專利名稱：三級(jí)電液伺服閥控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及三級(jí)電液伺服閥的控制技術(shù)，具體涉及一種三級(jí)電液伺服閥控制器。
(二) 技術(shù)背景
在冗余驅(qū)動(dòng)液壓振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)、多點(diǎn)多通道協(xié)調(diào)加載試驗(yàn)系統(tǒng)和道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)等大 型力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)裝備中，對(duì)伺服激振系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)一致性有較高的要求，特別是在100Hz左右 頻率范圍內(nèi)的幅值和相位一致性對(duì)試驗(yàn)裝備的特性有非常關(guān)鍵的作用。電液伺服閥作為伺服 激振器驅(qū)動(dòng)元件，其動(dòng)態(tài)特性對(duì)伺服激振系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有著非常重要的影響，而三級(jí)伺服 閥控制器是調(diào)整伺服閥動(dòng)態(tài)特性，使各個(gè)伺服激振系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性趨于一致的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。
傳統(tǒng)的三級(jí)電液伺服閥在出廠時(shí)動(dòng)態(tài)特性已經(jīng)基本確定，而且在70Hz后一致性通常有 比較大的差別，從而降低了某些試驗(yàn)裝備在高頻段的均勻度、橫向比和波形失真度等技術(shù)指 標(biāo)。因此，研究三級(jí)電液伺服閥的控制技術(shù)，提高伺服激振系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)一致性是實(shí)現(xiàn)高精度 力學(xué)環(huán)境模擬的重要技術(shù)手段。
(三) 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種通過調(diào)整控制參數(shù)完成對(duì)三級(jí)伺服閥幅頻特性和相頻特 性的調(diào)整，提高三級(jí)電液伺服閥頻寬，并解決多個(gè)伺服閥高頻動(dòng)態(tài)特性一致性問題的三級(jí)電 液伺服閥控制器。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括I/V轉(zhuǎn)換單元、前饋控制器、比例控制器、伺 服驅(qū)動(dòng)器、伺服閥、調(diào)制解調(diào)器、信號(hào)調(diào)理器、速度控制器、速度反饋增益、震顫信號(hào)和V/1 轉(zhuǎn)換單元，1/V轉(zhuǎn)換單元、前饋控制器、比例控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服閥、調(diào)制解調(diào)器和信 號(hào)調(diào)理器依次連接，信號(hào)調(diào)理器的輸出分別連接速度控制器、比例控制器和V/I轉(zhuǎn)換單元， 速度控制器連接速度反饋增益，速度反饋增益和震顫信號(hào)連接伺服驅(qū)動(dòng)器。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種具有速度反饋控制器和前饋控制器的三級(jí)電液伺服閥控制器，根 據(jù)系統(tǒng)頻率特性的需求，通過調(diào)整控制參數(shù)設(shè)置完成對(duì)三級(jí)電液伺服閥幅頻特性和相頻特性 的調(diào)整，解決多個(gè)伺服閥高頻動(dòng)態(tài)特性一致性問題。同時(shí)，本實(shí)用新型采用速度反饋控制器 和前饋控制器，拓展了三級(jí)電液伺服閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻寬。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，體積小， 參數(shù)調(diào)節(jié)方便，能顯著提高三級(jí)電液伺服閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻寬。


圖1為本實(shí)用新型的組成原理圖； 圖2為具體實(shí)施方式
的前饋控制器電路原理圖；圖3為速度反饋控制器原理圖； 圖4為比例控制器原理圖； 圖5為功率放大器原理圖。 具體實(shí)施方式
下而結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明
1、 伺服閥控制器組成
結(jié)合圖l，本實(shí)用新型包括I/V轉(zhuǎn)換單元、前饋控制器、比例控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服 閥、調(diào)制解調(diào)器、信號(hào)調(diào)理器、速度控制器、速度反饋增益、震顫信號(hào)和V/I轉(zhuǎn)換單元，I/V 轉(zhuǎn)換單元、前饋控制器、比例控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服閥，調(diào)制解調(diào)器和信號(hào)調(diào)理器依次 連接，信號(hào)調(diào)理器的輸出分別連接速度控制器、比例控制器和V/I轉(zhuǎn)換單元，速度控制器連 接速度反饋增益，速度反饋增益和震顫信號(hào)連接伺服驅(qū)動(dòng)器。
伺服閥的位置給定信號(hào)經(jīng)前饋控制器得到一階前饋環(huán)節(jié)，作為伺服閥閥芯位置控制的指 令信號(hào)；該指令信號(hào)與經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器調(diào)理后的位置反饋信號(hào)作差得到偏差信號(hào)；通過比例 控制器對(duì)誤差進(jìn)行放大后再與速度反饋控制器輸出信號(hào)作差，得到伺服閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；此驅(qū) 動(dòng)信號(hào)經(jīng)伺服放大器變換為伺服閥的電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服閥的閥芯動(dòng)作，完成伺服閥的 位置閉環(huán)控制。其主要由以下幾個(gè)部分組成
信號(hào)的輸入和甜饋控制器，將計(jì)算機(jī)輸出的士10mA電流形式指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為士10V電壓 信號(hào)，再經(jīng)前饋控制器調(diào)整后，輸出閥控器的指令信號(hào)。其中，前饋為一階前饋控制環(huán)節(jié)， 通過調(diào)整前饋控制器拐點(diǎn)頻率進(jìn)一步提高伺服閥的頻寬；
位置閉環(huán)單元，伺服閥閥芯位移信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后形成標(biāo)準(zhǔn)的土10V信號(hào)后，作為伺服闊的 位置閉環(huán)控制的反饋信號(hào)，與指令信號(hào)做差；
速度反饋控制器和比例控制器，速度反饋控制器是閥控器的重要組成部分，通過調(diào)節(jié)速 度反饋增益和比例控制器增益可以大大提高伺服閥的頻寬；
伺服閥驅(qū)動(dòng)單元，經(jīng)上述控制器調(diào)整后，產(chǎn)生伺服閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換為 ±40mA的功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服閥動(dòng)作。此外，為了消除摩擦力等非線性因素的影響，在 伺服驅(qū)動(dòng)信號(hào)中加入了高頻抖振信號(hào)，其頻率和幅值可調(diào)；
閥芯位移輸出單元，伺服閥閥芯位移信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后形成標(biāo)準(zhǔn)的ilOV信號(hào)后， 一方面作 為伺服閥的位置閉環(huán)控制，另一方面經(jīng)過電壓-電流轉(zhuǎn)換后輸出給計(jì)算機(jī)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
2、 控制器的實(shí)現(xiàn) (1)前饋控制器
前饋控制器用十提高系統(tǒng)的頻寬。在閥控器電路中，前饋控制器為一階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為
2x3.14x318 +
2x3.14x318 (1)
前饋控制器原理如圖2所示?？刂朴?jì)算機(jī)輸出的士10mA指令信號(hào)經(jīng)過一個(gè)射極跟隨器和 2倍放大后，得到電壓范圍為ilOV的位置給定信號(hào)(-Dref)。
位置給定信號(hào)經(jīng)過一階狀態(tài)濾波器后，得到一階慣性環(huán)節(jié)輸出(-Dr):
I
S +1x3.14x318
(2)
和一個(gè)微分環(huán)節(jié)(-Vr):
2x3.14x318
~_5^ + 1
2x3.14x318 (3)
兩個(gè)環(huán)節(jié)之和即為公式1的表達(dá)式。
其中，公式3中的K改變前饋控制器的轉(zhuǎn)折頻率，通過調(diào)節(jié)U3B運(yùn)算放大器旁的電位器 R29實(shí)現(xiàn)增益調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)K值。此外，前饋控制器還具有位置給定輸出端(-Dref)，用于位 置內(nèi)環(huán)控制參數(shù)調(diào)試過程中使用。 (2)速度反饋控制器
速度反饋控制器用于提高系統(tǒng)的阻尼。速度反饋控制器原理如圖3所示。伺服閥的閥芯 位移反饋信號(hào)為MOOG的N123-134LVDT信號(hào)調(diào)理器輸出的名義值為士10V信號(hào)。為了使控 制信號(hào)歸一化，首先將LVDT信號(hào)調(diào)理器輸出進(jìn)行調(diào)零和放大處理，得到標(biāo)準(zhǔn)的士10V位置反 饋信號(hào)(+Df);
位置反饋信號(hào)經(jīng)過微分環(huán)節(jié)后，得到速度反饋信號(hào)(-KVf)，調(diào)節(jié)R17電位器的阻值改變 速度反饋的增益；
另外，位置反饋信號(hào)經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路，將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為士10mA信號(hào)，遠(yuǎn)傳至伺服控制 計(jì)算機(jī)，用干對(duì)伺服閥的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。
位置微分環(huán)節(jié)是速度反饋控制器的關(guān)鍵部分，微分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為 0.007s 1
a.2 2x0.67s ,
-+ 1 ----- , +------+ 1
(2;rx 2766)22;rx2766 (2;rxl073)2 2;rxl073
(4)根據(jù)公式4所對(duì)應(yīng)的圖3中位置微分部分應(yīng)用電路。 (3)比例控制器
比例控制器用于提高系統(tǒng)頻寬，原理如圖4所示。 給定信號(hào)與反饋信號(hào)經(jīng)過位置比較器后得到位置偏差信號(hào)；
由比例控制器調(diào)整系統(tǒng)的電氣增益，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，達(dá)到提高系統(tǒng)頻寬。比例增 益的調(diào)整通過調(diào)節(jié)R45電位器阻值，達(dá)到增益調(diào)整的目的。 3、功率放大器
功率放大器為伺服閥的功率驅(qū)動(dòng)級(jí)。通用高響應(yīng)二級(jí)閥的單個(gè)線圈的電氣特性為40mA， 80Q。因此，考慮兩個(gè)線圈并聯(lián)工作時(shí)，功率放大器的負(fù)載特性為40mA， 40Q。按照此特 性，功率放大器的原理如圖5所示。
功率放大器的輸入為比例控制器和抖振信號(hào)發(fā)生器的輸出；
電流負(fù)反饋恒流源輸出； 士10V電壓輸入，額定輸出電流為士40mA;
通過限流電阻，最大輸出電流為i50mA;采用OPA547功率型運(yùn)算放大器。
權(quán)利要求1、一種三級(jí)電液伺服閥控制器，其特征在于它包括I/V轉(zhuǎn)換單元、前饋控制器、比例控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服閥、調(diào)制解調(diào)器、信號(hào)調(diào)理器、速度控制器、速度反饋增益、震顫信號(hào)和V/I轉(zhuǎn)換單元，I/V轉(zhuǎn)換單元、前饋控制器、比例控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服閥、調(diào)制解調(diào)器和信號(hào)調(diào)理器依次連接，信號(hào)調(diào)理器的輸出分別連接速度控制器、比例控制器和V/I轉(zhuǎn)換單元，速度控制器連接速度反饋增益，速度反饋增益和震顫信號(hào)連接伺服驅(qū)動(dòng)器。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種三級(jí)電液伺服閥控制器。它包括I/V轉(zhuǎn)換單元、前饋控制器、比例控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服閥、調(diào)制解調(diào)器、信號(hào)調(diào)理器、速度控制器、速度反饋增益、震顫信號(hào)和V/I轉(zhuǎn)換單元，I/V轉(zhuǎn)換單元、前饋控制器、比例控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服閥、調(diào)制解調(diào)器和信號(hào)調(diào)理器依次連接，信號(hào)調(diào)理器的輸出分別連接速度控制器、比例控制器和V/I轉(zhuǎn)換單元，速度控制器連接速度反饋增益，速度反饋增益和震顫信號(hào)連接伺服驅(qū)動(dòng)器。本實(shí)用新型采用速度反饋控制器和前饋控制器，拓展了三級(jí)電液伺服閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻寬。
文檔編號(hào)F15B13/02GK201377473SQ20092009901
公開日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月23日
發(fā)明者叢大成, 劉小初, 葉正茂, 韓俊偉 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)