Разработка блока управления пропорциональной электрогидравлической системы

Написание дипломного проекта и последующая его защита является заключительной стадией обучения в высших учебных заведениях. Дипломный проект является обобщающей проверкой всех знаний накопленных за время учебы в университете. Он охватывает такие предметы как: энергосбережение, полупроводниковые приборы, охрана труда, экономика и некоторые другие предметы, характерные для отделения «Промышленная электроника». Темой дипломного проекта является разработка, какого либо электронного устройства, в данном случае это разработка блока управления пропорциональной электрогидравлической системы.

Блоки управления пропорциональными электрогидравлическими системами предназначены для управления пропорциональной гидроаппаратурой с одним или двумя пропорциональными электромагнитами, с обратной связью по различным видам регулируемого параметра (по положению регулирующего элемента гидроаппарата, по давлению, по расходу или другому виду) или без нее.

Область применения — гидроприводы станков, прессов, литейных и литьевых машин, мобильной техники и другого гидрофицированного оборудования.

Для разработки устройства требуются знания теории, подкрепленной практическим опытом. Разработка устройства включает в себя:

Выбор и обоснование элементной базы.

Разработка структурной схемы.

Разработка принципиальной схемы.

Расчет узлов и блоков.

Расчет потребляемой мощности.

Для практического исполнения устройства требуются практические навыки, полученные при прохождении практик:

Ознакомительная.

Производственная.

Технологическая.

Преддипломная.

После написания и защиты дипломного проекта молодые специалисты могут приступать к трудовой деятельности.

1. Аналитический обзор

Блоки управления пропорциональной электрогидравлической системы предназначены для управления пропорциональной гидроаппаратурой с одним или двумя пропорциональными электромагнитами, с обратной связью по различным видам регулируемого параметра (по положению регулирующего элемента гидроаппарата, по давлению, по расходу или другому виду) или без нее.

Область применения — гидроприводы станков, прессов, литейных и литьевых машин, мобильной техники и другого гидрофицированного оборудования.

Гидравлические приводы, благодаря своей высокой удельной мощности, имеют небольшой вес и требуют для размещения небольшое пространство. Они обеспечивают быстрое и точное управление перемещениями с большими энергией и усилиями. Гидроцилиндр является примером дешевого и простого привода линейного перемещения. Сочетание этих преимуществ открывает широкие возможности для применения гидравлических устройств в инженерном деле, на наземном транспорте и в авиации.

Расширение автоматизации делает необходимым управление такими параметрами гидросистем, как давление, расход и направление потока рабочей жидкости, с помощью средств электроники. Наилучшим интерфейсом между гидравлическими исполнительными механизмами и электронной системой управления являются пропорциональные клапаны.

В случае электрогидравлической системы, распределитель имеет электрическое управление от дискретных электромагнитов. Такую систему можно автоматизировать, связав магниты распределителя с контроллером или другой электрической системой управления.

Но электрическая система управления не сможет влиять на значения давления и расхода. Если эти параметры потребуется изменить, работу станка придется остановить. Только после этого вручную можно настроить дроссель или предохранительный клапан.

Автоматическое изменение давления и расхода в электрогидравлических системах возможно только в ограниченной степени, когда используются переключающие клапаны. Примерами могут служить: подключение дополнительных магистралей подачи жидкости при срабатывании распределителей; управление клапанами давления и расхода с помощью кулачков или копиров; пропорциональный распределитель управляется электрическим сигналом. Этот сигнал изменяет величину расхода и направление потока рабочей жидкости. Скорость перемещение исполнительного органа изменяется за счет изменения расхода.

Второй сигнал управления воздействует на пропорциональный предохранительный клапан. Этим сигналом можно постоянно настраивать нужное давление.

Пропорциональный распределитель выполняется функцию регулировки расхода и распределителя. Использование пропорциональной техники позволяет использовать на один элемент меньше.

Пропорциональные клапаны управляются электрическими сигналами, поэтому, не прерывая работу станка, можно: с помощью пропорционального предохранительного клапана использовать более низкий уровень давления в режимах уменьшенной нагрузки (например, остановка подачи), что позволяет экономить энергию, осуществлять плавный старт и торможение каретки подачи с помощью пропорционального распределителя.

Все настройки пропорциональных клапанов осуществляются автоматически, т. е. без вмешательства оператора.

Таблица 1.1 — Преимущества пропорциональных клапанов по сравнению с дискретными

Сравнение пропорциональной и сервогидравлики.

Сервоклапаны могут выполнять те же функции, что и пропорциональные. Благодаря увеличенной точности и скорости сервотехника имеет ряд преимуществ. Преимущество же пропорциональной гидравлики заключается в более низкой стоимости и менее жестких требованиях по обслуживанию:

Конструкция клапанов более простая и имеет лучший показатель стоимость-эффективность.

Перекрытия в золотнике и более мощные пропорциональные магниты для его перемещения увеличивают надежность работы. Требования к фильтрации рабочей жидкости менее жесткие и периоды обслуживания длиннее.

Сервогидравлические приводы часто работают в составе системы с замкнутым контуром. Приводы с пропорциональными клапанами обычно выполняют некоторую последовательность перемещений, при которой нет необходимости в измерительной системе и контроллере. Это значительно упрощает систему в целом.

Пропорциональная техника сочетает возможность непрерывного изменения параметров с прочностью, надежностью и низкой стоимостью клапанов. Пропорциональные клапаны заполняют брешь между дискретными и сервоклапанами.

В зависимости от конструкции клапана для его управления используются один или два пропорциональных электромагнита.

Конструкция электромагнита.

Пропорциональный электромагнит разработан на основе дискретного электромагнита, который используется в дискретных аппаратах электрогидравлики. Электрический ток, протекая по обмотке, создает электромагнитное поле. Это поле создает усилие, направленное по оси подвижного якоря, и может быть использовано для перемещения рабочего органа клапана.

Как и в дискретном электромагните, якорь, сердечник и корпус выполнены из легко намагничивающегося мягкого материала. Отличается пропорциональный электромагнит наличием управляющего конуса из немагнитного материала, который изменяет форму линий магнитного поля.

Принцип работы пропорционального электромагнита При правильном выборе размеров частей из мягкого магнитного железа и управляющего конуса, характеристика пропорционального электромагнита имеет примерно следующий вид:

Усилие на якоре увеличивается пропорционально силе тока, т. е. увеличение силы тока вдвое приводит к двойному увеличению усилия.

Усилие не зависит от положения якоря в пределах рабочей зоны, которая обычно составляет около 2 мм.

В пропорциональном клапане усилие электромагнита действует против усилия пружины, которое стремится вернуть рабочий орган клапана на исходную позиции (риунок 1.1). Характеристика пружины накладывается на характеристику магнита. Чем дальше вправо уходит якорь, тем больше сила пружины.

При небольшом токе сила F электромагнита уменьшается, и пружина, соответственно, почти отпущена (рисунок 1.1а).

Усилие на якоре возрастает при увеличении тока. Якорь перемещается вправо и сжимает пружину (рисунок 1.1b).

При использовании пропорциональных клапанов давления давление в гидравлической системе можно непрерывно настраивать с помощью электрического сигнала.

При использовании в гидросистеме пропорционального регулятора расхода (пропорционального дросселя) с помощью электрического сигнала можно настраивать площадь проходного сечения, изменяя тем самым расход жидкости. По конструкции пропорциональный регулятор расхода напоминает дискретные 2/2- или 4/2-распределители. В пропорциональном регуляторе расхода прямого действия магнит воздействует непосредственно на управляющий золотник.

При небольшом токе, протекающем через электромагнит, все каналы перекрыты.

При повышении силы тока усилие на якоре электромагнита возрастает, золотник смещается вправо и открывает каналы для прохода жидкости.

Рисунок 1.1 — Поведение пропорционального электромагнита при различных значениях тока

Смещение золотника будет пропорционально силе тока, протекающего через электромагнит.

Пропорциональный распределитель прямого действия.

Пропорциональный распределитель по конструкции похож на дискретный 4/3-распределитель и сочетает в себе две функции: электрически настраиваемого регулятора расхода (как и пропорциональный регулятор расхода), распределителя, соединяющего выходные каналы, А и В с каналом питания Р и слива Т (как и дискретный 4/3-распределитель). [3]

На рисунке 1.2 представлен пропорциональный распределитель прямого действия.

Если электрический сигнал управления равен нулю, оба электромагнита выключены. Золотник центрирующими пружинами удерживается в среднем положении, при котором все каналы перекрыты.

Если управляющий сигнал напряжения имеет отрицательное значение, ток поступает на правый электромагнит. Золотник смещается влево. Выход В соединяется с питанием Р, выход, А — со сливом Т. Смещение золотника пропорционально силе тока, поступающего на электромагнит.

Если управляющее напряжение имеет положительное, значение, ток поступает на левый электромагнит. Золотник смещается вправо, соединяя Р с, А и В с Т.

И в этом случае золотника пропорционально силе тока, поступающего на электромагнит.

В случае сбоя питания электроэнергией золотник займет среднее положение, при котором все каналы перекрыты (аварийно-безопасное).

Рисунок 1.2 — Пропорциональный распределитель прямого действия без контроля положения золотника электрогидравлический блок мощность управление Пропорциональный распределитель с пилотным управлением.

На рисунке 1.3 показан пропорциональный распределитель с пилотным управлением. Для пилотного управления используется 4/4-распределитель, который управляет давлениями по обе стороны основного золотника, смещая его в ту или иную сторону с соответствующим открытием каналов. Оба каскада представленного распределителя для большей точности имеют управление положением их золотников.

В случае отказа электропитания или подачи жидкости под давлением основной золотник под действием пружин занимает среднее положение (аварийно-безопасное).

Рисунок 1.3 — Пропорциональный распределитель с пилотным управлением и контролем положения золотника

Вместо 4/4-распределителя для пилотного каскада могут быть использованы два 3-линейных регулятора давления, каждый из которых управляет давлением с одной стороны основного золотника.

Преимущества и недостатки пропорциональных распределителей с пилотным управлением.

В клапанах с пилотным управлением основном золотник перемещается под действием сил давления жидкости. Пропорциональному электромагниту пилотного каскада достаточно развить очень незначительное усилие. Таким образом, можно управлять мощными потоками жидкости, используя небольшой электромагнит и потребляя минимум электрической энергии. Недостатком является дополнительное потребление рабочей жидкости под давлением для пилотного управления. Пропорциональные распределители прямого действия проектируются только на условный проход 10 и менее мм. При больших условных проходах предпочтительно использовать пилотное управление. Распределители для больших расходов с большим условным проходом могут иметь три или четыре каскада.

Области применения пропорциональных клапанов определяются:

* предельным давлением, которое может выдержать корпус,

* максимально допустимым усилием, возникающим на золотнике при обтекании его жидкостью.

Если сила, возникающая на золотнике при обтекании его жидкостью, становится слишком большой, пропорциональный магнит уже не сможет удерживать золотник в нужном положении. В результате положение золотника окажется неопределенным. Предельные параметры при использовании пропорциональных клапанов указываются производителем или в виде цифровых значений давления и расхода или в виде диаграмм.

Пропорциональные клапаны и пропорциональные насосы со своими регулируемыми электромагнитами предлагают соответствующие интерфейсы для электронного управления и вследствие этого обеспечивают большую оперативную подвижность технологических процессов на специализированных машинах или станках, включая свободно программируемые управления и приводы.

Технические преимущества пропорциональных приборов заключаются прежде всего в контролируемых переходах переключения, плавном управлении заданными значениями и в сокращении количества гидравлических приборов для определенных заданий по управлению. Благодаря этому вносится вклад в уменьшение расхода сырья и материалов для гидравлических контуров.

Посредством пропорциональных клапанов можно производить более простые, более быстрые и точные технологические процессы при одновременном улучшении процесса переключения. Вследствие контролируемых процессов переключения можно избегать пиков давления.

Более длительный срок службы механических и гидравлических элементов конструкции — это еще одно преимущество такого вида работы.

Электрическая подача сигналов для направления и расхода или для гидравлического давления предоставляют возможность размещать пропорциональные приборы непосредственно у потребителя. Вследствие этого улучшается динамическая характеристика гидравлического управления.

Интенсивное применение пропорциональных приборов наблюдалось у пользователей гидравлики только тогда, когда на гидравлическом рынке стали предлагаться простые по своей конструкции приборы. Такие приборы не отличаются значительным образом от стандартной программы гидросистем. Было использовано для них даже по мере возможности много деталей или узлов из стандартной программы гидросистем.

Широкому применению пропорциональной техники содействовала также, в конце концов, разработка надежно работающих и простых электронных карт европейского формата.

Для каждого вида пропорциональных приборов был сконструирован усилитель, который содержит специфическую для прибора электронику.

Как правило, сюда включаются:

— стабилизация напряжения;

— образователь линейной быстроменяющейся функции с насыщением;

— образователь функции;

— потенциометры заданных значений;

— реле заданных значений;

— импульсно-модулированная оконечная ступень.

Регулируемые электромагниты Регулируемые электромагниты являются связующим звеном между электроникой и гидравликой. Регулируемые электромагниты относятся к группе подъемных электромагнитов. Пропорционально электрическому току, как к входной величине, они вырабатывают силу и перемещение, как выходную величину.

В зависимости от практического применения различаются:

— Электромагниты с аналоговой характеристикой «перемещение-ток», так называемые «регулируемы по подъему электромагниты»

— электромагниты с особо определенной характеристикой «сила — расход», так называемые «регулируемые по силе электромагниты».

Для пропорционального току изменения выходной величины силы и перемещения можно применять только электромагниты постоянного тока. Электромагниты переменного тока в связи со своим зависимым от подъема потреблением тока должны занимать свое конечное положение подъема по мере возможности без промедления.

Электромагнит, регулируемый в зависимости от силы.

При электромагните, регулируемом по силе, регулируется сила электромагнита посредством изменения тока «i» при этом якорь электромагнита не производит значительного подъема.

Вследствие обратной связи по току в электрическом усилителе электромагнитный ток, а таким образом, и электромагнитная сила, поддерживаются постоянной величины даже при изменении сопротивления электромагнита.

Значительной особенностью регулируемого по силе электромагнита является графическая характеристика «сила-подъем».

Электромагнитная сила остается постоянной величины по всему диапазону подъема при одинаковом токе.

Для демонстрируемого электромагнита подъем составляет около 1,5 мм. Монтажный объем электромагнита, регулируемого по силе, небольшой величины. Это обусловлено коротким подъемом. Благодаря этому применяется электромагнит, регулируемый по силе, для пропорциональных распределителей и напорных клапанов. При этом электромагнитная сила преобразовывается в гидравлическое давление.

Регулируемый электромагнит — это регулируемый, работающий в масле, электромагнит постоянного тока.

Электромагнит, регулируемый по подъему.

При электромагните, регулируемом по подъему, положение якоря регулируется посредством замкнутого контура регулирования и удерживается независимо от противодействующей силы, если такая сила будет действовать в допустимом рабочем диапазоне.

С помощью регулируемого по подъему электромагнита могут, например, непосредственно приводиться в действие пропорциональные распределители, регуляторы потока, а также напорные клапаны, и управляться в любом положении подъема. Подъем магнита составляет в зависимости от конструктивных параметров 3 — 5 мм.

Электромагнит, регулируемый по подъему, применяется преимущественно, как уже описывалось выше, для четырехлинейных пропорциональных клапанов прямого действия.

В сочетании с электрической обратной связью поддерживаются малой величины гистерезис и погрешность повторяемости электромагнита. Кроме того, возникающие гидродинамические силы на заторе клапана регулируются (относительно малая сила электромагнита по сравнению с возмущающими силами).

При клапанах непрямого действия заряжается управляемым гидравлическим давлением большая установочная поверхность. Имеющиеся в распоряжении перестановочные усилия вследствие этого неодинаковой величины, и возмущающие силы не сильно влияют в процентном отношении. Поэтому могут конструироваться пропорциональные клапаны непрямого действия без электрической обратной связи.

Пропорциональные распределители.

Пропорциональный распределитель служит для оказания воздействия на направление и величину объемного расхода.

Для разнообразных пропорциональных клапанов были разработаны и стандартизированы электрические карты усилителя европейского формата 100×160 мм. Определенному виду пропорциональных клапанов предназначается также соответствующая электрическая карта усилителя для того, чтобы обеспечивались оптимальная настройка, а вследствие этого и оптимальные результаты.

— пропорциональные усилители подразделяются здесь на 2 группы:

пропорциональные усилители для клапанов без электрической обратной связи (для регулируемых по усилию электромагнитов)

— пропорциональные усилители для клапанов с электрической обратной связью пропорционального золотника (для регулируемых по ходу электромагнитов).

Пропорциональные усилители для клапанов без электрической обратной связи.

К зажимам 24 (+) и 18 (0В) прикладывается напряжение питания.

На карте усилителя такое напряжение питания сглаживается и из этого напряжения в ± 9 В.

Стабилизированное напряжение в ± 9 В служит:

а) для питания внешних или внутренних потенциометров б) для питания внутренних операционных усилителей.

На карте усилителя сидит потенциометр R2 для установки заданного значения. Для того, чтобы можно было отрегулировать на R2 заданное напряжение, следует подвести к входу заданного значения 12 стабилизированное напряжение + 9 В.

Заданное напряжение, снятое на потенциометре R2, подводится к образователю линейной функции с насыщением.

Образователь линейной функции с насыщением вырабатывает из скачкообразного сигнала медленно нарастающий или потухающий выходной сигнал. Крутизну нарастания выходного сигнала, т. е. изменение во времени, можно регулировать с помощью потенциометра R3 (для линейной функции с насыщением ускорения) и потенциометра R4 (для линейной функции с насыщением замедления).

Указанное время линейной функции с насыщением, составляющее 5 секунд, может обеспечиваться только по всему диапазону напряжения (начиная с 0 В и кончая + 6В) с измерением на гнездах измерительной цепи заданного значения). Заданное напряжение в + 9 В на входе составит напряжение в + 6 В на гнездах измерительной цепи заданного значения.

Выходной сигнал образователя линейной функции с насыщением подается к импульсно-модулированной конечной ступени, а также сигнал напряжения потенциометра R1.

На потенциометре R1 можно устанавливать ток подмагничивания для регулируемого электромагнита.

Конечная ступень управляет регулируемым электромагнитом макс. посредством 800 ма. Ток через регулируемый электромагнит может измеряться в гнезде измерительной цепи как постоянное напряжение (1 В = 1 а) Точки замера на пропорциональном усилителе Измерение производится на позиции постоянного напряжения.

1) Измерение напряжения питания в +24В

2) Измерение стабилизированного напряжения ±9В

3) Измерение заданного напряжения, начиная с «0» и кончая + 6В

4) Измерение тока электромагнита, начиная с «0» и кончая 800 ма Пропорциональный усилитель для пропорциональных распределителей непрямого действия с обратной связью.

Пропорциональный усилитель обеспечивается напряжением через зажимы. На карте усилителя происходит сглаживание такого напряжения питания и одновременно из этого напряжения образуется стабилизированное напряжение в ± 9 В.

Стабилизированное напряжение в ± 9 В служит а) для питания внешних или внутренних потенциометров с возможностью отвода на (+ 9В) и на (- 9В).

б) для питания внутренних операционных усилителей На карте усилителя сидят 4 потенциометра для установки заданного значения R1, R2, R3 и R4. Для того, чтобы можно было отрегулировать заданное напряжение, следует зажимы входов заданного значения соединить со стабилизированным напряжением в + 9 В на зажиме или — 9 в на зажиме.

Установленные заданные напряжения R1, R2, R3 и R4 вызываются через реле К1, К2, КЗ и К4.

Напряжение вызова реле может отводиться на зажиме и прикладываться через свободные от потенциала контакты к входам реле.

При вызове задающих потенциометров R1… R4 вырабатывается на входе образователя линейной функции с насыщением сигнал напряжения.

Образователь линейной функции с насыщением вырабатывает из скачкообразного входного сигнала медленно нарастающий выходной сигнал. Время нарастания (крутизна) выходного сигнала можно регулировать на потенциометре R8 (время линейной функции с насыщением). Указанное время линейной функции с насыщением, составляющее максимум 5 секунд, может обеспечиваться только по всему диапазону напряжения (начиная с 0 и кончая ±6 В, с измерением на гнездах измерительной цепи заданного значения).

Заданное напряжение в ± 9 В на входе составит напряжение в ±6 В на гнездах измерительной цепи заданного значения. Если будет включаться заданная величина меньше ±9 В на входе образователя линейной функции с насыщением, сокращается максимум время линейной функции с насыщением.

Выходной сигнал образователя линейной функции с насыщением поступает к сумматору и образователю скачкообразной функции. Образователь скачкообразной функции вырабатывает на своем входе скачкообразную функцию, которая суммируется в сумматоре с выходным сигналом образователя линейной функции с насыщением. Скачкообразная функция требуется для быстрого прохода через нулевое перекрытие клапана.

Такой скачок будет эффективным при малых заданных напряжениях (ниже 10 мв). Если заданное напряжение возрастет на большую величину, образователь скачкообразной функции будет выдавать постоянный сигнал.

Выходной сигнал сумматора оказывает воздействие на обе конечные ступени посредством регулятора тока, датчика тактовых импульсов и усилителя мощности. К вышеизложенному следует добавить еще следующее:

а) Дифференциальный вход заданных значений в диапазоне 0 — ± 10 В. Такой вход требуется для того, чтобы произвести высокоомное разделение между картой усилителя клапана и внешней электронной системой управления.

б) Для колебательного движения может применяться реле Кб. Посредством релейного контакта Кб переключается на выходе напряжение в — 9 В на напряжение в + 9 В.

Если выход будет соединен с входами заданных значений, то посредством вызова соответствующего реле и реле Кб будет произведено изменение направления.

В качестве дополнения к описанному выше пропорциональному усилителю предусматривается пропорциональный усилитель с 5 регулируемыми отрезками времени линейной функции с насыщением.

Он соответствует в принципе усилителю с одним регулируемым отрезком времени линейной функции с насыщением и располагает такими же возможностями для применения.

Данная карта усилителя была укомплектована еще с помощью дополнительной съемной платы со штекерным разъемом. Благодаря этому предоставляется возможность назначать каждому вызову заданного значения время линейной функции с насыщением, которое может устанавливаться отдельно.

Пропорциональные усилители для клапанов с электрической обратной связью.

Из электросети потребителя в 220В/380 В вырабатывается напряжение питания для карты пропорционального усилителя с помощью трансформаторов с выпрямителем.

К зажимам (+) и (ОВ) прикладывается напряжение питания. На карте усилителя такое напряжение питания сглаживается и из этого напряжения образуется стабилизированное напряжение в ± 9 В.

Стабилизированное напряжение в ± 9 В служит для:

а) питания внешних или внутренних потенциометров с возможностью отвода на (+ 9В) и на (- 9В).

б) питания внутренних операционных усилителей На карте усилителя сидят 4 потенциометра для установки заданного значения R1, R2, R3 и R4.

Для того, чтобы можно было отрегулировать заданное напряжение, следует зажимы входов заданного значения соединить со стабилизированным напряжением в +9 В или — 9 В.

Если входы заданного значения будут приложены к +9 В, то электромагнит станет активным.

Если входы заданного значения будут приложены к -9 в, то электромагнит В станет активным.

Установленные заданные напряжения R1, R2, R3 и R4 вызываются через реле.

При вызове задающих потенциометров R1… R4 вырабатывается на входе образователя линейной функции с насыщением скачкообразный сигнал.

Образователь линейной функции с насыщением вырабатывает из скачкообразно нарастающего входного сигнала медленно нарастающий выходной сигнал. Время нарастания (крутизна) выходного сигнала можно регулировать на потенциометре Р5 (время линейной функции с насыщением).

Указанное время линейной функции с насыщением, составляющее максимум 5 секунд, может обеспечиваться только по всему диапазону напряжения (начиная с 0 и кончая ±6 В, с измерением на гнездах измерительной цепи заданного значения).

Заданное напряжение в ± 9 В на входе составит напряжение в ± 6 В на гнездах измерительной цепи заданного значения.

Если на входе образователя линейной функции с насыщением будет включаться меньшая величина, чем ± 9 В, то время линейной функции с насыщением будет сокращаться.

Выходной сигнал образователя линейной функции с насыщением поступает к сумматору и к образователю скачкообразной функции. Образователь скачкообразной функции вырабатывает на своем выходе скачкообразную функцию, которая суммируется в сумматоре с сигналом ускорения образователя линейной функции с насыщением. Скачкообразная функция требуется для быстрого прохождения через нулевое перекрытие клапана.

Такой скачок будет эффективным при малых заданных напряжениях (ниже 10 мв). Если заданное напряжение возрастет на более высокую величину, образователь скачкообразной функции будет выдавать постоянный сигнал.

Выходной сигнал сумматора подается как заданное значение к PID-регулятору.

Осциллятор превращает сигнал постоянного тока в сигнал переменного тока (частота 2,5кГц). Такой сигнал оказывает воздействие на индуктивный датчик перемещения.

Датчик перемещений изменяет в зависимости от позиции поршня клапана переменное напряжение. Сигнал переменного напряжения возвращается из демодулятора как сигнал постоянного напряжения.

Согласующий усилитель усиливает постоянное напряжение до макс. напряжения в ± 6 В (макс. ход поршня). Выходной сигнал согласующего усилителя подводится к PID-регулятору как действительное значение.

PID-регулятор оптимизирован специально на тип клапана. Он подает в зависимости от разности заданной и действительной величин сигнал. Такой выходной управляет конечной ступенью усилителя.

Устройство для определения места повреждения кабеля контролирует подводящую линию к датчику перемещений ив случае дефекта обесточивает оба электромагнита.

Блоки управления, имеющие крепление на DIN-рейку, выполнены в корпусах типа МЕ17,5UTR. Блок выполнен в виде двух печатных плат с двухсторонним монтажом электронных компонентов. На лицевую панель выведены необходимые для настройки и работы регулировки и средства индикации.

Подключение электронного блока осуществляется через винтовые разъемы.

Корпуса защищают электронику от загрязнений и соответствуют по степени защиты требованиям IP40.

Блоки управления формата «EUROCARD» выполнены в виде двухсторонней печатной платы с односторонним монтажом электронных компонентов с прикрепленной к ней лицевой панелью или без нее. На переднюю панель выведены необходимые для настройки и работы регулировки, контрольные измерительные гнезда и средства индикации.

С другой стороны печатной платы расположен штепсельный разъем, через который осуществляется коммутация блока управления с внешними электрическими цепями.

Рисунок 1.4 — Основные габаритные и присоединительные размеры Тип разъема — СНП58−64/94×9В-23−2 (в комплект поставки входит ответная часть СНО63−64/95×9Р-24−2-В) или СНП59−32В-23−2-В (с ответной частью СНО59−32Р-20−2).

Рисунок 1.5 — Основные габаритные и присоединительные размеры

Основные технические параметры электронных блоков управления приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 — Основные технические параметры электронных блоков управления

Электронные блоки имеют защиту от ошибочной переполюсовки источника питания.

Электронные блоки обеспечивают возможность управления работой гидроаппарата от маломощных управляющих устройств, в том числе от устройств ЧПУ, а также ручного дистанционного управления.

Электронные блоки обеспечивают независимость выходного параметра гидроаппарата от колебаний напряжений в сети и нагрева обмотки электромагнита.

Электронные блоки БУ1110Н и БУ 2110Н обеспечивают питание датчика положения и индикацию нарушений в канале датчика положения, его подводящих проводах. При этом загорается светодиод «АВАРИЯ» с одновременным обесточиванием обмоток электромагнитов.

Электронные блоки обеспечивают линейное во времени изменение выходного параметра гидравлического аппарата как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения при ступенчатом воздействии управляющего сигнала.

Электронные блоки могут устанавливаться в любом положении.

Электронные блоки должны быть предохранены от попадания на них масла и других химически агрессивных веществ. Окружающая среда невзрывоопасная с допустимым содержанием агрессивных газов, паров и пыли в концентрациях, не превышающих указанных в ГОСТ 12.1.005.

Электронные блоки управления входят в число модульных конструкций. Монтаж Электронных блоков производить в соответствии с требованиями и рекомендациями стандартов с соблюдением требований ПУЭ и ПТБ.

Степень защиты блоков IP0 по ГОСТ 14 254.

Электрический монтаж проводить согласно электрическим схемам подключения БУ хххххххххххх — 00.00Э5.

Произвести экранирование для линий подачи управляющего напряжения и линий индуктивного датчика перемещений.

Не рекомендуется проводить монтажные провода схемы вблизи токопроводящих силовых линий, работающих в импульсном режиме (тиристорных преобразователей и т. п.).

2. Разработка структурной схемы устройства

2.1 Выбор и обоснование функциональной схемы

Функциональная схема блока управления (БУ) представлена на рисунке 2.1, на котором представлены следующие функциональные элементы.

БМ — блок масштабирования, предназначен для масштабирования сигнала с датчика обратной связи;

ФНС — формирователь длительности нарастания / спада сигнала возбуждения пропорциональных магнитов при резком изменении сигнала управления Uупр., необходим для предотвращения гидравлических ударов гидросистеме;

ФУПМ1, ФУПМІ - формирователи сигналов управления пропорциональными магнитами 1,2;

СУПМ — сумматор, выделяющий разность напряжений с БМ и ФУПМ 1,2;

Ус — усилитель рассогласования сигналов обратной связи и управления;

ГТК — генератор треугольных напряжений, необходим для получения широтно-импульсного напряжения (ШИМ), которым управляются пропорциональные магниты;

К 1,2 — компараторы напряжения, осуществляющие модуляцию импульсов в соответствии с выходящим напряжением усилителя рассогласования;

Кл1, Кл2 — бесконтактные ключи, подающие питающее напряжение на пропорциональные магниты ПМ 1, ПМ 2;

ПМ 1,2 — пропорциональные электромагниты, управляющие положением золотника гидрораспределителя;

ДОС — датчик обратной связи, вырабатывающий пропорциональный перемещению золотника гидорраспределителя сигнал.

VD 1, VD 2 — возвратные диоды, обеспечивающие пути замыкания индуктивных токов обмоток ПМ 1,2 при выключении Кл 1,2;

БП — блок питания, обеспечивающий формирование стабилизированного напряжения +18 В и +9 В из входного напряжения +24 В. Напряжение +9 В является условно нулевым напряжение в блоке управления. Причем напряжение Uупр от 9 до 18 В возбуждает ПМ1, а напряжение Uупр от 9 до 0 В возбуждает ПМІ;

Рисунок 2.1 — Функциональная схема блока управления Блок управления работает следующим образом.

Когда управляющее напряжение равно 9 В возбуждение пропорциональных магнитов ПМ1 и ПМІ отсутствует и золотник гидрораспределителя находится в нейтральном положении и доступ рабочей жидкости в исполнительный орган отсутствует. Датчик обратной связи вырабатывает нулевой сигнал. При превышении управляющего напряжения уровня 9 В, сигнал управления проходи через ФУПМ1 и подаётся на вход сумматора, на инвертирующий вход которого подаётся сигнал, через БМ, с датчика обратной связи. Через усилитель Ус и компаратор К1 сигнал рассогласования проходит на ключ Кл1 и ПМ1 возбуждается, ток через него растёт до тех пор пока золотник распределителя не займёт положение, при котором сигнал с выхода Сумм. Не станет равным нулю. Таким образом положение золотника гидрораспределителя соответствует управляющему напряжению. Чем выше управляющее напряжение, тем выше расход через гидрораспределитель и наоборот. Соответствующая картина получается при уменьшении Uупр относительно 9 В. Только при этом задействованными в цепи возбуждения оказываются ФУМП2, Ус, К2, Кл2, ПМІ. А золотник относительно нейтрального положения сдвигается в противоположную сторону. Чем осуществляется реверсирование расхода через гидрораспределитель.

Таким образом, положение золотника гидрораспределителя, а стало быть и расхода через него, строго соответствует управляющему напряжению Uупр.

3. Разработка электрической принципиальной схемы устройства

3.1 Расчёт формирователя длительности нарастания / спада (ФНС)

Принципиальная схема ФНС представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 — Принципиальная схема ФНС На операционном усилителе ОУ1 реализован повторитель напряжения. R1, C1 — фильтр нижних частот, предназначенный для фильтрации напряжения Uвх от высокочастотных помех. Выбираем частоту среза fс фильтра нижних частот равной 16 Гц. Тогда:

; (3.1)

Задаёмся: С1=Ф =1мкФ, тогда R1=10кОм На ОУ2 и ОУ3 реализована схема обеспечивающая плавное нарастание / спад выходного напряжения Uупр1 при скачкообразном изменении входного Uупр. Регулируемым резистором R4 устанавливается время нарастания / спада tн/tсп. По инвертирующему входу ОУ2 имеет значительный коэффициент усиления. Кус=. На ОУ3 реализован инвертирующий интегратор. В целом схема представляет собой повторитель. В статическом режиме напряжение Uупр1 повторяет напряжение Uупр. При таком изменении напряжения Uупр выходное напряжение ОУ2 принимает максимальное значение, а интегратор на ОУ3 начинает увеличивать своё входное напряжение до уровня Uупр с постоянной времени равной,

t_н=t_сп;

где

k — коэффициент деления делителя R4, R5.

Таким образом:

При Uупр=9 В, Umax=9 В, k=, tн=tс=30 с. Исходя из этого постоянная времени R0C2=0,3 с. Выбираем C2=1 мкФ, R6=300 кОм.

Для обеспечения коэффициента деления равного 100 задаёмся R5=100 Ом, R4=10 кОм.

Таким образом коэффициент изменения tн/tсп можно регулировать в пределах 0,3ч300 сек.

3.2 Расчёт формирователей для управления пропорциональными магнитам

Электрическая схема формирователя сигналов управления пропорциональными магнитами дана на рисунке 3.2. Назначение ФУМП1 заключается в том, что управляющее напряжение от 9 до 18 В он должен пропустить на выход без изменения, а при Uупр от 0 до 9 В на его выходе должен быть нулевой (0В) сигнал.

Рисунок 3.2 — Электрическая схема ФУМП 1,2

На основе ОУ1 реализован ФУМП 1, он представляет собой схему «точного» диода. При положительном (>9В) Uупр1 VD2 — открыт, VD1 — заперт, схема представляет собой повторитель напряжения. При этом напряжении VD4 — заперт, VD3 — открыт. Так как обратной связи в ОУ2 нет, то он насыщен. На его выходе присутствует напряжение Uнас=18 В. Через диод VD3 это напряжение подаётся на потенциометр R4, используемый для задания смещения в пропорциональный магнит ПМ1. Аналогичная картина получается если Uупр1 < 9 В. Только ОУ1 и ОУ2 меняются местами. Выбираем R1=R3=10кОм, R2=R4=10кОм, VD1чVD4 КД521А.

Одним из требований для блока управления является наличие зоны нечувствительности к сигналу управления. Эта зона должна составлять 1ч2% от максимального управляющего напряжения, равного 6 В. Для обеспечения этого требования используется схема, представленная на рисунке 3.3.

Порог зоны нечувствительности задаётся делителями R1, R2 и R3, R4. При выбранных значениях сопротивлений резисторов порог зоны нечувствительности составляет ±0,12 В относительно середины питания 9 В. Светодиоды VD1 и VD2 необходимы для визуализации нахождения Uупр в зоне нечувствительности. Когда светодиоды не светятся 8,88< Uупр<9,12 В. При этом должен существовать запрет на работу ключевых элементов Кл1, Кл2. Напряжение U31, U32=18 В.

3.3 Расчёт генератора треугольных колебаний (ГТК)

Принципиальная схема генератора треугольных колебаний представлена на рисунке 3.4. ГТК реализован на ОУ1, ОУ2. На выходе ОУ2 формируются симметричные относительно середины питания треугольные колебания частота которых равна

f=; (3.2)

где ф=C (R3+R4).

Частота колебаний должна иметь возможность регулировки в пределах 25ч160 Гц. В качестве С выбираем конденсатор ёмкостью 1мкФ. По условию устойчивости возникновения колебаний необходимо, чтобы R1 было больше R2. Выбираем R1=13кОм, R2=10кОм. В качестве R3 — 10кОм, тогда значение резиcтора R4 будет равно 2кОм.

Рисунок 3.4 — Принципиальная схема генератора треугольных колебаний На ОУ3, ОУ4 реализованы каскады сдвига уровня треугольного напряжения. Сдвиг уровня необходим для формирования широтно-импульсного напряжения, которым запитывается ПМ1, ПМІ. Напряжение Uг1, Uг2 для правильной работы компараторов должны быть соответственно ниже (Uг1) и выше (Uг2) середины питания. Резисторы R5, R6 необходимы для смещения соответствующих напряжений. Выбираем значения резисторов R5, R6=10кОм; R9, R10=30кОм; R7, R8, R11, R12=15кОм.

3.4 Расчет компараторов и ключевых элементов

Схема компараторов и ключевых элементов для ПМ1 представлены на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 — Схема компаратора К1 и ключа Кл2

Компаратор реализован на основе ОУ (LMі24) на неинвертирующий вход которого подается напряжение с выхода генератора Uг1, а на инвертирующий — напряжение с выхода усилителя рассогласования. Для срабатывания в компараторе реализована положительная обратная связь — резисторы R1, R2. В результате на выходе компаратора формируется широтно-импульсное напряжение. Ширина импульсов пропорциональна току пропорциональных магнитов.

Ключевой каскад реализован на транзисторах VT2, VT3. VT2 используется для согласование уровней напряжений с выхода компаратора и силового полевого транзистора с каналом p-типа VT3.

При высоком уровне выходного напряжения компаратора транзистор VT3 должен быть насыщен. Его напряжение затвор-исток должно быть больше порогового Uпорог. При этом транзистор VT2 должен быть насыщен. Уровень порогового напряжения задает делитель R7, R8, а насыщение VT2 определяет базовый резистор R5.

Выбираем коллекторный резистор VT2 равным R7+R8=20кОм, тогда по условию насыщения

I_в>; (3.3)

; (3.4)

где

Uвых. комп. max — выходное напряжение компаратора высокого уровня;

Uвых. комп. max=(18−1,5) В=16,5 В для LМі24;

Епит — напряжение питания ключевого транзистора VT3, Епит2=24В; вVTt2 — коэффициент усиления по току транзистора VT2. в = 20, тогда

R5<

Для уверенного насыщения выбираем ВС847. Его основные характеристики следующие:

Uкэ, max, В не более 50

Uбэ, max, В не более 6

Iк, max, mA 100

Uкэ, нас, В 0,25

в, не менее 20

Для силового транзистора, в качестве которого выбираем полевой транзистор IRF9Z34N, основные характеристики следующие:

Rсн, Ом не менее 0,1

Uзн, max, В не мене 50

I, A не более 100

А0 Uпер, В -2; - 4

Таким образом при насыщении транзистора VT2, падение напряжения на резисторе R7 должно быть больше, чем 4 В. Выбираем UR7=20кОм. Тогда R7 должно быть равно R8. Поскольку R7+R8=20кОм, то R7=10кОм, R8=10кОм.

Выбираем резисторы R5, R7, R8 С1−4-1−15 кОм±5%.

Резистор R6 необходим для уверенного запирания транзистора VT2. При таком уровне напряжения на выходе компаратора, для LMі24 это напряжение составляет 0,7 В, напряжение UБэVT2 должно быть меньше, чем 0,5 В.

Выбираем R6=2кОм. Тогда:

U_БЭ===0,23 В (3.5)

Транзистор VT1 необходим для выключения ключа Кл пир приходе высокого уровня с компаратора схемы формирования зоны нечувствительности (см. рисунок 3.4.1). При высоком уровне этого напряжения транзистор должен насыщаться и обеспечивать напряжение UБэVT2 меньше чем 0,5 В. Для обеспечения этого напряжения выбираем R3= 10кОм, R4= 2кОм.

Диод VD1 — возвратный, он обеспечивает замыкание тока через индуктивную нагрузку — пропорциональный магнит ПМ-1. Выбираем диод SS23 [7]

Uобр, В, не более 30

I max, А, не более 2

Uпр, (I=2А), В, не более 0,5

Iобр (Uобр=30 В), mA, не более 0,4

I имп, А, не более 50

3.5 Расчет стабилизатора напряжения

Поскольку схема запитывается от бортовой сети автомобиля с номинальным значением 24 В в рабочем состоянии (при работающем двигателе) напряжение борт сети имеет номинальное значение 28 В. Схема питается от стабилизатора напряжения с номинальным значением 18 В, а нулевая шина обеспечивается стабилизатором 9 В.

Рисунок 3.6 — Схема стабилизатора питания блока Для защиты схемы от обратного напряжения используется диод VD1 и предохранитель F1. Поскольку максимальное потребление схемы составляет 1.5А, то в качестве предохранителя используем плавкий предохранитель с током срабатывания 3А. Диод VD1 должен выдерживать этот ток при приложении к схеме напряжения обратной полярности. В качестве диода используем диод SS23. Таким образом при приложении напряжения обратной полярности открывается диод VD1 и сгорает предохранитель F1. Диод при этом сгорать не успевает.

Для защиты от импульсных перенапряжений в схеме использован варистор S07K25, основные характеристики которого следующие [9]:

Максимальное переменное напряжение 25 В Максимальное постоянное напряжение 31 В Максимальный импульсный ток 250А Поглощаемая энергия 1,6Дж Для обеспечения питания операционных делителей используется стабилизатор LM7818 с номинальным напряжением 18 В. Его основные характеристики следующие:

Максимальное входное напряжение В, не более… 35

Диапазон выходных напряжений, В…17,3ч18,7

Изменение выходного напряжения при изменении входного (24ч30В), В, не более,… 0,18

Изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки (0,25ч0,75А), В, не более …0,18

Ток потребления, мА, … 8

Температурный коэффициент выходного напряжения, мВ/оС,? … — 1,0

Коэффициент подавления пульсаций входного напряжения, дБ,? …69

Минимальное проходное напряжение, В, …2

Выходное сопротивление на частоте 1кГц, мОм…22,0

Ток короткого замыкания, А,? … 0,25

Максимальный выходной ток, А, … … 2,2

Конденсаторы С1, С2, С3 выбираем:

С1 — электролитический 47,0×35 В.

С2 — керамический 1,0 мкФ.

С3 — электролитический 47,0×25 В.

С4 — керамический 1,0 мкФ.

С5 — электролитический 47,0×10 В.

В качестве второго стабилизатора выбираем микросхему LM7809, с номинальным напряжение питания 9 В. Это напряжение используется для обеспечения виртуального нуля в схеме блока управления. Основные характеристики те же что и для микросхемы LM7818.

3.6 Энергои ресурсосбережению

Высокий уровень потребления топливно-энергетических ресурсов, обусловленный недостаточной энергетической эффективностью производства и потребления энергии, постоянный рост цен на энергоносители, большой моральный и физический износ энергетических мощностей ставят перед Республикой Беларусь важнейшую задачу энергосбережения. Особую актуальность повышению энергетической эффективности придают дефицит вырабатываемой в РБ электрической энергии, зависимость обеспечения топливом от его поставок из других регионов СНГ, а также необходимость реформирования жилищно-коммунального хозяйства Республики Беларусь.

Реализация мероприятий по энергосбережению отвечает задачам социально-экономического развития Республики Беларусь и относится к числу приоритетных направлений деятельности в РБ.

Основными целями проведения работ по энергосбережению в Республике Беларусь:

1) повышение эффективности использования ТЭР потребителями;

2) содействие устойчивому обеспечению населения, жилищно-коммунальной сферы и других отраслей экономики области топливно-энергетическими ресурсами;

3) уменьшение негативного воздействия топливно-энергетического комплекса (далее именуется — ТЭК) на окружающую среду;

4) снижение финансовой нагрузки на областной и республиканский бюджет за счет сокращения дотаций на приобретение ТЭР;

5) снижение размера платежей потребителей, в том числе бюджетных организаций, за ТЭР.

Для достижения этих целей должны быть решены следующие основные задачи:

— повышение эффективности функционирования ТЭК областей и республики в целом путем реконструкции и технического перевооружения его отраслей на новой технологической основе;

— повышение эффективности использования ТЭР за счет широкого внедрения энергосберегающих технологий и оборудования потребителями ТЭР в различных отраслях экономики области;

— развитие производства энергоэффективного оборудования и средств учета и регулирования расхода ТЭР предприятиями РБ;

— снижение вредного воздействия на окружающую среду объектов ТЭК за счет перехода на более экологически чистые виды топлива;

— развитие нетрадиционной энергетики.

Основными направлениями энергосбережения в Республике Беларусь являются:

— проведение энергетических обследований организаций;

— составление энергетических паспортов организаций;

— анализ показателей энергетической эффективности и выбор приоритетных энергосберегающих мероприятий;

— реализация приоритетных энергосберегающих мероприятий;

— оценка достигнутых энергосберегающего и экономического эффектов.

— Реализация этих направлений достигается за счет:

— установки средств учета и регулирования потребления ТЭР;