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1、电液伺服控制器的电路设计及精度研究李永建王少萍摘要：本文针对目前电液伺服控制器中电液伺服阀显示电路影响其驱动电路设计的问题，提出了用电流式模拟表头加继电器方法，代替了采样电路加电压式模拟表头，改善了线性度和精度；针对一般的传感器调理电路增益调节范围小，线性度不好的问题，本文采用了一种新的电路增加了放大倍数和改善了线性度；本文还介绍了一种根据实际情况把电位计和固定电阻结合的方法，提高了电位计在电路中的精度。关 键 词：电液伺服阀 驱动电路调理电路精度The circuit design of electro-hydraulic servo controller and Accuracy rese
2、archAbstract: This paper aimed at issue of electro-hydraulic servo controller servo valve display circuit affecting their driving circuit at present, using Current analog Head and Relay , insteading of sampling circuit and voltage analog Head, improved the linearity and precision ； Gain adjustment o
3、f the sensor conditioning circuits aimed at the general scope of the small, poor linearity. In this paper, a new amplifier circuit to increase and improve the linearity ; It also introduces a method according to the actual situation to put a fixed resistance combination of potentiometer,and it impro
4、ved the accuracy of circuit.Key words: electro-hydraulic Servo Valve ; Driving Circuit ; Conditioning circuit Accuracy近年来电液伺服控制技术的发展非常迅案。速，覆盖从民用机械到精确打击武器等关键国民经济领域。作为辅助设备一一电液伺服控制1电液伺服控制器概述器的应用的场合也越来越多。但传统的电液伺 服控制器中的电液伺服阀显示电路通过采用电 阻把电液伺服阀电流转换为电压去显示，由于 采样电阻串联在电液伺服阀驱动电路中，造成 了驱动电路的非线性，也影响了显示精度；本 文用继电器作为选
5、择电路，把电流式模拟表头 引入驱动电路中直接测量电液伺服阀电流，提 高了显示的线性度和精度；本文还针对电液伺 服控制器中传感器调理电路中增益调节范围 小，线性度不好的问题，提出了可行的解决方作者简介：李永建（1977-）,男，北京航空航天大学自动化科学与电器工程学院硕士生 Email : 王少萍，女，北京航空航天大学自动化科学与电器工程学院博士生导师力矩传感器 ,调理电路电液简服控制器Daw Ba WDD4路伺服阀伺服驱动电路标准输出A/D串口A/DD/A标准输入器处理电路图1电液伺服控制器原理示意图由图1可以看出，电液伺服控制器的主要 功能是将电液控制系统的力矩信号和角位置信 号进行调理送入
6、计算机的A/D,同时将计算机D/A输出的控制信号(伺服阀控制信号)进行转 换和放大，去驱动伺服阀按要求运动。本系统 的特点是：(1)力矩传感器感受的力矩信号比较微弱，输出信号为mva,经过传输线后 进入调理电路引入很大干扰，故除了 对其功率放大和调零外，另加入滤波 电路；(2)为了保证电液伺服控制器的可扩展 性，还设计了标准输入和标准输出接 口；(3)配置了显示仪表以实现实时监测电液 伺服系统工作情况的目的。现将以电液伺服阀 FF102驱动放大电路、显示电路及位移传感器调理电路为例讨论其设 计方法及如何提高电路精度线性度方面的问 题。2电液伺服阀驱动显示电路的设计2.1 电液伺服阀驱动电路设计
7、驱动模块是电液伺服阀驱动电路的核心，它由第一级仪表运算放大器AD622AN和第二级功率运算放大器LH0041组成。电液伺服阀驱动 电路的要求在 D/A1端加-10V10V的电压，A B 端(接电液伺服阀) 输出-40mA40mA的电流信 号。第一级AD622ANB大电路在后面将论述，下面先讨论一下第二级功率运算放大器LH0041的使用原理。图 2为电液伺服阀驱动电路图。图2电液伺服阀驱动电路图用Is表示流经电液伺服阀控制线圈的 电流，从图中容易得出：IRST IRS101 IRS102R S101UD/A1R S102(2)其中:I s I R ST 11 R S107又:IR S101UR
8、S107IRS107R S107电液伺服阀作为驱动的负载，其线圈具有电感 而非纯电阻阻抗，所以流过线圈的电流将不与 加在其两端的电压，即放大器的输出电压成正 比。为了使控制电流正比于输入电压，采用电 阻R-S107与电液伺服阀控制线圈串联，并将其 上电压与经过电阻 R-ST1反馈到放大器输入端， 因为反馈电压是由电流产生的，故为电流负反 馈。可得:Is (ATI 1用工 AM (4) R S107 R S101 R S102由式(4)可以看出，流经电液伺服阀控制线圈的电流Is正比与输入电压Ud/a1和调零电压U ST1的综合值，U ST1连接面板上的调 零旋钮，即可实现电气调零。放大器的电流
9、增益可由电位器 R-ST1调节，事实上由于电 阻R-S107的大小远远小于 R-ST1,流经电阻 R-S107的电流可以忽略。2.2 电压式电液伺服阀显示电路设计楼司板违泰用丁调揩输出电泳C-St?-S102IR-SLO11ADF工工.Ml比王指令林入 -图3电液伺服阀驱动及显示电路图在图3显示电路中，为了测量电液伺服阀 的电流，在电液伺服阀回路路中串联一个采 样电阻R-S15,把电流转换成电压，然后经 仪表放大器AD622AN鬲离，再经过高精度运 算放大器OPA277比例放大后送到电压式模 拟表头显示；一个模拟表头需要显示两路电 液伺服阀电流，所以CX1接通道选择电路(此 通道选择电路比较简
10、单，只要一个模拟开关电液伺服阀二的驱动电路和显示电路与电液伺服阀一电路类似，其电压输出CX2也接通道选择电路；最后再接电压式模拟表 头来显示。采用上述的驱动电路和显示电路，得 到的电液伺服阀输入电压和输出电流数据 如表1所示。4052即可，电路略去)后再接电压式模拟表表1电液伺服阀驱动电路输入输出数据V-10-9-8-6-5-4-1014568910mA40363224201640.1-3.9-15.8-19.8-23.8-31.8-35.7-39.7通过观察上表中的数据发现，在输入的驱动电压在010V电压期间，输出电流没 有与输入的驱动电压保持严格的线性关系。从图3可以看出显示电路中加入采样
11、电阻增加了驱动电路的输出阻抗，这样会对驱动电路线性度产生了影响；此外，在图 3 中在通过采样电阻R-S15把电液伺服阀电流 转换电压并放大过程中，首先由于采样电阻，一般其精度选为 1%。，所以在采样电阻 上产生了 1 %。的精度损失，其次在通过运算 放大器OPA277的比例放大过程中，在运算 放大器上也存在了精度的损失。为了减少显示电路不必要的精度损失 和改善驱动电路的线性度，可采用电流式显 示电路。2.3 电流式电液伺服阀电流显示电路电流式模拟表头电路与电压式模拟表 头显示电路的不同，它不需要采样电阻和隔 离放大电路，而是直接在把电流式模拟表头 串联在电路中，在采样电阻的位置换上电流 式模拟
12、表头。要用一个模拟表头显示两路电液伺服 阀的电流，也需要加入了通道选择电路；通 道选择电路的功能是：当测量电液伺服阀的 电流以电流式模拟表头串联在电液伺图3电液伺服阀驱动及显示电路图服阀的电路中，电 液伺服阀二的相应部分短接；同理要测量电 液伺服阀二的电流时把电流式模拟表头串 联在电液伺服阀电路中，电液伺服阀的相 应部分短接。实现此功能的通道选择电路如图3,K1,K2, K3, K4为同一继电器的4个双置开关， 当K1打到1, K2打到3, K3打到5, K4打 到7时，电流式模拟表头测量电液伺服阀一 的电流，电液伺服阀二相应测量部分为短 接。图4通道选择电路图用上述电路得到的输入电压和输出电
13、流的实验数据如表 2所示。表2电液伺服阀驱动电路输入输出数据V-10-9-8-6-5-4-1014568910mA40363224201640-4-16-20-24-32-36-40从表2可见，采用电流式模拟表头的显 示电路使输入驱动电压与电液伺服阀输出 电流保持了比例关系， 提高了显示电液伺服 阀电流的精度和线性度。从表1和表2比较可以看出两种显布电 路造成的电液伺服阀显示精度和线性度不 同。3传感器调理电路设计3.1 传感器调理电路原理及电路设计一般位移传感器数据都不能直接用来 显示，需要通过调理电路才能显示。下面介 绍位移传感器的调理电路原理：已知位移传 感器在75mm时输出电压为 5V
14、,为了直观， 现在让位移传感器在 75mm时，电压式模拟 表头的显示为 75,表示位移为75mm要电 压式模拟表头的显示 75,只要输入电压式模 拟表头的电压为7.5V ,然后把电压式模拟表 头的小数点后移一位，电压式模拟表头就显 示75;又由于位移传感器的输出和测量位移 是线性的，所以只需要将传感器输出放大 7.5/5=1.5倍即可，这就是调理电路的原理。现有两种方法可实现此调理电路：传统的方法用运算放大器OPA277的负反馈电路来实现，其电路如5所示。图5运算放大器负负反馈电路图对运算放大器有：（1）同相输入端与反相输入端的电位相等，但不是短路。我们把满足 这个条件称为虚短；理想运放的输入
15、电阻 为8,因此集成运放输入端不取电流。因为：U U 0,1 I 0,所以：人丁二% =-。勺=-2从上式我们可以看出：5与U i是比例关系，改变比例系数Rf/R,即可改变Uo的 数值；负号表示输出电压与输入电压极性相 反。用高精度运放 OP277的“虚短” “虚 断”特性使显示信号和输出信号不会相互 干扰，又因为电压跟随器具有比射级输出器 好得多的跟随特性，所以稳定性和精度都比 较高，但缺点是输出与输入反向，而且增益调节范围过小。改进后得调理电路是采用仪表放大器 AD622AN它是一种低功耗，高精度的仪表 放大器，其放大彳数可以达到21000,可见AD622AN比用OPA277的放大倍数调节大
