CN2270984Y - 电动伺服操作器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电动伺服操作器，该操作器将微机或调节器送来的调节信号，经电流/电压变换与运算放大器隔离缓冲，变成一个可以比较的电压信号，执行机构的反馈信号，经精密隔离模块隔离电流/电压转换后在经运算放大器隔离缓冲，也变成一个可以比较的电压信号，两路信号经差动放大后送保位运算模块和控制模块，当调节信号或位置反馈信号有一个断失或不正常时，保位运算有输出，使自动状态切换到手动状态。

Description

电动伺服操作器

本实用新型涉及自动控制领域中对电动执行机构实行控制的一种电动装置。

电动伺服操作器是一种可接收微机或调节器的自动信号去控制电动执行机构。实现对风门、挡板、调节阀等自动调节，可广泛用于发电，冶金、锅炉控制等部门。但是，现有的电动伺服操作器在以下方面存在缺点：1.由于受电子元件的限制，其体积和重量都很大，操作器和伺服放大器分作两部分，外部接线多，技术比较陈旧。2.近年来虽出现了伺服放大器和操作器一体的电动伺服操作器，但其电路设计中广泛采用了光耦元件来隔离本机与现场信号，由于光耦元件的致命弱点是线性度不好，即使增加线性补偿电路也无法满足自动调节系统的要求。3.与微机接口功能不完善，随着自动控制技术在锅炉燃烧系统中的应用，要求手/自动操作器必须具有与微机的简单接口能力，其工作状态应提供给微机，而微机亦能对操作器的工作状态进行自动切换，实现“软手操”。4.灵敏限不可调。自动控制系统中，对执行机构的“死区”即灵敏限是有一定要求的，对于不同的控制对象，其灵敏限亦有不同的要求，因此要求操作器灵敏限应有较宽的调节范围，以适应不同控制系统的要求。

本实用新型的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种结构简单、隔离线性好、具有保位功能，与微机接口完善，灵敏限可调的电动伺服操作器。

下面结合图1，详细阐述实用新型的原理：微机或调节器送来的0-10mA或4-20mA调节信号，经过电流/电压变换与运算放大器隔离缓冲，变成一个可以比较的电压信号；执行机构的0-10mA或4-20mA位置反馈信号，经精密隔离模块(线性失真不大于0.1％)隔离电流/电压转换后再经运算放大器隔离缓冲，也变成一个可以比较的电压信号；这两路信号经差动放大后送保位运算模块和控制模块。当调节信号或位置反馈信号有一个断失或不正常时，即两者的差达到整定值时，保位运算有输出，使自动状态切换到手动状态，自动不起作用，执行机构不动作，完成保位的作用，同时指示灯灭且保位报警触点闭合。差动放大输出到控制模块，经正、反向隔离放大(放大倍数15～20倍)后，送入控制逻辑电路。控制逻辑电路完成死区(灵敏限)控制，正反转互锁控制及中途限位控制，最后经手/自动切换继电器控制电子开关(固态继电器)，从而驱动执行机构的动作方向。中途限位是将执行机构的位置反馈信号与中途限位的给定值做比较。当风门或挡板达到限位开度时，中途限位给出一个关断信号，使自动无输出，固态继电器不再闭合，执行机构便停止动作。当不须自动时，可通过切换开关切换到手动状态。

下面结合图2-图6具体说明本实用新型的结构：本实用新型图2中计算机的输出D/A信号，是电流信号，该信号经双针电流表上表头以后再由电阻R₂变成0～5伏信号，该电压经限流电阻R₈输入到由运放1组成的反相跟随器的反相输入端；由执行机构来的位置反馈的电流信号经双针电流表下表头以后进入科海模块进行隔离，变成0～50mA电流信号输出，该输出由R₁变成0～5伏电压信号V₁，此信号经限流电阻R₆输入到由运放2构成的同相跟随器，其中R₄₈、R₆₁为反馈电阻。第III部分是由运放3组成的差动放大器，反相跟随器1的输出自动信号V_z经限流电阻R₁₀到差动放大器同相输入端，同相跟随器2的输出的位置反馈信号Vf经限流电阻R₁₁到差动放大器的反相输入端，典型的差动放大器3由LM324、R₁₂、R₁₃、R₄等组成，差动放大器的输出V₂＝V_z-Vf，是计算机输出的自动信号和位置反馈信号的差值，此电压一路经放大后去死区控制电路，另一路则去保位运算电路。第IV部分是放大电路，放大倍数是15～20倍。由于V₂可正负，故用正、反相放大器，同相放大器由LM324、R₁₄、R₁₇等组成，反相放大器由LM324、R₁₅、R₁₆、R₁₈、W₁等组成，差值信号V₂经同相放大器4输出一个可比较的电压V₃，V₂经反相放大器5输出一个可比较的电压V₄，V₃与V₄幅值相等，但相位相反。

图3中第V部分是死区控制电路，第VI部分是正、反转互锁逻辑电路，死区控制电路由电压比较器1、2，二极管D₁～D₄，R₂₀、R₂₁、R₁₉电位器W₂，上拉电阻R₂₄、R₂₅等组成。D₁～D₄构成电压比较器

1、2的输入端保护电路，电位器W2构成死区电压给定电路，电压V₃经限流电阻R₂₀输入到电压比较器的同相输入端，与死区给定电压比较，电压V₄经限流电阻R₂₁输入到电压比较器2的同相输入端。死区和正反转逻辑控制电路的V₃经电阻R₂₀到电压比较器1的同相输入端，V₄经电阻R₂₁到电压比较器2的同相输入端，电位器W₂的一端接地，一端接+15V电源，死区电压由其中心头取出，经电容E₂滤波以后，再经过限流电阻R₁₉，输入到电压比较器1，2的反相输入端，二极管D₁、D₂反相并联，而接于电压比较器1的同、反相输入端之间，电压比较器1的输出经上控电阻R₂₄后到反相器1的输入端；二极管D₃、D₄反向并联，接于电压比较器2的同、反相输入端之间，电压比较器2的输出经上拉电阻R₂₅至反相器2的输入端，电压比较器1的输出经电容E₃滤波以后分为两路，一路进入到反相器1输入，另一路至三输入与门2的输入端；电压比较器2的输出经电容E₄滤波以后，也分两路，一路进入到反相器2的输入，另一路至三输入与门1的输入，三输入与门1、2的输出和手/自动切换继电器连接。

当V₃为正，即V₃＝-V₄＞0时，由V₃和V_s的电压关系得电压比较器1的输出，当V₃＞V_s时，比较器1输出高电平，当V₃＜V_s时，比较器1输出低电平；由V₄和V_s的电压关系得电压比较器2的输出，V₄为负，故V_s＞V₄，故电压比较器的输出始终为低电平。当V₄为正，即V₄＝-V₃＞0时，电压比较器1、2的输出是于上述正相反。

图3中第VI部分是正、反转控制逻辑，逻辑电路由CD4069，CD4073等组成，电压比较器1的输出分为两路，一路经反相器1到三输入与门2的输入，另一路接至三输入与门1的输入；电压比较器2的输出也分为两路，一路经反相器2到三输入与门1的输入，另一路直接至三输入与门2的输入，三输入与门1、2的输出AOT01，AOT02到手自动切换继电器。

图4中第VII部分是上、下限位电路，上限限位由电位器W₅，电容E₆，电阻R₃₆、R₃₉、电压比较器6等组成，下限限位由电位器W₄，电容E₅，电阻R₃₅、R₃₈、电压比较器5等组成。位置反馈电压V₁经限流电阻R₃₇到电压比较器5、6的同相、反相输入端，上限给定电压V_上由电位器W₅中心头取出，经电阻R₃₆到电压比较器6的同相输入端，当越限，即V₁＞V_上时，电压比较器6输出低电平，使正转的输出锁死，同时经反相器6、偏置电阻R₄₁，使三极管N₄导通，上限指示灯亮。下限给定电压V_下由电位器W₄的中心头取出，经R₃₅，到电压比较器5的反相输入端，当越下限，即V₁＜V_下时，电压比较器5输出低电平，使反转的输出锁死，同时经反向器5、偏量电阻R₄₀，使三极管N₃导通，越下限指示灯亮。

图5中的第VIII部分是保位运算电路，差值电压V₂分为两路。一路输入到运算放大器6的同相输入端，此放大器的反相输入端至输出端之间接有反馈电阻R₂₆，另一路经电阻R₂₈输入到运算放大器7的反相输入端，此放大器同相输入端和地之间接有电阻R₂₇，反相输入端和输出端之间接有电阻R₂₉，运算放大器6的输出经电阻R₃₀后，进入到电压比较器3的反相输入端，运算放大器7的输出经电阻R₃₁到电压比较器4的反相输入端。保位值给定电位器W₃的一端接地，而另一端接+15V电源，电压由中心头取出，经电容E₉滤波后再经电阻R₃₂输入到电压比较器3、4的同相输入端，二极管D5、D6反向并联接于电压比较器3的同、反相输入端，二极管D7、D8亦反向并连，接于电压比较器4的同、反相输入端，电压比较器3、4的输出接在一起经电容E₁₀滤波，还经上拉电阻R₃₃接至+15V电源。电压比较器3、4的输出一路到反相器3的输入端，另一路到反相器4的输入端，反相器3输出经电阻R₃₄至三极管N₁的基极，反相器4的输出经电阻R₃至三极管N₂的基极，三极管N₁，N₂的发射极都接地，而三极管N₁的集电极接至手/自动转换开关的一个引脚，三极管N₂的集电极接至保位报警继电器的线圈，保位运算电路中，当差值V₂达到给定差值时，即视为信号故障，切自动状态到手动状态，而达到保位功能，保位值的给定电压V_b，经电容器E₉滤波后，经电阻R₃₂到电压比较器3的同相输入端，当V₂＞V_b时，电压比较器3的输出为低电平，同理反相跟随器7的输出经限流电阻R₃₁到电压比较器4的反相输入端，当-V₂＞V_b时，电压比较器3、4接成线与逻辑，该逻辑的输出一路经反相器3、电阻R₃₄使N₁导通(或截止)，另一路经反相器4，电阻R₃，使N₂导通(或截止)，从而使手/自动转换继电器JS1和保位报警输出继电器JS2动作。

图6中第IX部分是手动按扭，其中一个按扭的常闭触点串接到另一个按扭的常开触点中，即达到互锁目的。第X部分是手/自动转换继电器JS1，手动状态时是吸合状态，正、反转的自动信号AUTO，AUTO2分别经继电器JS1的常闭触点到SSR1(正转固态继电器)和SSR2(反转固态继电器)，手动的+15V正、反转信号则分别经继电器JS1的常开触点到SSR1、SSR2，手动位置时，+15V经继电器JS1线圈，手/自动换开关入地而构成回路。继电器JS1吸合，而成为手动状态，自动时+15经继电器JS1线圈，手/自动转换开关，再经三极管N₁入地，当自动信号出现故障时，继电器JS1即吸合，把自动状态切换到手动状态，完成保位功能。手/自动转换开关还输一手动是闭合的开关量信号，继电器JS2是保位报警继电器，+15伏经限流电阻R₄₆、继电器JS2的一个常闭触点、手/自动转换开关后与手、自动指示灯相连，不同状态分别点亮不同的指示灯，当保位时，继电器JS2吸合，则手、自动指示灯都灭，表示已经保位。220伏交流电输入到固态继电器SSR1，SSR2的输出端，直接输出为正、反转的电压。

本实用新型具有以下优点：1.在电路设计中，采用精密隔离模块，使执行机构来的位置反馈信号与本机电路没有直接电的联系，从而解决了它们的共地问题。控制信号(逻辑电平)通过固态继电器与220V交流回路完全隔离开来。往热工盘的信号也与本机无电的联系。2.它其有信号断失保位功能，其动作电流可在指示表刻度的5％-95％之间整定，即当自动信号或位置反馈信号断失或有不正常波动对，只要两者的差值等于或大于整定值，执行机构拒绝动作，保持原来位置，防止了阀门、挡板等全开或全关事故，且自动恢复到手动工作状态。当信号恢复正常时，执行机构也自动进入正常运行。3.它有中途限位功能，上、下均可在5％-95％之间整定。4.所有指示灯全部采用发光二极管，它耗电小、寿命长，不但减小了变压器容量，还解决了白炽灯易损坏的问题。5.灵敏限调节范围宽，且正、反向灵敏限完全对称。6.为方便替换老产品，电动伺服操作器采用了原DFD电动操作器的壳体，并兼容其输入和输出的接线；可用新的电动伺服操作器代替老的伺服放大器及电动操作器，只要将电动伺服操作器的机芯插入电动操作器的壳体里，不需改线即可正常运行，原伺服放大器立即失去作用，若将其拆除，只要将其输入端①②的接线短路起即可。

图1为本实用新型原理框图

图2为本实用新型信号比较放大电路图

图3为本实用新型死区和正反转逻辑控制电路图

图4为本实用新型上、下限位电路图

图5为本实用新型保位运算电路图

图6为本实用新型手自动转换电路图

实施例：

本实用新型已在哈尔滨工业大学中心锅炉房计算机控制系统中应用，起到了使用方便，工作安全可靠的作用，收到良好的效果。

Claims (1)

1.一种电动伺服操作器，包括信号比较放大电路，上、下限位电路、手自动切换电路，其特征在于：还包括死区和正反转逻辑控制电路，保位运算电路，其中死区和正反转逻辑控制电路中死区和正反转逻辑控制电路的[V₃]经电阻[R₂₀]到电压比较器[1]和同相输入端，[V₄]经电阻[R₂₁]到电压比较器[2]的同相输入端，电位器[W₂]的一端接地，一端接[+15V]电源，死区电压由其中心头取出，经电容[E₂]滤波后，再经过限流电阻[R₁₉]输入到电压比较器[1]，[2]的反相输入端，二极管[D₁]，[D₂]反相并联，而接于电压比较器[1]的同、反相输入端之间，电压比较器[1]的输出经上拉电阻[R₂₄]后到反相器[1]的输入端；二极管[D₃]、[D₄]反向并联，接于电压比较器[2]的同、反相输入端之间，电压比较器[2]的输出经上拉电阻[R₂₅]至反相器[2]的输入端，电压比较器[1]的输出经电容[E₃]滤波器后分为两路，一路进入到反相器[1]输入，另一路至三输入与门[2]的输入端；电压比较器[2]的输出经电容[E₄]滤波以后，也分两路，一路进入到反相器[2]的输入，另一路至三输入与门[1]的输入端，三输入与门的输出，和手/自动切换继电器连接，其中保位运算电路中，差值电压[V₃]分为两路，一路输入到运算放大器[6]的同相输入端，此放大器的反相输入端与输出端之间接有反馈电阻[R₂₆]，另一路经电阻[R₂₈]输入到运算放大器[7]的反相输入端，此放大器同相输入端和地之间接有电阻[R₂₇]，反相输入端和输出端之间接有电阻[R₂₉]，运算放大器[6]的输出经电阻[R₃₀]后，进入到电压比较器[3]的反相输入端，运算放大器[7]的输出经电阻[R₃₁]到电压比较器[4]的反相输入端，保位值给定电位器[W₃]的一端接地，而另一端接[+15V]电源，电压由中心取出，经电容[E₉]滤波后再经电阻[R₃₂]输入到电压比较器[3]、[4]的同相输入端，电压比较器[3]、[4]的输出接在一起经电容[E₁₀]滤波，还经上拉电阻[R₃₃]接至[+15V]电源，电压比较器[3]、[4]的输出一路到反相器[3]的输入端，另一路到反相器[4]的输入端，反相器[3]输出经电阻[R₃₄]至三极管[N₁]的基极，反相器[4]的输出端电阻[R₃]至三极管[N₂]的基极，三极管[N₁]、[N₂]的发射极都接地，而三极管[N₁]的集电极接至手/自动转换开关的一个引端，三极管[N₂]的集电极接至保位报警继电器的线圈。

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