5采用高次侧采样，减少输出端子。

5.根据权利要求1-4任一所述的液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路，其特征在于：

所述驱动反馈电路还包括续流二极管D2，通过续流二极管D2和采样电阻R5使输出电流连续。

6.根据权利要求5所述的液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路，其特征在于：

所述采样电阻R5为0.5～1Ω。

7.根据权利要求6所述的液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路，其特征在于：

所述输入信号的输入电压为0-10V。

8.根据权利要求7所述的液压系统中控制变量泵和比例阀开关的PWM放大电路，其特征在于：

所述驱动反馈电路的输出电流为0-1200mA，输出电流初始值与偏置加法电路分压单元的第二分压电阻R19负相关。

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