数字阀的驱动电源和计算机控制

出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册上册》第1370页（2315字）

(1)驱动电源

驱动电源接受计算机信号，将其放大后输出电流，作用于电—机转换器。它的性能对整个数字阀控制系统影响较大。

A．步进电机驱动电源

步进电机驱动电源如图22．1－27所示，由程序逻辑、功率放大器、电流和电压限制电路三部分组成，其中程序逻辑部分可由计算机软件实现，电流和电压限制电路往往和功率放大器组合为一体，统称为放大器。

图22．1－27 步进电机控制系统框图

(A)程序逻辑

程序逻辑过去用环形计数器实现，现多用计算机软件完成。用计算机软件实现逻辑程序时，微机并行输出口的位数与电机相位数相同。输出口可直接与步进电机驱动级功率管的基级相接。这种方法省去了环形计数器和译码电路，即降低了成本，控制也更加灵活。

(B)功率放大器

为了给电机绕组以足够的功率，必须放大程序逻辑的输出信号。电流较大的步进电机一般都需要几级放大。与伺服放大器比较，数字信号的放大器只有开、关二种工作状态，并不要求输入电压与输出电流的线性关系。它的功率管工作在饱和导通和截止段，导通时，管压降接近于零；截止时，电流接近于零，因此放大器的功耗很小。

(C)功率放大器的电流和电压抑制

数字信号放大器除放大电信号外，还要求尽可能减少开、关过程的时间。由于步进电机绕组是感性负载，必然带来时间滞后问题。因此必须采取措施，保护功率管不受电流切断时，由电感引起的尖峰信号冲击，同时减少感性负载的切换响应时间。这对数字阀的动态性能影响较大。

B．脉宽调制式放大器

脉宽调制放大器除用前面所述的步进电机放大器的单向工作模式外，也可用双向工作的模式，如图22．1－28所示。用双向电压时，它的脉宽占空比为(t₁－t₂)／T。这种工作方式对消除死区有效。在t₁=t₂时，即输入信号为60%时，可以消除死区现象，但放大器较复杂。

图22．1－28 脉宽调制方式

(a)单向电压；(b)双向电压

与步进电机放大器相同，脉宽调制式放大器也必须考虑电流和电压抑制问题，以提高数字阀的响应时间。并且其实现方法相同；放大器的功耗也较低。

(2)数字阀的微机控制

A．硬件的配置和选择

数字阀的动态响应速度不高，一般用于控制频率30Hz以下的液压控制系统中。所以对微处理机系统的要求也不高。微机硬件最简单的配置如图22．1－29所示。CPU可选用8位的芯片，如8085，6800，Z80等。也可选用MCS－48、MCS－51等单片机组成的系统。时钟频率尽可能高些，以提高控制速度。根据系统的要求，可将控制子程序存在ROM中，用键盘进行必要的人工操作，用若干个7段二极发光管显示。通过并行I／O口将指令传送到放大器。在需要闭环控制时，可从I／O口将信号传送到CPU。

图22．1－29 微机配置图

当使用整套的微型计算机时，显示与键盘可用控制终端取代。ROM可用磁盘驱动器取代并用打印机或X－Y记录仪等作记录器。

B．软件语言的选择

为控制目的编写的应用程序，所用的语言种类取决于系统的软件配置和控制要求。可选用机器语言、汇编语言和高级语言

机器语言既难记忆又难理解，一般不用来直接编写程序。但了解它对提高程序的效率有好处。

汇编语言执行指令与机器语言一一对应，运行效率高、速度快，还能进行位操作，I／O操作和中断处理，且较机器语言更易于记忆、理解。因而在实时控制中，一般使用汇编语言。编制好的子程序可存收入ROM中，根据需要随时调用。

高级语言通用性好，编制程序工作量小，运算能力强，使用较方便。但不能直接访问I／O接口。可与汇编语言混合应用。

C．采样频率的选择

采样频率的选择对数字阀性能影响较大。无论是增量式还是脉宽调制式数字阀，在一定的信号频率下，采样频率越高，输出越光滑而逼真。但过高的采样频率，阀的动态响应将跟随不上。理论上采样频率大于信号频率2倍，就没有混叠效应，但实用中这是不够的。在频率范围较高的场合，采样频率一般取系统或信号频率的5～10倍。在5倍时，信号失真度为40%左右；10倍时，信号的失真度为15%。可根据系统的频率对失真度的要求，适当选择。