液壓比例閥控制器.doc

第六章液 壓 系 統(tǒng) 比 例 閥 控 制 器6.1 前言比例控制閥主要用于開回路控制(open loop control);比例控制閥的輸出量與輸入信號(hào)成比例關(guān)系，且比例控制閥內(nèi)電磁線圈所產(chǎn)生的磁力大小與電流成正比。在傳統(tǒng)型式的液壓控制閥中，只能對(duì)液壓進(jìn)行定值控制，例如:壓力閥在某個(gè)設(shè)定壓力下作動(dòng)，流量閥保持通過所設(shè)定的流量，方向閥對(duì)于液流方向通/斷的切換。因此這些控制閥組成的系統(tǒng)功能都受到一些限制，隨著技術(shù)的進(jìn)步，許多液壓系統(tǒng)要求流量和壓力能連續(xù)或按比例地隨控制閥輸入信號(hào)的改變而變化(圖6-1.1)。液壓伺服系統(tǒng)雖能滿足其要求，而且精度很高，但對(duì)于大部分的工業(yè)來(lái)說(shuō)，他們并不要求系統(tǒng)有如此高的質(zhì)量，而希望在保證一定控制性能的條件下，同時(shí)價(jià)格低廉，工作可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單，所以比例控制閥就是在這種背景下發(fā)展起來(lái)的。比例控制閥可分為壓力控制閥，流量控制及方向控制閥三類(如圖6-1.2所示)。1. 壓力控制閥:用比例電磁閥取代引導(dǎo)式溢流閥的手調(diào)裝置便成為引導(dǎo)式比例溢流閥，其輸出的液壓壓力由輸入信號(hào)連續(xù)或按比例控制。2. 流量控制閥:用比例電磁閥取代節(jié)流閥或調(diào)速閥的手調(diào)裝置而以輸入信號(hào)控制節(jié)流閥或調(diào)速閥之節(jié)流口開度，可連續(xù)或按比例地控制其輸出流量。故節(jié)流口的開度便可由輸入信號(hào)的電壓大小決定。3. 方向控制閥:比例電磁閥取代方向閥的一般電磁閥構(gòu)成直動(dòng)式比例方向閥，其滑軸不但可以換位，而且換位的行程可以連續(xù)或按比例地變化，因而連通油口間的通油面積也可以連續(xù)或按比例地變化，所以比例方向控制閥不但能控制執(zhí)行組件的運(yùn)動(dòng)方向外，還能控制其速度。以上各種比例閥所作動(dòng)的液壓組件為液壓缸或液壓馬達(dá)。6.2 比例閥控制器內(nèi)部方塊之意義與功能 比例閥控制器內(nèi)部包含各種電路模塊，每一個(gè)模塊有其特定功能及用途并以符號(hào)來(lái)代表，此處就每一個(gè)模塊的功能及原理來(lái)說(shuō)明之。1. 斜坡產(chǎn)生器(Ramp Generator)圖6-2.1為斜坡產(chǎn)生器之符號(hào)圖，斜坡產(chǎn)生器(Ramp Generator)主要是將瞬間的電壓變化量轉(zhuǎn)換成帶有時(shí)間延遲的電壓變化，也就是說(shuō)當(dāng)輸入電壓改變時(shí)，斜坡產(chǎn)生器會(huì)將原先的階梯式電壓變化量緩慢地改變到改變后之電壓，而在原先電壓與改變后電壓之間就會(huì)得到一隨時(shí)間上升或下降的斜坡(Ramp)，所以Ramp Generator斜坡產(chǎn)生的原理跟積分器作用的原理是一樣的。當(dāng)輸入信號(hào)改變時(shí)(圖6-2.2)，其輸入信號(hào)的波型有如階梯形狀。若系統(tǒng)無(wú)Ramp Generator 時(shí)，其閥體控制油壓的變化亦與輸入信號(hào)階梯式的變化一樣，則使每個(gè)相鄰的油壓壓差變化很大，結(jié)果使整個(gè)控制油壓的變化不準(zhǔn)確及組件作動(dòng)不圓滑順暢，而Ramp Generator就是為了解決此項(xiàng)的困擾。當(dāng)階梯式的控制信號(hào)經(jīng)Ramp Generator時(shí)(圖6-2.3)，Ramp Generator會(huì)將電壓變化的時(shí)間延遲，而輸出一隨時(shí)間上升或下降的斜坡信號(hào)，使油壓變化順著斜坡方向作變化，這樣的結(jié)果使整個(gè)油壓的變化更為圓滑順暢。圖6-2.1 斜坡產(chǎn)生器之符號(hào)無(wú)ramp generator時(shí)有ramp generator時(shí)斜坡產(chǎn)生器Ramp Generator控制器控制器控制信號(hào)CommandSignal控制信號(hào)CommandSignal壓力Pressure壓力PressureVPtttttPVV輸入訊號(hào)輸入訊號(hào)輸出油壓輸出油壓(圖6-2.2)(圖6-2.3)2. 脈波輸出信號(hào)(Pulsed Output Stage)圖6-2.4為脈波產(chǎn)生器之符號(hào)圖。由脈波產(chǎn)生器(Pulse Generator)發(fā)出一脈波信號(hào)與控制信號(hào)(command voltage)一起輸入到電壓-電流轉(zhuǎn)換器(converter)，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈波電流信號(hào)輸出到比例控制閥的電磁線圈上使電磁線圈產(chǎn)生磁力，來(lái)控制比例閥閥軸的移動(dòng)量。經(jīng)由控制電流脈波之工作周期( Duty cycle )的大小，來(lái)控制供應(yīng)至電磁線圈的電流大小，而脈波產(chǎn)生器的輸出頻率隨各種閥體型式而不同。產(chǎn)生的脈波電流，主要是使作用在電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的功率損失降到最小，因?yàn)槿羰褂媚M信號(hào)控制，其在電磁線圈驅(qū)動(dòng)電路上產(chǎn)所生的功率(P=VIL)損失將會(huì)很大，而以脈波電流控制時(shí)，只要控制電流脈波的工作周期之大小，即可控制電磁閥之平均電流大小，并且可以將在電磁線圈驅(qū)動(dòng)電路上所產(chǎn)生的功率損失降到最小。(圖6-2.5)脈波產(chǎn)生器轉(zhuǎn)換器U I調(diào)節(jié)器 控制電壓信號(hào)圖6-2.43. 電源供應(yīng)器(Power Supply )將110V或220V的交流電壓，由變壓器降壓經(jīng)橋式整流濾波，得到一未經(jīng)穩(wěn)壓的24V直流電壓，因變壓器是由漆包銅線所繞成的，有其繞線電阻存在rc ，當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，亦有其電阻rON存在，所以在全負(fù)載時(shí)， rc與rON都會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)膲航担虼素?fù)載實(shí)際承受的電壓為VL=VS-IL(rc+rON)，若拿來(lái)當(dāng)系統(tǒng)電壓供給的話，會(huì)受到系統(tǒng)負(fù)載電流(IL)的影向而變動(dòng)，則在控制上會(huì)有失真的產(chǎn)生，這不是穩(wěn)定直流電源所希望的現(xiàn)象，所以須要有穩(wěn)壓階段(圖6-2.5)將未穩(wěn)壓之電壓作穩(wěn)壓的動(dòng)作，減少系統(tǒng)在控制上及作業(yè)上誤差的產(chǎn)生，在控制器( VT2000及VT3000)系統(tǒng)中，若使用24V做為供給電源時(shí)，在系統(tǒng)的最初輸入端須裝一個(gè)電源穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器， 24V在穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換后，提供系統(tǒng)內(nèi)部操作所須之電壓及輸出一9V 直流電壓去當(dāng)作控制信號(hào)(Commend signal)的供給源。(圖6-2.6為電源供應(yīng)器之符號(hào)圖)220V24V24Veff ( a )24VefftU ( b )+18V+9V整流濾波穩(wěn)壓0VMO9V24Veff ( c ) ( 圖6-2.5 )-9V +9V系統(tǒng)內(nèi)部作業(yè)之電壓24V0V(圖6-2.6 電源供應(yīng)器之符號(hào))4. 階梯信號(hào)產(chǎn)生器(Step Generator)控制信號(hào)輸入階梯信號(hào)產(chǎn)生器(Step Generator)，經(jīng)階梯信號(hào)產(chǎn)生器判別后，送出一階梯信號(hào)產(chǎn)生器所設(shè)定之電壓，若控制信號(hào)(Commend signal)100mV時(shí)，階梯信號(hào)產(chǎn)生器就會(huì)輸出一個(gè)正常數(shù)電壓，若 -100mV控制電壓100mV時(shí)，階梯信號(hào)產(chǎn)生器輸出0V，若控制信號(hào)-100mV時(shí)， 階梯信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)負(fù)常數(shù)電壓輸出(圖6-2.7)。階梯信號(hào)產(chǎn)生器常被使用在比例方向控制閥上面，一般比例方向控制閥在制造技術(shù)上及性能的考慮上，其閥軸在換位時(shí)，都會(huì)有重迭現(xiàn)象的產(chǎn)生(Posltive overlap)，圖6-2.8為比例控制閥的特性曲線圖， 在X00的區(qū)域稱為磁滯(Deadband)，這種現(xiàn)象在系統(tǒng)的控制上是不被允許的，為了使輸入(I)與輸出(Q)更線性化，通常都會(huì)加一額外電壓(bias)給比例方向控制閥，使滑軸移動(dòng)換位時(shí)，能快速越過X00這個(gè)區(qū)域，以減小磁滯現(xiàn)象。而階梯信號(hào)產(chǎn)生器的主要功用就是提供一額外電壓給電磁閥，使重迭現(xiàn)象減至最小。(圖6-2.9為階梯信號(hào)產(chǎn)生器之符圖)+100%0.1V-0.1V+100%-100%+UE-UE+UA+100%-UAInOut( 圖9 )(圖6-2.8比例方向控制閥之特性曲線圖)+Q+XXX0X0QbiasUEUA( 圖6-2.9 ) 5. 比較器(Regulator on Proportional Amplifier Cards)在一般開回路控制 (Open loop control) 系統(tǒng)里，輸入多少電壓，其閥體作動(dòng)相對(duì)產(chǎn)生多少油壓，也就是電壓與壓力成比例關(guān)系，但是若使用在控制液壓流量上面時(shí)，因閥體制造時(shí)所產(chǎn)生的誤差及長(zhǎng)期使用下所產(chǎn)生的摩損，都會(huì)使在液流的控制上產(chǎn)生偏差，而導(dǎo)致致動(dòng)器實(shí)際的作動(dòng)情形，超出預(yù)期的結(jié)果，為了減少偏差產(chǎn)生，所以就在控制系統(tǒng)內(nèi)加一個(gè)比較器，來(lái)作誤差補(bǔ)償(圖6-2.10)。當(dāng)滑軸移動(dòng)時(shí)，方向軸上的位置傳感器，將所測(cè)得的滑軸移動(dòng)物理量轉(zhuǎn)換成實(shí)際的電壓信號(hào)送回比較器，此時(shí)比較器將控制信號(hào)與實(shí)際信號(hào)作比較后，送出一補(bǔ)償信號(hào)至電磁閥，作補(bǔ)償調(diào)整工作，來(lái)控制閥口的開口面積，進(jìn)而控制液壓的流量。(圖6-2.11為比較器之符號(hào)圖) PIDValve液壓缸液壓馬達(dá)位置傳感器物理量控制信號(hào)實(shí)際信號(hào)(圖6-2.10) PID控制信號(hào)實(shí)際信號(hào)輸出信號(hào)(圖6-2.11 ) 6. 加法器(summator)加法器算是一個(gè)算術(shù)操作數(shù)件，它是將各個(gè)的輸入信號(hào)相加后， 再將其相加后的總和反向輸入，(正變負(fù);負(fù)變正)。在VT3000的系統(tǒng)中，加法器接收到從積分器及階梯產(chǎn)生器送來(lái)的控制信號(hào)后，將其兩個(gè)控制信號(hào)相加，得到另一信號(hào)值，再將其值反向輸出到電流調(diào)整器。(圖6-2.12為加法器之符圖)(圖6-2.12)UE1UE2UA= ( UE1 + UE2) 例: UE1= +4V ; UE2= +2V UA= (4V+2V) =6V7. 反向器(Inverter)反向器的輸出是輸入的反向，也就是將正數(shù)輸入變成負(fù)數(shù)輸出，或是負(fù)數(shù)輸入變成正數(shù)輸出，而在數(shù)字邏輯運(yùn)算中，反向器的功用是將1的輸入變成0的輸出，或是將0的輸入變成1的輸出，由此可見反向器只有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，在控制器( VT2000或VT3000 )的系統(tǒng)中，反向器的功用只是用來(lái)當(dāng)做信號(hào)極性的改變，使控制器的輸入與輸出變化做同向或反向的變化。(圖6-2.13為反向器之符號(hào)圖)（圖6-2.13）UEUE8. 電位計(jì)(Potentiometer) 電位計(jì)是最常用的電力轉(zhuǎn)換器，其目的為將機(jī)械運(yùn)動(dòng)變成電氣變動(dòng)信號(hào)，電位計(jì)最主要的特性為線性度，所謂線性度即為轉(zhuǎn)臂每轉(zhuǎn)動(dòng)一距離，產(chǎn)生一比例于距離之電阻變化，而與轉(zhuǎn)臂的位置無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)電位計(jì)之電阻是平均分配的。電位計(jì)的線性度在某些應(yīng)用上相當(dāng)重要，因此廠商對(duì)于所產(chǎn)生之電位計(jì)均附有線性度百分比之說(shuō)明，而線性度百分比可以簡(jiǎn)稱為線性度。在完全線性之下，不論轉(zhuǎn)軸角度如何，電位計(jì)之電阻值改變量與轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度成正比例關(guān)系;例如:轉(zhuǎn)軸由00轉(zhuǎn)到600時(shí)，電阻值改變20%，同理，由1800轉(zhuǎn)到2400時(shí)，也只有20%的電阻值變化量(圖6-2.14)。在控制器 ( VT2000及VT3000 ) 系統(tǒng)中， 若我們將電位計(jì)一端接10V，另一端接0V，便可得到010V的電壓范圍(圖6-2.15)，經(jīng)電位計(jì)上旋鈕的改變，可得到不同的電壓輸出。所以，若我們將電位計(jì)拿來(lái)當(dāng)作系統(tǒng)控制信號(hào)(command signal)供給源的話，則轉(zhuǎn)動(dòng)電位計(jì)上的旋鈕， 就可改變輸入的控制信號(hào)。（圖6-2.14） Wiper10V0V（圖6-2.15）9. 位移轉(zhuǎn)換器(Inductive Positional Transducer on the Valves)位移轉(zhuǎn)換器是用來(lái)偵測(cè)閥體滑軸的位置，它分為二大部分，一為軸桿部分，由滑軸與磁化的電樞所組成，二是傳感器部分，由兩組線圈所組成。其作動(dòng)原理與線性可變差動(dòng)變壓器(LVDT)一樣，是一種可以輸出一比例于機(jī)械位移之AC輸出電壓信號(hào)(圖6-2.16)。由振蕩器發(fā)出一脈波電壓信號(hào)，輸入線圈1與線圈2，當(dāng)電樞在兩線圈的中間位置時(shí)，線圈1與線圈2分別感應(yīng)出V1電壓與V2電壓,因此在Test Point 1點(diǎn)上的輸出電壓為Us=V1-V2(圖6-2.17)。當(dāng)電樞往上移動(dòng)時(shí)，線圈1之磁場(chǎng)強(qiáng)度愈強(qiáng)，線圈2之磁場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)?，因此線圈1之V1電壓，大于線圈2之V2電壓，因而產(chǎn)生Us1之電壓，而且Us1之電壓會(huì)隨著電樞愈往上移而愈大，同理當(dāng)電樞往下移時(shí)，線圈2之磁場(chǎng)強(qiáng)度變強(qiáng)，線圈1之磁場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)?，而產(chǎn)生Us2電壓，所以Us2之電壓會(huì)隨著電樞下移位置的增大而變小。輸出之交流電壓信號(hào)，經(jīng)變換器( Demodulator )轉(zhuǎn)成直流電壓信號(hào)(實(shí)際信號(hào))，傳回給系統(tǒng)內(nèi)的比較器，經(jīng)比較器將其輸入信號(hào)與實(shí)際信號(hào)作比較后，再向閥體上的電磁線圈發(fā)出糾正信號(hào)，以補(bǔ)償誤差。 電樞 圖 6-2.16變換器Demodulator 振蕩器信號(hào)輸出Test point 1Coil 1Coil 2滑軸+U+US1+US+US20-U S2-U S-U S1-U圖 6-2.176.3 應(yīng)用于TBM系統(tǒng)中之比例閥控制器1. VT2000如電路圖1，以24V DC當(dāng)控制器(VT2000)的電源供應(yīng)(24ac位置)，經(jīng)系統(tǒng)電源供應(yīng)器(5)穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換后， 提供系統(tǒng)內(nèi)部作業(yè)所須之電壓以及內(nèi)部或外部電位計(jì)之電源供給，在VT2000系統(tǒng)中控制信號(hào)的輸入方式有三種:第一種是從28C位置與30ac位置輸入電壓，經(jīng)差值放大器(7)產(chǎn)生一差值電壓輸出當(dāng)控制信號(hào)，而28C位置之電壓為0V10V，30ac位置的電壓為28C位置的參考電壓，這里特別要注意的是當(dāng)使用差值放大器做輸入信號(hào)時(shí)，28C與30ac兩條信號(hào)線必須同時(shí)接上或拆除，第二種是從系統(tǒng)電源供應(yīng)器送出9V到10ac位置，再由10ac位置送入12ac的位置當(dāng)控制信號(hào)，其中MO(14ac位置)為參考電壓(0V)，所以10ac所送出的電壓為最大電壓9V，第三種是在10ac位置與12ac位置之間串接一電位計(jì)，經(jīng)電位計(jì)上旋鈕的調(diào)變，可在12ac的位置得到不同的控制電壓信號(hào)(0V9V)?？刂菩盘?hào)Ub(0V9V)經(jīng)反向器，將其輸入信號(hào)極性反向后送到R2 ，R2為一可變電阻，若控制信號(hào)的輸入方式為第二種時(shí)， 經(jīng)由R2的調(diào)變，將可改變控制信號(hào)Ub的電壓值，若控制信號(hào)的輸入方式為第一種或第三種時(shí)， 則R2可視為一個(gè)阻抗，被拿來(lái)當(dāng)做比例壓力控制閥內(nèi)電磁線圈的限流器，控制信號(hào)經(jīng)斜坡產(chǎn)生器(1)，對(duì)其輸入的控制信號(hào)(階梯電壓信號(hào))轉(zhuǎn)換后，得到一隨時(shí)間成比例變化的電壓Ua(0V6V)輸出(Ramp信號(hào))，其主要目的是當(dāng)控制信號(hào)改變時(shí)，系統(tǒng)油壓壓力的變化能順著經(jīng)由斜坡產(chǎn)生器輸出之斜坡方向(Ramp)與控制信號(hào)成比例的變化。其中R3與R4可調(diào)整Ramp的時(shí)間，進(jìn)而改變Ramp的斜度。信號(hào)再送經(jīng)電流調(diào)整器(2)內(nèi)的電位計(jì)R1 ，來(lái)當(dāng)作R1電位計(jì)的電壓值，經(jīng)與振蕩器(4)調(diào)節(jié)后，再由電流調(diào)整器輸出一脈波信號(hào)，去控制功率晶體管的工作周期(on/off)，當(dāng)功率晶體管on時(shí)，+UL從功率晶體管，經(jīng)22ac位置到電磁閥上的電磁線圈，電磁線圈產(chǎn)生磁力，來(lái)作動(dòng)比例壓力控制閥，使得系統(tǒng)油壓與輸入信號(hào)成比例關(guān)系，最后+UL再由20ac位置去搭鐵。而在X1的位置可量得控制電壓(0V6V)，在X2的位置可量得電磁線圈的電流(0800mA)。2. VT3000如電路2，以24VDC當(dāng)控制器(VT3000)的電源供應(yīng)(32a位置)，經(jīng)系統(tǒng)電源供應(yīng)器(7)穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換后，提供系統(tǒng)內(nèi)部作業(yè)所需之電壓，以及內(nèi)部或外部電位計(jì)之電源供給，在VT3000系統(tǒng)中控制信號(hào)的輸入方式有三種:一是由系統(tǒng)電源供應(yīng)器(7)提供一+9V之穩(wěn)定電壓到20c位置及-9V的穩(wěn)定電壓到26ac的位置，再由20c位置或26ac位置，將電壓一同送入12a、8a、10a 、10c等四個(gè)位置當(dāng)控制信號(hào)，其中MO(20a位置)為這四個(gè)信號(hào)輸入端的參考電壓0V，所以這四個(gè)位置的電壓最大為+9V或-9V。二是由系統(tǒng)電源供應(yīng)器或是在系統(tǒng)外部使用一電位計(jì)，各別供應(yīng)這四個(gè)信號(hào)的輸入端(12a、8a、10a 、10c)，其輸入控制信號(hào)范圍在+9V-9V之間。三是從16a及16c的位置輸入電壓，經(jīng)差值于大器(8)產(chǎn)生一差值電壓輸出當(dāng)控制信號(hào)，而16a位置之電壓為0V10V，16c位置的電壓為16a位置的參考電壓，這里特別要注意的是當(dāng)使用差值放大器做輸入控制信號(hào)時(shí)，16a與16c的信號(hào)線必須同時(shí)接上或拆除。 若控制信號(hào)輸入的方式為第一種時(shí)，要使這四個(gè)位置(12a、8a、10a 、10c)產(chǎn)生不同電壓的控制信號(hào)，可藉由R1R4的調(diào)變來(lái)獲得，若控制信號(hào)輸入的方式為第二種時(shí)，則R1R4可視為這四個(gè)輸入信號(hào)的各別阻抗，所以R1R4均被拿來(lái)當(dāng)做比例方向控制閥內(nèi)電磁線圈的限流器?？刂菩盘?hào)ub(0V9V)經(jīng)斜坡產(chǎn)生器(1)，對(duì)其輸入的控制(階梯電壓信號(hào))轉(zhuǎn)換后，得到一隨時(shí)間成比例變化的電壓uA(0V6V)輸出(Ramp信號(hào))，其主要目的是當(dāng)控制信號(hào)改變時(shí)，系統(tǒng)油壓壓力的變化能順著由斜坡產(chǎn)生器輸出之斜坡方向(Ramp)與控制信號(hào)成比例的變化。R8為一可變電阻，經(jīng)由R8的調(diào)整可改變Ramp