本發(fā)明涉及一種帶電子反饋的單路比例控制放大器，特別地，涉及一種比例放大器及其工作方法。

背景技術：

比例放大器是比例電磁閥的比例控制系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是對比例電磁閥提供特定性能的電流，使得比例電磁閥輸出的流量或者壓力成比例地受到控制的電子裝置。

現(xiàn)有技術的比例放大器存在結構設計復雜、線路板布局不合理、電子元器件散熱性能差、維修不便、存在安全隱患等諸多問題。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述比例放大器的技術問題，本發(fā)明提供一種比例放大器及其工作方法。

本發(fā)明提供的比例放大器包括印刷電路板和集成于所述印刷電路板且依次連接的輸入接口、信號處理電路、調(diào)節(jié)器、功率驅動模塊、測量放大模塊及為所述輸入接口、信號處理電路、調(diào)節(jié)器、功率驅動模塊、測量放大模塊供電的電源電路，所述信號處理電路包括初始電流設定模塊和斜坡調(diào)整模塊，所述測量放大模塊包括振蕩器和解調(diào)器。

優(yōu)選的，還包括和所述功率驅動模塊連接的比例電磁鐵及和所述測量放大模塊連接的位移傳感器。

優(yōu)選的，所述電源電路包括電容濾波器、串聯(lián)型穩(wěn)壓器和單-雙電源變換電路。

優(yōu)選的，所述輸入接口包括兩個設定值輸入接口、具有差分運放器的差分輸入口。

優(yōu)選的，所述調(diào)節(jié)器為PID調(diào)節(jié)器，P主要完成增益調(diào)節(jié)，I-微分調(diào)節(jié)主要輸出信號隨時間線形增長，D-積分調(diào)節(jié)主要起輸出信號能隨輸入的變化速率響應。

優(yōu)選的，所述功率驅動模塊包括運放下行遲滯比較器和兩支三極管組成的放大器，正弦振蕩信號經(jīng)下行遲滯比較器，變?yōu)轭l率可變的矩形波，該矩形波經(jīng)三極管放大器進行電流放大，用改變頻率的方式，調(diào)節(jié)輸出電壓/電流，來控制比例電磁鐵工作。

優(yōu)選的，所述測量放大模塊包括震蕩電路、解調(diào)器電路、及位移式傳感器。

優(yōu)選的，還包括故障監(jiān)測報警模塊，所述故障監(jiān)測報警模塊包括用于檢測電磁鐵驅動電纜和位移傳感器線纜并由運放器構成電平識別器及用三極管及LED指示燈組成報警電路。

優(yōu)選的，所述印刷電路板為100X160mm的單板，所述輸入接口的接口插件均置于電路板上，可與整機直接配雙排歐洲標準32線16針接插件接插使用。

本發(fā)明還提供了一種比例放大器的工作方法，應用上述的比例放大器，包括如下步驟:

將外部0～9V階躍控制信號經(jīng)所述輸入接口進入所述信號處理電路，階躍信號經(jīng)所述斜坡調(diào)整模塊調(diào)整后，送入所述調(diào)節(jié)器；

所述調(diào)節(jié)器具有激勵振蕩和PID控制作用，所述位移傳感器激勵源由所述測量放大模塊的正弦波振蕩器完成，所述振蕩器發(fā)出激勵信號激勵啟振，輸入的控制信號與位移反饋信號進行綜合處理，控制信號大小可以改變其振蕩頻率；

經(jīng)綜合調(diào)制的振蕩控制信號，進入所述功率驅動模塊的脈寬調(diào)制式功率放大電路進行電流放大，最后輸出比例電磁鐵；同時經(jīng)過解調(diào)器的解調(diào)電路輸出直流位移的實際測量信號。

相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供的比例放大器及其工作方法具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提供的比例放大器具有結構設計簡單、線路板布局合理、電子元器件散熱性能好、維修便捷、降低了安全隱患。

2、具有電源穩(wěn)態(tài)處理功能，把輸入的電源電壓(19～35V)轉變?yōu)椤?V；

3、控制信號具有設定值輸入(2路)和差分輸入(1路)兩種方式；

4、具有內(nèi)部、外部斜坡切換功能和斜坡切除功能；

5、上升和下降斜坡時間可獨立調(diào)整，調(diào)整范圍為0.03s～5s；

6、調(diào)制解調(diào)位移傳感器信號，輸出閥芯實際位移測量值；

7、采用脈寬調(diào)制(PWM)方式對控制信號進行功率電流放大，給電磁鐵提供驅動電流；

8、采集位移傳感器測量的閥芯位置信號，與輸入的控制信號，形成PID閉環(huán)控制；

9、具有電磁鐵和傳感器斷路檢測、指示報警功能；

10、具有輸出過流短路保護功能。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖，其中：

圖1是本發(fā)明提供的比例放大器的結構框圖；

圖2是圖1所示比例放大器的電路結構圖；

圖3是電源電路的結構圖；

圖4是輸入接口的電路結構圖；

圖5是信號處理電路的結構圖；

圖6是調(diào)節(jié)器的電路結構圖；

圖7是功率驅動模塊的電路結構圖；

圖8是測量放大模塊的電路結構圖；

圖9是故障監(jiān)測報警模塊的電路結構圖。

具體實施方式

下面將對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請結合參閱圖1和圖2，本發(fā)明公開一種比例放大器100包括印刷電路板和集成于所述印刷電路板且依次連接的輸入接口1、信號處理電路2、調(diào)節(jié)器3、功率驅動模塊4、測量放大模塊5及為所述輸入接口1、信號處理電路2、調(diào)節(jié)器3、功率驅動模塊4、測量放大模塊5供電的電源電路6。

所述信號處理電路2包括初始電流設定模塊21和斜坡調(diào)整模塊22，所述測量放大模塊5包括振蕩器51和解調(diào)器52。

所述比例放大器100還包括和所述功率驅動模塊4連接的比例電磁鐵7及和所述測量放大模塊5連接的位移傳感器8。

請參閱圖3，所述電源電路6包括電容濾波器、串聯(lián)型穩(wěn)壓器和單-雙電源變換電路。

所述電源電路6輸入24VDC，工作電壓范圍為19～35VDC，輸出±9VDc電壓源，由電位器P6調(diào)節(jié)正，負電壓值，二極管和熔斷器形成錯級保護和短路保護，輸出穩(wěn)定的±9VDC電壓。

請參閱圖4，所述輸入接口1包括兩個設定值輸入接口、具有差分運放器的差分輸入口。

具體的，兩個設定值輸入接口，基準電位一個為9VDC，另一個為6VDC，起指令值預選獲可變電壓的作用，可分為內(nèi)部指令值預選和外部指令值預選兩種方式；所述差分運放器負責比例放大器以外的控制信號的輸入。

請參閱圖5，所述信號處理電路2包括初始電流設定模塊21和斜坡調(diào)整模塊22，所述斜坡調(diào)整模塊對控制信號進行斜坡調(diào)制處理，為了避免輸入控制信號階躍變化引起執(zhí)行的突變。所述初始電流設定模塊21主要用于產(chǎn)生比例電磁鐵7的預激磁電流，使比例閥在設定值輸入時從起始位置迅速啟動。

具體的，所述斜坡調(diào)整模塊的斜坡發(fā)生器將輸入的階躍控制信號轉變成一個斜坡輸出信號，上升和下降的時間通過電位器P1，P2得到調(diào)節(jié)，其斜坡時間在0.03s～5s的范圍內(nèi)變化。電位器P5初始電流設定。

請參閱圖6，所述調(diào)節(jié)器3是電反饋比例放大器中的一個組成單元，其功能為改善反饋閉環(huán)控制比例閥的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)品質；使控制比例閥達到一定的控制精度；對干擾有抑制作用，是動態(tài)性得到提高。

所述調(diào)節(jié)器3為PID調(diào)節(jié)器，P主要完成增益調(diào)節(jié)，I-微分調(diào)節(jié)主要輸出信號隨時間線形增長，D-積分調(diào)節(jié)主要起輸出信號能隨輸入的變化速率響應。

上述電路結構同時也是一個壓-頻振蕩電路，改變輸入直流信號大小，則輸出的正弦振蕩頻率隨之改變。

斜坡發(fā)生器的輸出信號作為設定信號傳輸給PID調(diào)節(jié)器，與反饋(位移)信號進行綜合，構成一個閉環(huán)控制回路。

所述功率驅動模塊4用于改變脈沖寬度方式來調(diào)節(jié)輸出電壓/電流。所述PID調(diào)節(jié)器根據(jù)設定值和實際偏差的大小傳給所述振蕩器51輸入端，最后由所述功率驅動模塊4的功率放大器輸出的電流來控制電磁鐵。由于電感作用，使線圈上的電流變?yōu)樾》鶎挸浞烹姱B加的交流信號的直流信號，起到顫振作用(消除電磁鐵的摩擦、滯環(huán))，因此脈寬調(diào)制頻率也是顫振頻率，省去專門的顫振電路。

所述功率驅動模塊4的電路由一個運放下行遲滯比較器和兩支三極管組成的放大器組成。正弦振蕩信號經(jīng)下行遲滯比較器，變?yōu)轭l率可變的矩形波，該矩形波經(jīng)三極管放大器進行電流放大。用改變頻率的方式，調(diào)節(jié)輸出電壓/電流，來控制電磁鐵工作。R11采集電流負反饋實現(xiàn)輸出短路過流保護。

請參閱圖8，所述測量放大模塊5包括震蕩電路、解調(diào)器電路、及位移式傳感器。

具體的，由8038振蕩器51產(chǎn)生2.5KHz頻率的正弦信號，輸入位移傳感器8的初級線圈，該位移信號由感應線圈次級輸出，輸出幅度由電位器P4調(diào)節(jié)。因為輸出的信號是一個交變信號，控制電路需要的是一個直流信號，解調(diào)電路將交變信號變?yōu)橹绷餍盘枴ｌ`敏度由電位器P3調(diào)節(jié)，解調(diào)后的脈動直流脈動信號送入PID調(diào)節(jié)器電路與設定控制信號形成閉環(huán)控制回路。

振蕩電路用8038函數(shù)器構成。解調(diào)器電路由場效應管等分立元件構成。

請參閱圖9，還包括故障監(jiān)測報警模塊，所述故障監(jiān)測報警模塊包括用于檢測電磁鐵驅動電纜和位移傳感器8線纜并由運放器構成電平識別器及用三極管及LED指示燈組成報警電路；故障識別器電路隨時檢測電磁鐵驅動電纜和位移傳感器8的線纜，一旦發(fā)生斷裂或過載，電平識別電路輸出一個電信號使LED報警燈亮。該電路由運放器構成電平識別器，以完成對故障的檢測，用三極管及LED指示燈組成報警電路。

在本實施例中，所述印刷電路板為100X160mm的單板，所述輸入接口1的接口插件均置于電路板上，可與整機直接配雙排歐洲標準32線16針接插件接插使用。

比例放大器的主要研制指標如下：

比例放大板采用板卡式結構

環(huán)境條件：

a.溫度

產(chǎn)品應在0～50℃溫度范圍內(nèi)正常工作；

b.濕度

產(chǎn)品應能在相對濕度≤95％(+25℃)的環(huán)境中正常工作；

保險絲：

保險絲設定電流為2.5A；

供電電壓：

直流24VDC，上限值35V，下限值19V

功率消耗＜45VA；

比例放大板在不帶載情況下的電流不大于60mA；

控制信號：

a.設定值輸入1：0～9V

b.設定值輸入2：0～6V

c.差分輸入：0～10V

外部斜坡切斷信號：

8.5V～24VDC能切斷繼電器斜坡，繼電器輸入阻抗Ri＞100KΩ

斜坡調(diào)整時間：

斜坡調(diào)整時間范圍為：0.03～5S

非線形：

輸入信號對位移輸出信號的非線性＜2％；

輸出驅動電流：

最大驅動電流1.8A±20％(負載電阻5.4Ω)；

VT5003最大驅動電流2.2A±20％(負載電阻10Ω)；

位移傳感器激勵信號：

2.5KHz±20％的正弦波，其波形是失真度不大于2％，電壓有效值不大5V。

閥芯實際位置信號：0～-6V；

溫漂：

對零點位移量輸出＜0.05％/℃；

接口要求：

放大板通過雙排歐洲標準32線(5.08×5.08mm)16針接插件與外部設備連接符合DIN41 612，D形，其中：

控制信號輸入接口：

9V設定值輸入:26c

6V設定值輸入:24a

差分輸入：24c(基準電壓)和22a(10V)

電源輸入接口：6ac(24V)和10ac(0V)

斜坡切斷:28a

外部斜坡:30c和32c

設定值輸出:28c

實際值輸出:32a

傳感器接口：22c、20c和14c

電磁鐵接口:2ac和4ac

結構設計：采用外部標準整板設計符合DIN41 494，印制板尺寸100X160mm，外部可配安裝支架。

所述比例放大器為VT5001比例放大器，作為比例閥的核心控制元件，其可靠性直接關系到采用比例閥作為控制元件的液壓系統(tǒng)可靠性。為滿足產(chǎn)品可靠性要求，設計中采取以下措施：

線路板的布局

根據(jù)電路功能和器件特點，將線路板按照模塊布局；大功率器件周圍盡量少布線和放置器件；將與外部設備連接的信號集中在16針雙排插座，保證信號的可靠傳輸；在有限的線路板面積上，盡可能的繪制較粗的信號走線；

電子元器件

VT5001比例放大器中采用的電子元器件均符合工業(yè)等級；大功率器件加裝散熱片；

維修性設計

比例放大器與外部設備通過雙排歐洲標準32線16針接插件連接，更換維修方便。

安全性設計

VT5001比例放大器與4WRE6型比例方向閥的電磁鐵通過兩根引線相連，放大器本身具有電磁鐵和傳感器斷路檢測和報警功能，能夠保證比例閥的正常工作。

電磁兼容性設計

VT5001比例放大器設計時，選用抗干擾能力強的電氣元件，滿足產(chǎn)品電磁兼容性要求。VT5001比例放大器作為比例閥的核心控制元件，其可靠性直接關系到采用比例閥作為控制元件的液壓系統(tǒng)可靠性。為滿足產(chǎn)品可靠性要求，設計中采取以下措施：

本發(fā)明還公開了一種比例放大器的工作方法，應用上述的比例放大器，包括如下步驟:

將外部0～9V階躍控制信號經(jīng)所述輸入接口1進入所述信號處理電路2，階躍信號經(jīng)所述斜坡調(diào)整模塊調(diào)整后，送入所述調(diào)節(jié)器；

所述調(diào)節(jié)器具有激勵振蕩和PID控制作用，所述位移傳感器8激勵源由所述測量放大模塊5的正弦波振蕩器51完成，所述振蕩器51發(fā)出激勵信號激勵啟振，輸入的控制信號與位移反饋信號進行綜合處理，控制信號大小可以改變其振蕩頻率；

經(jīng)綜合調(diào)制的振蕩控制信號，進入所述功率驅動模塊4的脈寬調(diào)制式功率放大電路進行電流放大，最后輸出比例電磁鐵7；同時經(jīng)過解調(diào)器52的解調(diào)電路輸出直流位移的實際測量信號。

相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供的比例放大器及其工作方法具有以下有益效果：

1、具有電源穩(wěn)態(tài)處理功能，把輸入的電源電壓(19～35V)轉變?yōu)椤?V；

2、控制信號具有設定值輸入(2路)和差分輸入(1路)兩種方式；

3、具有內(nèi)部、外部斜坡切換功能和斜坡切除功能；

4、上升和下降斜坡時間可獨立調(diào)整，調(diào)整范圍為0.03s～5s；

5、調(diào)制解調(diào)位移傳感器信號，輸出閥芯實際位移測量值；

6、采用脈寬調(diào)制(PWM)方式對控制信號進行功率電流放大，給電磁鐵提供驅動電流；

7、采集位移傳感器測量的閥芯位置信號，與輸入的控制信號，形成PID閉環(huán)控制；

8、具有電磁鐵和傳感器斷路檢測、指示報警功能；

9、具有輸出過流短路保護功能。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書內(nèi)容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍之內(nèi)。