二自由度電液比例控制系統(tǒng)開發(fā)

王海鵬 劉少軍 王金寶

某工程機械，為了通過剛性牽引裝置和連接裝置，實現(xiàn)與損傷車輛的快速連接，完成牽引作業(yè)，在機械的尾部加增了一套剛性牽引裝置，牽引裝置的剛性牽引桿通過液壓馬達和液壓油缸來控制，實現(xiàn)其上、下、左、右運動。液壓油缸和液壓馬達采用通過電液比例控制系統(tǒng)進行控制，從而實現(xiàn)控制的精確性和操作的簡單性。

剛性牽引裝置的組成

液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)按功能分為二自由度控制手柄、電液控制子系統(tǒng)等部分。其工作原理：操縱人員處于安全處，通過操縱二自由度控制手柄來控制操作工作現(xiàn)場的剛性牽引桿，操縱者用手直接操縱控制手柄，使剛性牽引桿與被牽引目標接近，再調(diào)整液壓缸的位置和姿態(tài)，使剛性牽引裝置與被牽引車輛的牽引部位準確對接。

一、電液控制系統(tǒng)設(shè)計

每一只剛性牽引桿由一支液壓缸和一個液壓馬達控制，均采用電液比例方向閥控制，根據(jù)輸入信號大小不同，來控制比例方向閥輸出油液流動方向和流量大小，從而控制液壓絞盤馬達的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，液壓缸伸縮方向和速度。

液壓控制系統(tǒng)應(yīng)保證剛性牽引桿在一定的運動范圍內(nèi)實現(xiàn)水平擺動、垂直俯仰動作。采用三位四通電液比例方向閥控制提升馬達、水平擺動缸，使得剛性牽引桿能夠?qū)崿F(xiàn)二個自由度的動作。

二、電液比例方向閥

本系統(tǒng)中電液比例方向閥采用三位四通的帶閥芯位置反饋的直動式比例方向閥，它通過比例電磁鐵直接推動閥芯左右移動來工作的。此閥的比例電磁鐵帶有直線型差動變壓器式位移傳感器，傳感器的動鐵心與電磁鐵的銜鐵機械固連。其工作過程如下：輸入控制信號，電磁鐵受到激勵，閥芯移動相應(yīng)的距離，同時也帶動位移傳感器的鐵心離開平衡位置。于是，位移傳感器感應(yīng)出一個位置信號，并反饋到比例控制器。輸入信號與實際值（反饋信號）比較，并產(chǎn)生一個差值控制信號，糾正任何實際輸出值對給定值的偏差，最后得到準確的位置。由于有閥芯位置反饋，它的控制精度較無位置反饋的要高。

三、電液比例控制器設(shè)計

1.電液比例控制原理

比例方向閥及其控制器是電液控制子系統(tǒng)的核心，由它實現(xiàn)對液壓缸的速度控制和換向控制，其電液比例閥控制原理如下圖。

比例方向閥的開口面積可以從零到最大變化，它根據(jù)控制電流的大小連續(xù)地控制閥口開度，輸出相應(yīng)的流量，達到最佳的控制效果。系統(tǒng)中控制信號一般為弱電流信號，因此需電液比例控制器來進行處理。通過電液比例控制器能夠及時地產(chǎn)生正確有效的控制信號。為了使剛性牽引裝置實現(xiàn)規(guī)定動作，電液比例液壓系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)期的控制功能，必須對比例方向閥進行正確的控制，對電液比例控制器的要求是：能及時地產(chǎn)生正確有效的控制信號。及時地產(chǎn)生正確有效的控制信號意味著除了有產(chǎn)生信號的裝置外，還必須要有正確無誤的邏輯控制和信號處理裝置。正確有效的控制信號意味著信號的幅值和波形都應(yīng)滿足比例閥的要求，與電-機械轉(zhuǎn)換裝置相匹配。

電液比例放大器總體框圖

2.電液比例控制器

因此，電液比例控制器是一個能夠?qū)θ蹼娍刂菩盘栠M行整形、運算和功率放大的電子控制裝置。根據(jù)控制要求，該放大器主要包括斜坡信號發(fā)生器、PID調(diào)節(jié)器、傳感器驅(qū)動電路、斷路檢測器、功率放大器、信號處理電路、閥芯快跳電路、電源等。

（1）斜坡信號發(fā)生器

斜坡信號主要由發(fā)生器積分電路等組成，用于控制信號的上升變化和下降變化的速度。其電路原理如圖所示。通過斜坡時間的設(shè)定，調(diào)整負載的加速、減速時間。使負載以可調(diào)的速率無沖擊的啟動、轉(zhuǎn)換、停止，提高生產(chǎn)率。

（2）位移傳感器驅(qū)動電路

比例電磁鐵的位移傳感器是電感式位移傳感器，需有振蕩電路對傳感器線圈提供穩(wěn)定的載波電壓。振蕩器產(chǎn)生一定頻率和幅值的信號激勵比例電磁鐵的位移傳感器，位移傳感器的鐵芯與閥芯同步運動，當(dāng)鐵芯偏離中心位置時，線圈兩端感應(yīng)出與鐵芯偏移量成正比的電壓信號，送回電液比例控制器，經(jīng)解調(diào)和匹配放大變成與輸入給定可比較的直流電壓信號。

（3）斷路檢測電路

為了確保系統(tǒng)安全，必須提高反饋通道的可靠性，因此在本放大器中設(shè)計了傳感器斷線檢測電路。因為在很多情況下，傳感器斷路會造成反饋值為零，導(dǎo)致過大的偏差信號，從而引起電液比例控制器太大的輸出值，因此它是一個安全保護電路。

（4）PID調(diào)節(jié)器

為了優(yōu)化比例閥的性能，本放大器專門設(shè)計了PID調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器由比例積分器、比例微分器組成。其主要任務(wù)是當(dāng)給定值發(fā)生變化時，調(diào)節(jié)控制對象的實際值與新的輸入值相對應(yīng)，消除或減小干擾量對調(diào)節(jié)量的影響。若出現(xiàn)任何偏差，PID調(diào)節(jié)器都會產(chǎn)生一個糾偏信號給輸出功率放大部分，向電磁鐵發(fā)出控制信號，使閥芯保持在準確的位置上。

（5）功率放大器

功率放大器的作用是對各種控制信號進行綜合和放大，向電—機械轉(zhuǎn)換裝置提供足夠大的驅(qū)動電流。

（6）穩(wěn)路電源

電液比例控制器的內(nèi)部電路中需要穩(wěn)定的+12V電壓，因此必須設(shè)計穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的功能是對蓄電池提供的直流電壓作進一步的平滑濾波后，一部分供功放器作功率放大，另一部分經(jīng)穩(wěn)壓后分離出正負電壓源供內(nèi)部運放電路使用。

（7）閥芯快跳電路

由于比例閥的節(jié)流邊有約為20%的覆蓋量，通常正反兩個方向均有死區(qū)存在，且其大小不同。為了提高控制質(zhì)量，需設(shè)法消除死區(qū)。本項目采用階躍信號使閥芯產(chǎn)生快跳，迅速越過死區(qū)。

（8）實際值處理電路

由于電液比例控制器大閉環(huán)反饋回路中，采用的是電感式位移傳感器，送回的信號是一定幅值的正弦波，而控制電磁鐵采用的是直流電壓，所以不能直接參于控制，必須將其轉(zhuǎn)換為直流。電路原理圖如11所示。

該控制系統(tǒng)能夠較好的實現(xiàn)對剛性牽引裝置的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)剛性牽引架的仰俯、水平擺動控制，控制精度達到誤差小于5mm，較好的實現(xiàn)了預(yù)定功能。