ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СЕРВОПРИВОД Российский патент 1997 года по МПК G05B5/01 F15B9/03 

Предлагаемое изобретение может быть использовано для привода рабочих органов различных установок в энергомашиностроении, судостроении и других отраслях.

Известна "Электрогидравлическая сервосистема" по патенту США 4612489, МКИ G 05 В 5/01, содержащая командные органы, блок управления электрогидравлические клапаны, блок сравнения, устройство обратной связи по положению гидравлического цилиндра. К недостаткам устройства можно отнести его недостаточное быстродействие.

Известен "Электрогидравлический рабочий механизм для непрерывно перемещающегося клапана" по заявке ФРГ 3329347, МКИ G 05 D 16/20, содержащий командные органы, управляющие блоки, электрогидравлические клапаны, регулирующий элемент, блок сравнения, компараторы, ключевые элементы в цепях обмоток клапанов. К недостаткам устройства также можно отнести недостаточное быстродействие ввиду наличия значительных индуктивностей обмоток управления клапанов и сложность гидравлической части схемы из-за наличия в мостовой схеме электромагнитных вентилей, а также наличия гидравлических дросселей.

Известно также "Устройство для управления сервомеханизмом" по основному изобретению по авт.св. 463809 и дополнительному авт.св. 769117, МКИ F 15 B 11/12, содержащее командные органы, блок управления, электрогидравлические клапаны с ключевыми элементами в цепях их обмоток, соединенные с полостями гидроцилиндра, устройство обратной связи. К недостаткам устройства относится недостаточное быстродействие из-за наличия значительных индуктивностей обмоток управления клапанов и недостаточная точность срабатывания.

Наиболее близким по технической сущности является "Aвтоматическая дистанционная система управления судовым дизелем" по авт.св. 1125396, МКИ F 02 D 37/00, содержащая командные органы, блок управления, электрогидравлические клапаны, соединенные с полостями гидроцилиндра, ключевые элементы в цепях обмоток клапанов, устройство обратной связи по положению гидроцилиндра. В гидравлической части устройства использован гидротормоз и гидравлический дроссель, что усложняет схему и снижает надежность. Обмотки клапанов выполнены исходя из постоянного подключения их к шинам питания. Большие индуктивности обмоток управления клапанов и гидродросселя снижают быстродействие системы. Точность позиционирования вследствие этого низка.

Предлагаемое устройство решает задачи повышения быстродействия и точности позиционирования сервопривода и повышения его надежности.

Для решения указанных задач в сервопривод, содержащий ключ выбора режима, ключи перемещения гидроцилиндра на шаг влево и вправо, задатчик положения и датчик положения гидроцилиндра, подключенные соответственно к первому, второму, третьему, четвертому и пятому входам блока управления, и электрогидравлические клапаны, соединенные с полостями гидроцилиндра, установлены ключевые элементы, элементы И, регулирующий элемент, и датчик, и задатчик тока, причем выводы обмотки каждого электрогидравлического клапана подключены к шинам питания соответственно через первый и второй ключевые элементы, управляющие входы первых ключевых элементов в обмотках электрогидравлических клапанов соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, а управляющие входы вторых ключевых элементов в обмотках электрогидравлических клапанов соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И, первые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, а вторые входы с выходом регулирующего элемента, ко входам которого подключены датчик и задатчик тока; блок управления содержит два ключа, два переключателя и сумматор, к выходу которого подключены соответственно инверсный и прямой входы первого и второго компараторов, другие входы которых соединены с общей шиной. Подключенный к выходу сумматора преобразователь напряжение-частота, два элемента И, первые входы которых соединены с выходом преобразователя напряжение-частота, а вторые входы с выходами первого и второго компараторов, а также два одновибратора, выходы которых являются выходами блока управления, причем первый вход блока управления соединен с управляющими входами ключей и переключателей, четвертый и пятый входы блока управления соединены через первый и второй ключи со входами сумматора, выходы элементов И соединены с первыми входами переключателей, вторые входы которых соединены соответственно с вторым и третьим входами блока управления, а выходы переключателей подключены ко входам одновибраторов.

На фиг.1 представлена функционально-принципиальная электрогидравлическая схема сервопривода, на фиг.2 принципиальная схема блока управления, на фиг.3 принципиальная электрическая схема элемента регулирования, на фиг.4 - совмещенный график тока (график "а") и напряжения (график "б") в обмотке электрогидравлического клапана.

Сервопривод содержит блок управления 1, к которому подключены задатчик положения 2, ключ выбора режима 3 с контактами 3.1.3.4, ключи перемещения на шаг влево 4 и на шаг вправо 5. Исполнительным органом является гидроцилиндр 6, имеющий датчик положения 7, подключенный к блоку управления 1. Полости гидроцилиндра сообщены с электрогидравлическими клапанами 8 и 9. В цепях обмоток клапанов 8 и 9 установлен датчик тока 10, подключенный наряду с задатчиком тока 11, ко входам регулирующего элемента 12. Обмотка клапана 8 соединена последовательно с электронными ключами 13, 14, а обмотка клапана 9
с электронными ключами 15, 16. Ключи 13 и 15 подключены к блоку управления 1 непосредственно, а ключи 14 и 16 через элементы И 17, 18, к другим входам которых подключен выход регулирующего элемента 12. Защита от перенапряжений при возникновении противо-ЭДС самоиндукции при размыкании ключей ввиду наличия индуктивностей обмоток осуществляется блоками диодов 19, 20. Электропитание силовых цепей сервопривода осуществляется от шин питания 21, 22, а гидравлическое питание от напорной 23 и сливной 24 магистралей. Обмотка клапанов 8 и 9 выполнена таким образом, что не допускается ее постоянное подключение к шинам питания 21 и 22. Блок управления 1 представляет собой знакочувствительный преобразователь разности входных сигналов в частоту следования импульсов нормированной длительности Δt Преобразователь включает два ключа 3.1 и 3.2 и два переключателя 3.3 и 3.4, соответственно являющиеся контактами ключа выбора режима 3, и выполнен в виде последовательно включенных сумматора 25, преобразователя напряжение-частота (ПНЧ) 26, двух параллельно соединенных компараторов 27, 28, разноименный входы которых (т.е. у одного компаратора прямой вход, у второго инверсный) объединены, двух элементов И 29, 30, входы которых соединены с ПНЧ 26 и компараторами 27, 28, а входы связаны c входами элементов нормировки (установки ) длительности импульса
одновибраторами 31, 32. Регулирующий элемент 12 выполнен в виде компаратора 33, охваченного положительной обратной связью, и имеющего вследствие этого характеристику с петлей гистерезиса. Линии связи на фиг.1.3 обозначены позициями 34.43.

Сервопривод работает следующим образом. В исходном состоянии ключ выбора режима 3 находится в нейтральном положении, ключи перемещения на шаг влево 4 и на шаг вправо 5 разомкнуты, ключи 13.16 подключения обмоток клапанов 8 и 9 к шинам питания 21, 22 также разомкнуты. Клапаны 8 и 9 находятся в закрытом состоянии, отсекая полости цилиндра 6 от магистралей гидравлического питания 23 и слива 24. Сигнал датчика положения 7 соответствует фактическому положению поршня. Задатчик положения 2 установлен в положение, при котором его сигнал равен сигналу датчика положения 7 в требуемом исходном положении поршня. Значение уставки задатчика тока 11 установлено при наладке устройства, как и величина длительности импульса одновибраторов 31, 32.

Работа привода возможна в двух режимах: ручном либо автоматическом в зависимости от положения ключа выбора режима 3. Если ключ выбора режима установлен на ручное управление, одновибраторы 31, 32 подключаются к ключам 4 и 5, которыми манипулирует оператор.

Предположим, что оператор замкнул ключ 4 перемещения привода на шаг. Одновибратор 13 независимо от длительности замыкания ключа 4 оператором вырабатывает одиночный импульс нормированной длительности Δt. Этот одиночный импульс длительности Δt на выходе 39 блока управления замкнет ключ 3.1 и одновременно поступит к элементу И 17. На его другом входе уже присутствует логическая "1" от регулирующего элемента 12, так как на его входах сигнал уставки от задатчика 11 есть, а сигнал величины тока от датчика тока 10 равен нулю, поскольку цепь разомкнута и тока в ней нет. Вследствие этого, на выходе элемента И 17 появится сигнал, который замкнет ключ 14. Тем самым обмотка клапана 8 через ключи 13 и 14 окажется подключенной к шинам питания 21, 22. В цепи начнется нарастание тока по закону, приближенно описываемому формулой, известной из электротехники:
(*)
где U напряжение на обмотке;
R cопротивление обмотки;
L индуктивность обмотки;
t время;
Если бы обмотка была подключена к шинам питания постоянно, то ток в ней достиг бы величины, определяемой из выражения:

что изображено на фиг.4а пунктиром. Но, как указано выше, обмотка выполнена таким образом, что не допускается ее постоянное подключение к шинам питания. Предельно возможный по условию сохранения работоспособности постоянный ток I_вык через нее выбирается много меньшим, чем I_maх например 0,1 0,2_maх. Вследствие этого она имеет много меньше индуктивность и омическое сопротивление по сравнение с обмоткой, предназначенной на постоянное пребывание под полным напряжением, при том же токе I_вык. Поэтому время, за котором ток по закону "*" достигнет значения тока I_вык, будет малым по сравнению с временем нарастания тока до величины I_вык в обмотке, предназначенной на постоянное подключение к шинам питания с этим током (штрих пунктирная кривая на фиг. 4а). Поэтому длительность импульса Δt на одиночное срабатывание клапана можно сделать малой, например 0,01 с.

Задатчик 11 настраивается на величину тока I_вык. После замыкания ключа 14, в цепи начнется быстрое нарастание тока по закону "*". Через малый по сравнению с Δt промежуток времени, например 0,001 с. ток в цепи достигнет значения I_вык (cм. график, фиг.4, отрезок времени 0.t₁) и на выходе регулирующего элемента 12 сигнал станет равным логическому "0". Ключ 14 разомкнется и обмотка начнет разряжаться через диоды 19, датчик тока 10, ключ 13 и участок шины питания 22 между диодами 19 и датчиком тока 10. Сопротивление этой цепи малое, поэтому падение тока будет происходить относительно медленно (см. график, фиг.4, отрезок времени (t₁.t₂). Когда величина тока упадет до величины I_вкл, меньшего I_вык на величину, определяемую петлей гистерезиса регулирующего элемента 12, последний формирует на выходе снова логическую "1", ключ 14 снова замкнется и ток начнет увеличиваться (отрезок времени t₂. t₃ на графике фиг.4). При достижении током величины I_вык процесс снова повторяется и т.д. до окончания импульса Δt. При окончании импульса Δt разомкнутся оба ключа 13 и 14 и разряд индуктивности пойдет через диоды 19, 20 и источник питания шин 21, 22. Поскольку в этом случае разряд индуктивности будет идти при высоком напряжении источника питания, ток в обмотке быстро упадет до нуля и клапан закроется. Частота следования импульсов "0" и "1" на выходе регулирующего элемента 12 определяется величиной его петли гистерезиса, L, R обмотки и, например, при Δt может быть установлена на уровне 2 3 кГц.

При замыкании ключа 5 процесс будет протекать аналогично, только при этом будут срабатывать ключи 15 и 16.

При автоматическом режиме работы, в зависимости от знака разности входных сигналов на входах 37 и 38, на соответствующем выходе формируется последовательность импульсов нормированной длительности Δt частота следования которых зависит от величины разности, например, пропорциональна ей. Это достигается подключением с помощью компараторов 27, 28 и элементов И 29, 30 соответствующего одновибратора 31 или 32 к ПНЧ 26, частота колебаний выходного сигнала которого пропорциональна выходному напряжению сумматора 25, которое, в свою очередь, при линейной обратной связи, пропорционально разности сигналов от датчика 7 положения гидроцилиндра и задатчика положения 2, которым манипулирует оператор, задавая нужное ему положение поршня гидроцилиндра.

При нелинейной обратной связи в сумматоре 25 зависимость между разностью входных напряжений и частотой следования импульсов будет нелинейной.

При каждом импульсе Δt на выходе блока управления 1 происходит описанный выше процесс.

При большом рассогласовании сигналов задатчика 2 и датчика 7 эти импульсы могут слиться в один постоянный длительный сигнал. Клапан при этом будет постоянно открыт, что обеспечивает большую скорость движения поршня гидроцилиндра. По мере уменьшения рассогласования между заданным и фактическим положением привода, частота следования выходных импульсов уменьшается вплоть до одиночных импульсов и полного прекращения их формирования и, соответственно, уменьшается скорость движения поршня гидроцилиндра.

Так как, в соответствии с вышеизложенным, длительность одиночного импульса может быть малой, то, соответственно, будет малым и перемещение поршня гидроцилиндра за один импульс. Если, например, для полного перемещения поршня требуется 5000 импульсов, то перемещение на один импульс составит всего 1/5000 полного хода поршня. Благодаря этому, без всяких дополнительных устройств в виде тормоза, гидравлически дросселей и т.п. достигается высокая точность позиционирования, большой диапазон скоростей движения привода от "ползучих" при единичных импульсах до весьма больших при постоянном открытии клапана.

Отсутствие дополнительных тормозящих устройств упрощает привод и повышает его надежность и быстродействие. Достижение указанных технических эффектов осуществляется за счет совокупности заявленных признаков.

По мнению авторов, заявляемое техническое решение имеет изобретательский уровень, т.к. оно для специалиста средней квалификации данного профиля явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение является промышленно применимым, т.к. может быть использовано в качестве сервопривода в различных отраслях народного хозяйства, а возможность его изготовления не вызывает сомнений при существующем уровне технологии изготовления объектов подобного типа.

Назначение: изобретение может быть использовано для привода рабочих органов различных установок в энергомашиностроении, судостроении и других отраслях. Сущность: электрогидравлический сервопривод содержит соединенные с полостями гидроцилиндра электрогидравлические клапаны 8, 9, две пары ключевых элементов 13, 14 и 15, 16, блок управления 1 и датчик тока 10, задатчик тока 11, регулирующий элемент 12. Блок управления включает по два ключа 3.1 и 3.2, переключателя 3.3, 3.4, компаратора 27 и 28, элемента И 29 и 30, одновибратора 31 и 32, а также сумматор 25 и преобразователь напряжение - частота 26. Благодаря малой индуктивности обмоток управления клапанов 8, 9 повышается быстродействие устройства и точность позиционирования. 1 з. п.ф-лы, 4 ил.

1. Электрогидравлический сервопривод, содержащий ключ выбора режима, ключи перемещения гидроцилиндра на шаг влево и вправо, задатчик положения и датчик положения гидроцилиндра, подключенные соответственно к первому, второму, третьему, четвертому и пятому входам блока управления, и электрогидравлические клапаны, соединенные с полостями гидроцилиндра, отличающийся тем, что в нем установлены ключевые элементы, элементы И, регулирующий элемент и датчик и задатчик тока, причем выводы обмотки каждого электрогидравлического клапана подключены к шинам питания соответственно через первый и второй ключевые элементы, управляющие входы первых ключевых элементов в обмотках электрогидравлических клапанов соединены соответственно с первым, вторым выходами блока управления, а управляющие входы вторых ключевых элементов в обмотках электрогидравлических клапанов соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И, первые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, а вторые входы с выходом регулирующего элемента, к входам которого подключены датчик и задатчик тока. 2. Сервопривод по п. 1, отличающийся тем, что блок управления содержит два ключа, два переключателя и сумматор, к выходу которого подключены соответственно инверсный и прямой входы первого и второго компараторов, другие входы которых соединены с общей шиной, подключенный к выходу сумматора преобразователь напряжение частота, два элемента И, первые входы которых соединены с выходом преобразователя напряжение частота, а вторые входы с выходами первого и второго компараторов, а также два одновибратора, выходы которых являются выходами блока управления, причем первый вход блока управления соединен с управляющими входами ключей и переключателей, четвертый и пятый входы блока управления соединены через первый и второй ключи с входами сумматора, выходы элементов И соединены с первыми входами переключателей, вторые входы которых соединены соответственно с вторым и третьим входами блока управления, а выходы переключателей подключены к входам одновибратора.