移动设备行业的电子

液压系统的电子控制


随着移动设备技术越来越复杂,对液压系统电子控制的需求也越来越大。

电子元件变得更加可靠和坚固。它们现在可以承受移动设备应用所需的恶劣环境条件。

精密的电子控制器通常只提供低功耗控制信号。通常需要对控制信号进行放大,以驱动电磁阀操作的液压阀。设计用于液压应用的电子控制器通常包括所需的放大功能。


为什么选择脉冲宽度调制 (PWM)?

当电压施加到阀线圈上时,流过阀线圈的电流会产生磁场,从而提供力来移动阀的滑阀或爆波。输入电压除以线圈的电阻等于电流绘制。当与开/关阀一起使用时,这非常简单,但比例阀只有在通过改变输入电流可以精确控制滑阀位置时才有用。

一个简单的电位计可用于改变电阻,然后改变输入电流。这是一种低效的控制方法,在需要高电流时不实用。此外,当使用无限可变直流信号操作比例阀电磁阀时,放大器的输出晶体管的功能就像可变电阻器一样。它将电源电压降至电磁线圈在特定时间所需的水平。完整的线圈电流,可能是几个安培,需要通过这个输出晶体管。结果是晶体管产生热量,需要一个大散热。

脉冲宽度调制 (PWM) 是一种能够克服上述问题的控制技术。使用PWM,输出晶体管用作开/关开关,以恒定电压为电磁阀线圈提供一系列开/关脉冲。脉冲设置为恒定频率,通常为 400 至 5000 Hz。信号电平由相对于"关闭"脉冲的"开"脉冲的持续时间变化决定。

该技术的优点是,在"关闭"脉冲期间,输出晶体管没有通过任何电流,在"开"脉冲期间,晶体管几乎没有电压降,因此产生的热量非常小。实际上,在"开"脉冲期间,晶体管的电压降很小,打开和关闭需要有限的时间,因此会产生少量热量。但是,热量比传统直流输出信号产生的热量要小得多。

PWM 已成为所有阀门放大器的标准,以减少放大器尺寸和功率浪费。无需修改阀电磁阀以使用此技术。PWM 是控制比例阀线圈电流的高效方法。它允许使用电子装置进行电流调节、抖动、斜坡、短路保护和消除死带。


PWM 的工作原理

PWM 信号不是恒定的,它打开一段时间,关闭一段时间,如下所示。

PWM_Grph.gif

占空比"D"是指循环的"打开"部分。占空比可以从 0(信号始终关闭)到 1(信号始终打开) 的任意位置。50% 的"D"产生完美的方波。

PWM 信号频率可以是低(100 至 400 Hz)或高(超过 5000 Hz)。高频 PWM 更可取,因为它会产生更恒定的无纹波安电流输出。


线圈电感

电感是反对电流启动、停止或变化的电路的特性。电气系统中的电感类似于机械系统中的惯性。其效果是将时滞引入占空比波形式。从理论上讲,波形是完全矩形的,在施加电流时立即上升,在电流被撤回时立即下降。由于电感的影响,实际波形式上升和下降更逐渐,如下所示。

Coil_Induct.gif


PWM 电流特性

在 25% 信号下,"D"比电流达到其最大值所用的时间要短。这会导致阀线圈的电流输出减少,从而降低阀的液压输出。如果 PWM 频率足够低,则电流将在关闭时间降至零。这被描述为"不连续电流",如下图所示。

PWM_Current.gif


抖动(当前波纹)

吸附和滞后会使液压比例阀的行为显得不稳定和不可预知。

当输入信号变化较小时,Stiction 可防止阀滑阀移动。当信号最终变得足够大,足以启动运动时,滑阀往往会超过精确控制所需的位置。

滞后是滑阀移位的趋势,具体取决于更改是增加还是减少,即使控制信号输入值相同。

抖动是滑阀围绕所需位置的快速、小运动。它旨在保持滑阀移动,以避免闪烁和平均滞后。抖动振幅必须足够大,频率足够慢,滑阀才能响应,但小而快,以避免在阀门的液压输出中产生明显的脉动。

抖动是由线圈电流"波纹"引起的 – 电流围绕所需的控制信号值的变化。由于惯性,阀滑阀将遵循低频纹波比跟随高频纹波更好。纹波的振幅确定滑阀在给定频率下是否移动或移动多远。


低频 PWM

低频 PWM 通常小于 400 Hz,作为 PWM 过程的化比(当前纹波)生成抖动(电流纹波)(如下图所示)。PWM 频率足够低,因此电流有时间在下一次上升开始前衰减。随着平均线圈电流的变化,抖动(波纹)的量会发生变化。抖动最大为 50% "D"。抖动在 0% 和 100% "D" 时降至零。这可能会导致某些当前水平抖动太多,而对于其他水平则不够。

给定平均电流的抖动电流振幅是线圈电感和 PWM 频率的函数。线圈的电感很大程度上取决于其额定电压和功率。低功率线圈通常比高功率线圈具有更多的电感(因此给定 PWM 频率的还原性更少)。

不同的阀门设计对相同的抖动频率和振幅有不同的响应。更改 PWM 频率将允许调整抖动,但抖动的振幅和频率无法根据各种阀门设计的要求独立设置。

Low Frequency PWM Graph

高频 PWM

当 PWM 频率足够高(通常高于 5000 Hz)时,线圈电流在所有实际用途中都是恒定的,如下所示。高频 PWM 不会产生任何次产品抖动。

Hi-Freq_PWM_1.gif

使用高频 PWM 的优点是可以单独生成抖动,然后叠加在输出电流上,如下图所示。这允许用户独立控制当前电平,以及抖动频率和振幅。因此,任何电流水平的抖动都将是恒定的,用户可以设置其频率和振幅以优化特定液压阀的功能。

Hi-Freq_PWM_2.gif


坡道

斜坡用于降低阀驱动器对不断变化的命令输入的响应速度。当命令输入信号发生突然变化时,这将导致平稳过渡。如果输入信号更改比斜坡设置慢,坡道不起作用。

斜坡可以是固定的或可调的,对称的或独立的,单或双。可调节斜坡通常在零到八秒范围内工作,并由电位计控制。单侧斜坡通常用于慢移控制,其中只涉及加速度问题。

对称坡道(如下所示)由单个电位计控制,该电位计可对增加和减少的斜坡进行相同调整。

Symm_Ramp.gif

独立坡道(下图所示)具有用于增加和递减的侧的独立电位计,允许彼此独立设置加速和减速。

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双线圈双向阀驱动器每个线圈提供两个独立的斜坡,总共四个独立控制的斜坡,如下所示。

Dual-Coil_Ramp.gif


增益或 I-最大值。

放大器的增益是其大输出信号(与阀门)与小控制输入信号的比率。

增益 = 输出信号÷输入信号

增益通常由放大器上的电位计调整。此调整通常称为"I-Max"。调整 I-Max。调整放大器增益。这可用于调整放大器的最大输出(控制阀门设置)以获得完整的输入信号。


启用/禁用

某些控制/放大器包含"启用"功能。这是一个安全功能,要求在控制器输出工作之前,在启用连接时存在特定电压。启用可用于紧急停止开关或其他安全联锁设备。

虽然可以在电源中放置紧急停止开关,但不建议这样做,因为电容器中的存储电荷可以在开关打开后保持阀门信号一段时间。


死带 / I - min 。

滑阀式比例阀通常具有一定量的滑阀重叠,从而产生死带。对于压力和流量控制,此死带将在滑阀移动开始时发生。对于方向阀,死带将围绕中心位置发生。滑阀重叠可减少空位置的泄漏,并在电源故障或紧急停止情况下提供更大程度的安全性。滑阀重叠的效果要求在系统中出现任何明显结果之前,电磁阀线圈必须存在一定的最小信号电平。

如果此特性不可取,可以通过在控制器/放大器上设置最小电流(I-Min.)来消除或减少死带(用于压力和流量控制)。当我 - 敏。在零点上方调整时,当电源被苹果启动时,阀滑阀将立即跳到此设置,从而消除死带。请注意,I-Min。调整将影响 I-Max。设置,因此应始终首先设置。

使用多功能/双电磁阀控制方向阀时,通常使用浸渍开关激活死带消除功能。死带跳转量通常是出厂设置的,并且是特定于应用程序的。


当前反馈

当电流通过电磁线圈时,产生热量。这种热能增加线圈的电阻。例如,线圈在 20°C 时的电阻为 7 欧姆,在 100°C 时电阻为 9 欧姆。 这种增加的电阻会导致线圈功率降低,从而降低阀门设置。

为了补偿温度引起的变化,一些控制器/放大器具有称为"电流反馈"的功能。与电磁线圈一起将电流反馈电阻器与电磁线圈一起添加到电路中。这允许电磁阀电流与输入信号电压成正比,并且与电磁阀电阻无关。电源电压必须足以克服增加的电阻