王海鵬 劉少軍 王金寶

某工程機(jī)械，為了通過剛性牽引裝置和連接裝置，實(shí)現(xiàn)與損傷車輛的快速連接，完成牽引作業(yè)，在機(jī)械的尾部加增了一套剛性牽引裝置，牽引裝置的剛性牽引桿通過液壓馬達(dá)和液壓油缸來控制，實(shí)現(xiàn)其上、下、左、右運(yùn)動(dòng)。液壓油缸和液壓馬達(dá)采用通過電液比例控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)控制的精確性和操作的簡單性。

剛性牽引裝置的組成

液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)按功能分為二自由度控制手柄、電液控制子系統(tǒng)等部分。其工作原理：操縱人員處于安全處，通過操縱二自由度控制手柄來控制操作工作現(xiàn)場的剛性牽引桿，操縱者用手直接操縱控制手柄，使剛性牽引桿與被牽引目標(biāo)接近，再調(diào)整液壓缸的位置和姿態(tài)，使剛性牽引裝置與被牽引車輛的牽引部位準(zhǔn)確對接。

一、電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

每一只剛性牽引桿由一支液壓缸和一個(gè)液壓馬達(dá)控制，均采用電液比例方向閥控制，根據(jù)輸入信號大小不同，來控制比例方向閥輸出油液流動(dòng)方向和流量大小，從而控制液壓絞盤馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，液壓缸伸縮方向和速度。

液壓控制系統(tǒng)應(yīng)保證剛性牽引桿在一定的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)水平擺動(dòng)、垂直俯仰動(dòng)作。采用三位四通電液比例方向閥控制提升馬達(dá)、水平擺動(dòng)缸，使得剛性牽引桿能夠?qū)崿F(xiàn)二個(gè)自由度的動(dòng)作。

二、電液比例方向閥

本系統(tǒng)中電液比例方向閥采用三位四通的帶閥芯位置反饋的直動(dòng)式比例方向閥，它通過比例電磁鐵直接推動(dòng)閥芯左右移動(dòng)來工作的。此閥的比例電磁鐵帶有直線型差動(dòng)變壓器式位移傳感器，傳感器的動(dòng)鐵心與電磁鐵的銜鐵機(jī)械固連。其工作過程如下：輸入控制信號，電磁鐵受到激勵(lì)，閥芯移動(dòng)相應(yīng)的距離，同時(shí)也帶動(dòng)位移傳感器的鐵心離開平衡位置。于是，位移傳感器感應(yīng)出一個(gè)位置信號，并反饋到比例控制器。輸入信號與實(shí)際值（反饋信號）比較，并產(chǎn)生一個(gè)差值控制信號，糾正任何實(shí)際輸出值對給定值的偏差，最后得到準(zhǔn)確的位置。由于有閥芯位置反饋，它的控制精度較無位置反饋的要高。

三、電液比例控制器設(shè)計(jì)

1.電液比例控制原理

比例方向閥及其控制器是電液控制子系統(tǒng)的核心，由它實(shí)現(xiàn)對液壓缸的速度控制和換向控制，其電液比例閥控制原理如下圖。

比例方向閥的開口面積可以從零到最大變化，它根據(jù)控制電流的大小連續(xù)地控制閥口開度，輸出相應(yīng)的流量，達(dá)到最佳的控制效果。系統(tǒng)中控制信號一般為弱電流信號，因此需電液比例控制器來進(jìn)行處理。通過電液比例控制器能夠及時(shí)地產(chǎn)生正確有效的控制信號。為了使剛性牽引裝置實(shí)現(xiàn)規(guī)定動(dòng)作，電液比例液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制功能，必須對比例方向閥進(jìn)行正確的控制，對電液比例控制器的要求是：能及時(shí)地產(chǎn)生正確有效的控制信號。及時(shí)地產(chǎn)生正確有效的控制信號意味著除了有產(chǎn)生信號的裝置外，還必須要有正確無誤的邏輯控制和信號處理裝置。正確有效的控制信號意味著信號的幅值和波形都應(yīng)滿足比例閥的要求，與電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置相匹配。

電液比例放大器總體框圖

2.電液比例控制器

因此，電液比例控制器是一個(gè)能夠?qū)θ蹼娍刂菩盘栠M(jìn)行整形、運(yùn)算和功率放大的電子控制裝置。根據(jù)控制要求，該放大器主要包括斜坡信號發(fā)生器、PID調(diào)節(jié)器、傳感器驅(qū)動(dòng)電路、斷路檢測器、功率放大器、信號處理電路、閥芯快跳電路、電源等。

（1）斜坡信號發(fā)生器

斜坡信號主要由發(fā)生器積分電路等組成，用于控制信號的上升變化和下降變化的速度。其電路原理如圖所示。通過斜坡時(shí)間的設(shè)定，調(diào)整負(fù)載的加速、減速時(shí)間。使負(fù)載以可調(diào)的速率無沖擊的啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換、停止，提高生產(chǎn)率。

（2）位移傳感器驅(qū)動(dòng)電路

比例電磁鐵的位移傳感器是電感式位移傳感器，需有振蕩電路對傳感器線圈提供穩(wěn)定的載波電壓。振蕩器產(chǎn)生一定頻率和幅值的信號激勵(lì)比例電磁鐵的位移傳感器，位移傳感器的鐵芯與閥芯同步運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鐵芯偏離中心位置時(shí)，線圈兩端感應(yīng)出與鐵芯偏移量成正比的電壓信號，送回電液比例控制器，經(jīng)解調(diào)和匹配放大變成與輸入給定可比較的直流電壓信號。

（3）斷路檢測電路

為了確保系統(tǒng)安全，必須提高反饋通道的可靠性，因此在本放大器中設(shè)計(jì)了傳感器斷線檢測電路。因?yàn)樵诤芏嗲闆r下，傳感器斷路會(huì)造成反饋值為零，導(dǎo)致過大的偏差信號，從而引起電液比例控制器太大的輸出值，因此它是一個(gè)安全保護(hù)電路。

（4）PID調(diào)節(jié)器

為了優(yōu)化比例閥的性能，本放大器專門設(shè)計(jì)了PID調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器由比例積分器、比例微分器組成。其主要任務(wù)是當(dāng)給定值發(fā)生變化時(shí)，調(diào)節(jié)控制對象的實(shí)際值與新的輸入值相對應(yīng)，消除或減小干擾量對調(diào)節(jié)量的影響。若出現(xiàn)任何偏差，PID調(diào)節(jié)器都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)糾偏信號給輸出功率放大部分，向電磁鐵發(fā)出控制信號，使閥芯保持在準(zhǔn)確的位置上。

（5）功率放大器

功率放大器的作用是對各種控制信號進(jìn)行綜合和放大，向電—機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流。

（6）穩(wěn)路電源

電液比例控制器的內(nèi)部電路中需要穩(wěn)定的+12V電壓，因此必須設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的功能是對蓄電池提供的直流電壓作進(jìn)一步的平滑濾波后，一部分供功放器作功率放大，另一部分經(jīng)穩(wěn)壓后分離出正負(fù)電壓源供內(nèi)部運(yùn)放電路使用。

（7）閥芯快跳電路

由于比例閥的節(jié)流邊有約為20%的覆蓋量，通常正反兩個(gè)方向均有死區(qū)存在，且其大小不同。為了提高控制質(zhì)量，需設(shè)法消除死區(qū)。本項(xiàng)目采用階躍信號使閥芯產(chǎn)生快跳，迅速越過死區(qū)。

（8）實(shí)際值處理電路

由于電液比例控制器大閉環(huán)反饋回路中，采用的是電感式位移傳感器，送回的信號是一定幅值的正弦波，而控制電磁鐵采用的是直流電壓，所以不能直接參于控制，必須將其轉(zhuǎn)換為直流。電路原理圖如11所示。

該控制系統(tǒng)能夠較好的實(shí)現(xiàn)對剛性牽引裝置的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)剛性牽引架的仰俯、水平擺動(dòng)控制，控制精度達(dá)到誤差小于5mm，較好的實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能。