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      比例閥的原理

      比例閥的原理與調節

      電液比例方向節流閥,是由閥本體(機械結構)和比例控制放大器組成,沒有比例控制放大器,這類閥的功能類似于一般的電磁換向閥,目前應用的此類閥,其比例放大器多為專用的模擬比例控制放大器。本文介紹的數字控制放大器,不僅實現了控制放大器的數字化,提高了閥的性能,而且兼顧了閥控系統的需要,提高了可靠性、經濟性和靈活性。
      2 硬件結構
        本控制放大器硬件結構如圖1所示,其主要功能性能如下:
       

       

      圖1 硬件結構框圖

       、龠x用6MHz的外部晶振,則在這個時鐘下,系統完成一條指令的執行時間為2μs~13μs之間,完成一次A/D轉換的時間是44μs。
        設置了復位鍵,它可使整個系統(包括8098,8279,8255,8155等)全部復位。
       、诰哂蠷S-232串行口,能與計算機的標準RS-232接口聯機,與上位微機構成遙控系統或進行多機協調控制。數據的發送與接收均采用中斷形式。
       、鬯穆反蠊β使怆姼綦xPWM脈寬調制輸出,每路的輸出電流大于800mA,并有防止比例電磁鐵線圈產生高壓損壞的續流作用。每路PWM的輸出均配有發光二極管顯示。
       、8098芯片所提供的10位A/D輸入,經多路開關擴展后達16路。擴展口的口地址為5080H~5087H、5008H~500FH。
       、萦煽删幊替I盤顯示接口芯片8279,管理鍵盤與顯示,實現人機接口;其命令口地址為0E001H,數據口地址為0E00H。
       、8K的外部RAM和16K的外部EPROM,尋地空間分別為6000H~7FFFH,和0000H~3FFFH。
        為閥控系統提供了除前述中的A/D,PWM輸出外,還有兩個可編程并行I/O擴展接口。
        實現上述功能的主要接口電路如下:
        (1)與比例電磁鐵的接口
        控制放大器對閥本體的作用,是通過對比例電磁鐵施加一定占空比的PWM信號,使比例電磁鐵獲得相應大小的電流,進而產生一電磁力以推動閥芯。由于比例控制系統的動態響應要求不是很高,故采用圖2所示的驅動線路,圖中驅動管采用共集電極聯接,使得驅動管散熱簡單。光電隔離將驅動部分與控制器數字部分隔離,提高了控制器的抗干擾能力。
       

       

      圖2 與比例電磁鐵接口電路

        電路的充放電時間常數τ=L/(R+r)
        由控制器輸出的PWM信號,經驅動電路放大,由于電磁鐵的慣性,在線圈上就可獲得平均值與占空比成比例、帶有交流紋波分量的直流電流。因此,其輸出的電流帶有一定的顫振效果;但由于其頻率與PWM信號頻率相同,幅值與調制信號的占空比、調制頻率及負載時間成函數關系,頻率和幅值互相牽制,不可獨立調節,限制了這種交流紋波的顫振效果。本控制器的PWM信號頻率為500Hz,是傳統低頻調制方式的2~10倍,減小了線圈電流波幅以及開關特性的延遲時間對線圈電流的影響;另一方面,閥的電反饋閉環把整個閥的機械部分都包圍在內,閥的滯環得到了較好的克服。
        (2)與閥芯位移傳感器的接口
        由于閥芯位移傳感器輸出的模擬信號,其電壓在3.8V~9.0V之間,不能直接對它進行采樣,我們采用圖3的信號處理電路,對輸出信號進行濾波、調零和放大處理,使得其輸出的電壓在0~5V這個范圍,并且提供的電流不小于5mA,以便供8098芯片的A/D采樣;為了避免電源波動的影響,對電源進行了濾波處理。由于這里的電源被引入信號輸入端,用來拉低輸出的電平,故電源的變化波動會直接引起處理后的輸出波動變化。因此,盡管對電源進行了硬件濾波,為了確保精度要求,在軟件中采取相應的濾波算法,再進行一次濾波。
       

       

      圖3 信號處理電路

        (3)為閥控系統而設的其它的接口
        執行元件的輸出由光柵檢測,因所用光柵數顯表輸出是20位的BCD碼,可通過8255擴展的PA、PB和PC口(其地址及控制口的地址分別為4800H,4801H,4802H和4803H)讀入,經軟件處理轉換成二進制數。
        壓力傳感器的輸出,因其電壓、電流都滿足8098單片機的A/D輸入要求,可直接用它進行轉換采樣。
      3 軟件結構與設計
        (1)總體結構
        整個軟件包括兩部分,即監控軟件和控制軟件。監控軟件主要完成人機接口,實現人機對話;整個軟件的核心是控制軟件,它完成對閥和系統的控制。圖4是整個程序的簡化框圖,其中,因控制程序的實時性要求,從控制程序返回到監控程序,是由復位過來的,監控制軟件和控制軟件所使用的存儲空間,絕大多數可以交叉重復而不致引起混亂。
       

       

      圖4 軟件總體結構簡化框圖

        (2)監控軟件
        由于8098芯片復位后,程序計數器指向2080地址單元,系統自動地從此處開始,運行程序。故在此設置一條關中指令,然后進行一些初始化,等待從鍵盤的輸入,根據鍵值散轉,執行相應的程序。程序框圖如圖5所示。
       、俪跏蓟
        a.關閉所有中斷。
        b.設置堆棧指針,8098復位后,其堆棧指針的指向是隨機的,為了保證程序的正常運行,需要給堆棧寄存器SP賦予某存儲單元地址值;這個存儲單元可以是在內部RAM,也可以是外部RAM,其差別就是堆棧的壓入、彈出時間不同;在內部RAM的堆棧其訪問時間較短,而外部RAM的堆棧其訪問時間則較長。
       

       

      圖5 監控程序框圖

        另一方面,堆棧的設置,需要給它留有一定的空間,這個空間的大小需要視程序對堆棧的最大壓入深度而定。在本系統中,對堆棧的訪問主要有程序的調用和中斷而產生,其最大壓入深度不超過64個字節。
        c.內部RAM及有關外部RAM清零。
        d.封鎖PWM輸出及A/D輸出,防止系統誤動而產生不良影響。
        e.8279初始化;
        鍵盤/顯示方式設置命令字,通過CPU送入控制10H,即八位顯示、左入口、編碼掃描、雙鍵鎖定方式。
        時鐘命令字,為了獲得8279內部要求的100kHz,須將ALE進行6分頻,故命令字為26H。
        讀顯示RAM,取讀后地址自動加1的方式。故其命令字為70H;寫顯示RAM,取寫后地址自動加1的方式,命令字為90H;清除顯示RAM,給顯示RAM寫入“P”。
       、谌藱C對話
        經過上述初始化后,就可開始進行人機對話。其主要功能是,CPU識別工作人員從鍵盤送入的命令、數據,并轉而去執行相應的程序。
        鍵盤設16個數據鍵0~F,四個功能鍵LAST、RESET、NEXT/PRO和EXEC鍵。其中,RESET被按下后系統會自動上電復位,不需要CPU的識別處理。EXEC鍵被按下,則轉去執行控制程序的初始化程序。NEXT、LAST鍵是顯示并可修改當前地址單元的一個、上一個單元的內容;如果當前沒有顯示任何單元,則此時按下LAST無效,而NEXT轉為“PRO”鍵功能,即此鍵被按下,被顯示和可修改的單元,是存放控制命令及數據的首地址7FF0H。
        (3)控制軟件
        考慮到系統的要求,控制軟件需要完成閥的調節、系統調節,為了保證程序按一定的系列執行所必要的中斷、定時以及相應的一些數據采集、輸入和處理等。圖6是控制軟件總體框圖;對各個部分說明如下:
       

       

      圖6 控制軟件總體框圖

       、俪跏蓟
        在關閉中斷的狀態下,實現對控制程序的下述幾個初始化工作。
        a.對PID程式(閥的調節)計算中的一些標志、輸入E、輸出U清零。將由Kp、Ki、Kd、采樣周期T及低通濾波器的時間常數Tf,計算得到的Qi、Mi賦予給它的存儲單元。在PID程序中,數的表示及運算均采用定點數的方式來處理。盡管8098本身具有豐富的指令系統,設有帶符號數和不帶符號數的加、減、乘、除運算指令,給編程帶來極大的方便;但PID程序的運算過程中,因定點數的表示范圍有限,中間難免有溢出之處,為此設有幾個判斷標志,在運行PID程序之前也需要對它們初始化。
        b.采樣時間到標志清零。
        c.比例閥流量死區的基本值賦值;設置PWM的周期、最大輸出電流(包括顫振信號的頻率和幅值);輸出電流清零,以避免輸出單元的隨機值引起系統的誤動。
        d.軟件定時中斷和HSO中斷初始化;開放這兩個中斷,即INT-MASK賦予#28H,同時,把兩個中斷服務子程序的入口地址放入相應的中斷向量單元。
        e.設置堆棧指針,SP指向內部RAM中的00FEH單元。
       、诓蓸蛹坝嬎愠绦
        a.讀給定的位移;輸入的位移是以十進制數的方式放入7FF0H~7FF2H的,因此,需要調用一次三字節的BCD碼轉換成二進制數的程序,其結果放入40H~42H這三個字節單元,并在整個控制程序運行期間保存。
        b.計算增量式PID算式Un+1=∑QiEi+Un中的Qi,Mi。
       、劭刂瞥绦虻闹鞒绦
        在控制程序的主程序中,由于至少存在一個PID程序(閥的調節),而PID中的運算參數與采樣周期T有關,為了PID控制算法的正確實現,必須取一個恒定的采樣周期T,或者采樣周期隨程序運算時間而變,此時的PID運算參數也要作相應的修改;否則,PID控制器將達不到預計的目標。采用變采樣周期的方法,需要對程序運算計時并不斷地計算修改運算參數,因此很少采用。本控制程序通過軟件定時來實現保證固定的采樣周期。主程序的一開始有一個判斷,即檢查采樣時間到的標志,如果時間沒到,在此等待;否則清除這個標志(為下一次循環作準備)并繼續運行下面的程序。不難看出,固定采樣周期的獲得,實際上是通過等待,把每次程序循環運行的時間差距拉平。此措施的先決條件是,采樣周期必須大于完成一個循環運行所需要的最長時間,即對采樣頻率的最大值有個限制。
        以下是控制軟件的各個功能模塊。
        a.采樣、輸入系統反饋數據,需要采樣或讀入的數據有閥芯的位移,以及閥控系統所需的執行元件位移和系統壓力等參數。
        由A/D采樣來的數據(閥芯位移及壓力等參數),還需經濾波處理后放入指定的單元。執行元件的位移,從二次儀表得到的BCD碼還需經數制數轉換程序處理。
        本文僅用到閥芯位移的采集及濾波,其它是為閥控系統所考慮。
        b.閥控系統調節程序,是閥控系統所需的控制策略。本文僅作信號發生器使用。
        c.閥的調節程序,根據給定量和反饋量的關系,處理和計算的結果放入HSO的輸入單元,即作為PWM調制及放大的輸入。閥的調節方法是工程上廣為應用的PID控制。
       、苤袛喾⻊粘绦
        中斷服務程序中,有一個軟件中斷定時器,它主要是每當采樣時間到,則設置啟動標志,主程序可以運行。另一個中斷程序是HSO的中斷輸出,即控制器的輸出。
       、菰囼灉y試程序
        為了對系統的性能進行測試分析,在控制程序中加入了一些試驗輔助程序。這些程序主要有:信號的給定及測試數據記錄程序。數據結果存放在6000H~7FEFH中,然后離線將這個二進制數據文件轉換成ASC碼數據文件。
       
      4 試驗結果
        試驗研究包括靜態性能和動態性能試驗。在靜態試驗時,閥控系統調節程序設置為線性信號發生器,動態測試時則設置為階躍信號發生器。動態數據用測試數據記錄程序記錄,靜態試驗數據則用X-Y函數記錄儀記錄。
        從圖7和圖9可以看出,由數字控制放大器構成的電液比例方向節流閥,具有較滿意的動靜態性能。從圖8也可看出該閥的流量特性在零點附近很差,有死區和滯環等嚴重的非線性,這是這類節流閥不足的方面。
       

       

      圖7 靜態位移曲線
       

       

      圖8 靜態流量曲線

       

      圖9 階躍響就曲線

      5 結論
        本文提出的數字控制放大器,取得了比模擬控制放大器更滿意的結果,而更主要的是,它集系統控制功能于一體,使得閥控系統具有更高的經濟性、可靠性和靈活性。在閥控系統中,節流閥流量特性的嚴重非線性是需重點考慮解決的問題;在此基礎上,由于比例閥較伺服閥有更好的經濟性和使用維護的方便性,使得它具有較廣闊的應用前景。

         
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