專利名稱：三級電液伺服閥控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三級電液伺服閥的控制技術(shù)，具體涉及一種三級電液伺服閥控制器。
(二)
背景技術(shù)：
在冗余驅(qū)動液壓振動試驗系統(tǒng)、多點多通道協(xié)調(diào)加載試驗系統(tǒng)和道路模擬試驗系統(tǒng)等大型力學(xué)環(huán)境試驗裝備中，對伺服激振系統(tǒng)的動態(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試驗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)動元件，其動態(tài)特性對伺服激振系統(tǒng)的動態(tài)特性有著非常重要的影響，而三級伺服閥控制器是調(diào)整伺服閥動態(tài)特性，使各個伺服激振系統(tǒng)動態(tài)特性趨于一致的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。
傳統(tǒng)的三級電液伺服閥在出廠時動態(tài)特性己經(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-級屯液伺服閥的控制技術(shù)，提高伺服激振系統(tǒng)的動態(tài)一致性是實現(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
本發(fā)明的目的在于提供一種通過調(diào)整控制參數(shù)完成對三級伺服閥幅頻特性和相頻特性的調(diào)整，提高三級電液伺服闊頻寬，并解決多個伺服閥高頻動態(tài)特性一致性問題的三級電液伺服閥控制器。
木發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它包括以下幾部分
信號的輸入和前饋控制器，用以將計算機輸出的ilOmA電流形式指令信號轉(zhuǎn)換為ilOV電壓信號，再經(jīng)前饋控制器調(diào)整后，輸出閥控器的指令信號；
位置閉環(huán)單元，伺服閥閥芯位移信號經(jīng)過調(diào)理后形成標(biāo)準(zhǔn)的ilOV信號后，作為伺服閥的位置閉環(huán)控制的反饋信號，與指令信號做差；
速度反饋控制器和比例控制器，用以通過調(diào)節(jié)速度反饋增益和比例控制器增益提高伺服閥的頻寬；
伺服閥驅(qū)動單元，用以產(chǎn)生伺服閥驅(qū)動信號，經(jīng)伺服驅(qū)動器轉(zhuǎn)換為士40mA的功率驅(qū)動信號，驅(qū)動伺服閥動作；
閥芯位移輸出單元，伺服閥閥芯位移信號經(jīng)過調(diào)理后形成標(biāo)準(zhǔn)的土10V信號后， 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-屯流轉(zhuǎn)換后輸出給計算機，用于實時監(jiān)測。本發(fā)明還有這有一勝技術(shù)特征
1、所述的信號輸入至前饋控制器中，前饋為一階前饋控制環(huán)節(jié)，通過調(diào)整前饋控制器
4拐點頻率進一步提高伺服閥的頻寬；
2、 所述的伺服閥驅(qū)動單元屮在伺服驅(qū)動信號中加入了高頻抖振信號，其頻率和幅值可
調(diào)；
3、 所述的前饋控制器用于提高系統(tǒng)的頻寬，在閥控器電路中，前饋控制器為一階系統(tǒng)，
2x3.14x318
^^+ 1其傳遞函數(shù)為2x3*14x318 ，
控制計算機輸出的土lOmA指令信號經(jīng)過一個射極跟隨器和2倍放大后，得到電壓范圍為±10V的位置給定信號(-Dref);<formula>formula see original document page 5</formula>
位置給定信號經(jīng)過一階狀態(tài)濾波器后，得到一階慣性環(huán)節(jié)輸出(-Dr): 2x 14x 318
<formula>formula see original document page 5</formula>
和一個微分環(huán)節(jié)(-Vr): 2x3，14x318 ，兩個環(huán)節(jié)之和即為傳遞函數(shù)的表達式，
其中，K為比例增益，S為拉普拉斯算子，K改變前饋控制器的轉(zhuǎn)折頻率，通過調(diào)節(jié)U3B運算放大器旁的電位器R29實現(xiàn)增益調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)K值，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；
4、 所述的前饋控制器包括狀態(tài)濾波器和轉(zhuǎn)折頻率調(diào)整部分，其中狀態(tài)濾波器的輸出包括微分環(huán)節(jié)輸出和慣性環(huán)節(jié)輸出，微分環(huán)節(jié)輸出經(jīng)過轉(zhuǎn)折頻率調(diào)整部分乘以比例增益K后，與慣性環(huán)節(jié)之和構(gòu)成前饋控制器。
5、 所述的速度反饋控制器包括歸一化處理部分、V/I轉(zhuǎn)換部分、速度反饋增益調(diào)節(jié)部分和位置微分部分，歸一化處理部分將伺服閥的閥芯位移信號進行去偏和比例調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的土10V信號，然后位置微分部分將伺服閥的閥芯位移信號微分得到速度信號，再經(jīng)過速度反饋增益調(diào)節(jié)部分對速度反饋比例增益進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)伺服閥頻寬的調(diào)整。此外，伺服閥閥芯位移信號經(jīng)歸一化的處理后，經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換部分輸出ilOmA的電流信號，實現(xiàn)閥芯位移信號的輸出和遠傳，伺服閥的閥芯位移反饋信號為MOOG的N123-134 LVDT信號調(diào)理器輸出的名義值為ilOV信號。為了使控制信號歸一化，首先將LVDT信號調(diào)理器輸出進行調(diào)零和放大處理，得到標(biāo)準(zhǔn)的ilOV位置反饋信號(+Df);
6、 所述的位置反饋信號經(jīng)過微分環(huán)節(jié)后，得到速度反饋信號(-KVf)，調(diào)節(jié)R17電位器的阻值改變速度反饋的增益；位置反饋信號經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路，將位置信號轉(zhuǎn)換為ilOmA信號， 遠傳至伺服控制計算機，用于對伺服閥的工作狀態(tài)進行監(jiān)視，微分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為 0.007s 1
-;-X-^-
r , 5 2 x 0.67s ，
-+--+ 1--^ +-+ 1
(2;rx2766) 2;rx2766 (2;rxl073) 2;rxl073其中S為拉普拉其jf算子。
木發(fā)明設(shè)計了一種具有速度反饋控制器和前饋控制器的三級電液伺服閥控制器，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)置完成對三級電液伺服閥幅頻特性和相頻特性的調(diào) 整，解決多個伺服閥高頻動態(tài)特性一致性問題。同時，本發(fā)明釆用速度反饋控制器和前饋控 制器，拓展了三級電液伺服閥的動態(tài)響應(yīng)頻寬。本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，體積小，參數(shù)調(diào)節(jié)方 便，能顯著提高三級電液伺服閥的動態(tài)響應(yīng)頻寬。
(四)


圖1為本發(fā)明的組成原理圖2為具體實施方式
的前饋控制器電路原理圖3為前饋控制器中一階微分環(huán)節(jié)(公式2)波特圖4為前饋控制器中一階微分環(huán)節(jié)電路測試波特圖5為前饋控制器中慣性環(huán)節(jié)(公式2)波特圖6為慣性環(huán)節(jié)電路測試波特圖7為速度反饋控制器原理圖8為速度反饋控制器仿真結(jié)果圖9為速度反饋控制器電路測試結(jié)果圖； ' 圖IO為比例控制器原理圖； 圖11為功率放大器原理圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明 1、伺服閥控制器組成
伺服閥控制器原理如圖1所不，伺服閥的位置給定信號經(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；該指令信號與經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器調(diào)理后的位置反饋信號 作差得到偏差信號；通過比例控制器對誤差進行放大后再與速度反饋控制器輸出信號作差， 得到伺服閥的驅(qū)動信號；此驅(qū)動信號經(jīng)伺服放大器變換為伺服閥的電流驅(qū)動信號，驅(qū)動伺服 閥的閥芯動作，完成伺服閥的位置閉環(huán)控制。其主要由以下幾個部分組成
信號的輸入和前饋控制器，將計算機輸出的土10mA電流形式指令信號轉(zhuǎn)換為士10V電壓信號，再經(jīng)前饋控制器調(diào)整后，輸出閥控器的指令信號。其中，前饋為一階前饋控制環(huán)節(jié)， 通過調(diào)整前饋控制器拐點頻率進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經(jīng)過調(diào)理后形成標(biāo)準(zhǔn)的士10V信號后，作為伺服閥的 位置閉環(huán)控制的反饋信號，與指令信號做差；
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)動單元，經(jīng)上述控制器調(diào)整后，產(chǎn)生伺服閥驅(qū)動信號，經(jīng)伺服驅(qū)動器轉(zhuǎn)換為 士40mA的功率驅(qū)動信號，驅(qū)動伺服閥動作。此外，為了消除摩擦力等非線性因素的影響，在 伺服驅(qū)動信號中加入了高頻抖振信號，其頻率和幅值可調(diào)；
閥芯位移輸出單元，伺服闊閥芯位移信號經(jīng)過調(diào)理后形成標(biāo)準(zhǔn)的士IOV信號后， 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il'算機，用T實時監(jiān)測。
2、控制器的實現(xiàn) (1)前饋控制器
前饋控制器用于提高系統(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?？刂朴嬎銠C輸出的士lOmA指令信號經(jīng)過一個射極跟隨器和 2倍放大后，得到電壓范圍為土10V的位置給定信號(-Dret)。
位置給定信號經(jīng)過一階狀態(tài)濾波器后，得到一階慣性環(huán)節(jié)輸出(-Dr):
1
S +1
2x3.14x318
(2)
和一個微分環(huán)節(jié)(-Vr):
2x3.14x318 2x3.14x318 (3)
兩個環(huán)節(jié)之和即為公式1的表達式。
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運算放大器旁的電位器R29實現(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。
根據(jù)公式2和公式3以及相應(yīng)的應(yīng)用電路，其信號傳遞特性如圖3 圖6所示。
(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7所示。伺服閥的閥芯 位移反饋信號為MOOG的N123-134 LVDT信號調(diào)理器輸出的名義值為士10V信號。為了使控 制信號歸一化，首先將LVDT信號調(diào)理器輸出進行調(diào)零和放大處理，得到標(biāo)準(zhǔn)的士10V位置反 饋信號(+Df);
位置反饋信號經(jīng)過微分環(huán)節(jié)后，得到速度反饋信號(-KVf)，調(diào)節(jié)R17電位器的阻值改變 速度反饋的增益；
另外，位置反饋信號經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路，將位置信號轉(zhuǎn)換為土lOmA信號，遠傳至伺服控制
計算機，用于對伺服閥的工作狀態(tài)進行監(jiān)視。
位置微分環(huán)節(jié)是速度反饋控制器的關(guān)鍵部分，的微分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為
0.0075_ _J_
~~~ ^ ^X P 2x0.67x ，
--^ +-+ 1 -;- +-+ 1
(2;rx 2766)22;rx2766 (2;rxl073)22ttx1073 (4)
根據(jù)速度反饋控制器的傳遞凼數(shù)，其仿真結(jié)果為圖8所示。
根據(jù)公式4所對應(yīng)的圖7中位置微分部分應(yīng)用電路，其信號實測傳遞特性如圖9所示。
(3) 比例控制器
比例控制器用于提高系統(tǒng)頻寬，原理如圖10所示。 給定信號與反饋信號經(jīng)過位置比較器后得到位置偏差信號；
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)動級。通用高響應(yīng)二級閥的單個線圈的電氣特性為40mA， 80Q。因此，考慮兩個線圈并聯(lián)工作時，功率放大器的負載特性為40mA， 40Q。按照此特 性，功率放大器的原理如圖ll所示。
功率放大器的輸入為比例控制器和抖振信號發(fā)生器的輸出；
電流負反饋恒流源輸出；
士10V電壓輸入，額定輸出電流為士40mA;
通過限流電阻，最大輸出電流為士50mA;采用OPA547功率型運算放大器。
8
權(quán)利要求
1、一種三級電液伺服閥控制器，其特征在于它包括以下幾部分信號的輸入和前饋控制器，用以將計算機輸出的±10mA電流形式指令信號轉(zhuǎn)換為±10V電壓信號，再經(jīng)前饋控制器調(diào)整后，輸出閥控器的指令信號；位置閉環(huán)單元，伺服閥閥芯位移信號經(jīng)過調(diào)理后形成標(biāo)準(zhǔn)的±10V信號后，作為伺服閥的位置閉環(huán)控制的反饋信號，與閥控器的指令信號做差；速度反饋控制器和比例控制器，用以通過調(diào)節(jié)速度反饋增益和比例控制器增益提高伺服閥的頻寬；伺服閥驅(qū)動單元，用以產(chǎn)生伺服閥驅(qū)動信號，經(jīng)伺服驅(qū)動器轉(zhuǎn)換為±40mA的功率驅(qū)動信號，驅(qū)動伺服閥動作；閥芯位移輸出單元，伺服閥閥芯位移信號經(jīng)過調(diào)理后形成標(biāo)準(zhǔn)的±10V信號后，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)換后輸出給計算機，用于實時監(jiān)測。
2、 根據(jù)權(quán)利要求所述的三級電液伺服閥控制器，其特征在于所述的信號的輸入和前饋控制 器中，前饋為-階前饋控制環(huán)節(jié)，通過調(diào)整前饋控制器拐點頻率進一步提高伺服閥的頻寬。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的三級電液伺服閥控制器，其特征在于所述的伺服閥驅(qū)動單元中在伺 服驅(qū)動信號中加入了高頻抖振信號，其頻率和幅值可調(diào)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的三級電液伺服閥控制器，其特征在于所述的前饋控制器用于提高系2x3.14x318統(tǒng)的頻寬，在闊控器電路中，前饋控制器為一階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為2x3J4x318 ，控諱iJ計算機輸出的ilOmA指令信號經(jīng)過一個射極跟隨器和2倍放大后，得到電壓范圍為 ±10V的位置給定信號-Dref;位置給定信號經(jīng)過一階狀態(tài)濾波器后，得到一階慣性環(huán)節(jié)輸出5"+1 S+1(-Dr): 2x3.14x318 和一個微分環(huán)節(jié)(-Vr): 2x3.14x318 ，兩個環(huán)節(jié)之和即為傳遞函數(shù)的表達式，其中，K為比例增益，S為拉普拉斯算子，K改變前饋控制器的轉(zhuǎn)折頻率，通過調(diào)節(jié)U3B 運算放大器旁的電位器R29實現(xiàn)增益調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)K值，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。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的三級電液伺服閥控制器，其特征在于所述的前饋控制器包括狀態(tài)濾 波器和轉(zhuǎn)折頻率調(diào)整部分，其中狀態(tài)濾波器的輸出包括微分環(huán)節(jié)輸出和慣性環(huán)節(jié)輸出，微分環(huán)節(jié)輸出經(jīng)過轉(zhuǎn)折頻率調(diào)整部分乘以比例增益K后，與慣性環(huán)節(jié)之和構(gòu)成前饋控制器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的三級電液伺服閥控制器，其特征在于所述的速度反饋控制器包括歸 一化處理部分、V/I轉(zhuǎn)換部分、速度反饋增益調(diào)節(jié)部分和位置微分部分，歸一化處理部分將伺 服閥的閥芯位移信號進行去偏和比例調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的土10V信號，然后位置微分部分將伺 服閥的閥芯位移信號微分得到速度信號，再經(jīng)過速度反饋增益調(diào)節(jié)部分對速度反饋比例增益 進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)伺服閥頻寬的調(diào)整，伺服闊閥芯位移信號經(jīng)歸一化的處理后，經(jīng)過V/I 轉(zhuǎn)換部分輸出土lOmA的電流信號，實現(xiàn)閥芯位移信號的輸出和遠傳，伺服閥的閥芯位移反饋 信號為MOOG的N123-134 LVDT信號調(diào)理器輸出的名義值為士10V信號，并將LVDT信號調(diào) 理器輸出進行調(diào)零和放大處理，得到標(biāo)準(zhǔn)的土IOV位置反饋信號+Df。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的三級電液伺服闊控制器，其特征在于所述的位置反饋信號經(jīng)過微分 環(huán)節(jié)后，得到速度反饋信號-KVf，調(diào)節(jié)R17電位器的阻值改變速度反饋的增益；位置反饋信 號經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路，將位置信號轉(zhuǎn)換為ilOmA信號，遠傳至伺服控制計算機，用于對伺服閥 的工作狀態(tài)進行監(jiān)視，微分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為<formula>formula see original document page 3</formula>其中S為拉普拉其萬算子'
全文摘要
本發(fā)明提供了一種三級電液伺服閥控制器。它包括信號的輸入和前饋控制器，用以輸出閥控器的指令信號；位置閉環(huán)單元，伺服閥閥芯位移信號作為伺服閥的位置閉環(huán)控制的反饋信號，與指令信號做差；速度反饋控制器和比例控制器，用以通過調(diào)節(jié)速度反饋增益和比例控制器增益提高伺服閥的頻寬；伺服閥驅(qū)動單元，用以產(chǎn)生伺服閥驅(qū)動信號，驅(qū)動伺服閥動作；閥芯位移輸出單元，伺服閥閥芯位移信號經(jīng)過調(diào)理后形成標(biāo)準(zhǔn)的±10V信號后，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)換后輸出給計算機，用于實時監(jiān)測。本發(fā)明采用速度反饋控制器和前饋控制器，拓展了三級電液伺服閥的動態(tài)響應(yīng)頻寬。
文檔編號F15B13/02GK101482133SQ20091007133
公開日2009年7月15日 申請日期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 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)