專利名稱：比例閥輸出補償電路及控制方法
技術領域：
本發明涉及一種用于工程機械上由電瓶提供電源的比例閥輸出電路，特別是一種 比例閥輸出補償電路及控制方法。
背景技術：
工程機械的電源電壓由電瓶提供，而電瓶電壓會上下波動。電瓶電壓的波動和電 瓶的電量有一定關系，電量充足時，電壓較高，電量不足時，電壓較低。同時電瓶電壓也會隨 負載大小而發生變化。那么對于由電瓶電壓提供電源的比例閥的輸出會隨著電瓶電壓的高 低出現波動，影響比例閥的輸出效果。
發明內容
本發明的目的是要提供一種比例閥輸出補償電路及控制方法，解決由電瓶提供電 源的輸出會隨著電瓶電壓的高低出現波動的問題。本發明的目的是這樣實現的該補償電路包括光耦電路、開關變換電路、PWM輸出 電路、采樣電路、放大電路、低通濾波器和比較電路，光耦電路的輸出端與比較電路的輸出 端同時與開關變換電路的輸入端連接，開關電路的輸出端與PWM輸出電路的輸入端連接， PWM輸出電路的輸出端與采樣電路的輸入端連接，采樣電路的輸出端與放大電路的輸入端 連接，放大電路的輸出端和低通濾波器的輸出端同時與比較電路的輸入端連接。該補償電路的控制方法是處理器PIC16F73產生的PWMl信號，首先通過光耦進行 電氣隔離，然后通過一個二極管PDl接在三極管PTl的基極，三極管PT1、三極管PT2、三極 管PT3和三極管PT4為開關狀態，利用三極管PT1、三極管PT2、三極管PT3和三極管PT4的 開關特性把從三極管PTl基極輸入的信號調理成占空比不變，高電位、低電位幅值合理的 信號；此信號控制PWM輸出電路的場效應管PT5的通斷，把PWM輸出電路的信號加載在比例 閥的線圈上；比例閥線圈COIL回路中串聯一個采樣電阻rais，采樣電阻rais與比例閥線 圈POLL上流過的電流信號是一樣的；當比例閥線圈COIL有電流流過時，通過放大器POA把 采樣電阻上的電壓進行適當放大，經過放大器POA放大的信號作為比較器PUA的反向 輸入端信號；由處理器PIC16F73產生的根據輸入變化的另一路PWM2信號，通過RC低通濾 波處理變成與PWM2信號占空比成線性關系的直流信號，接在比較器PUA的同向輸入端，比 較器PUA的輸出信號送到光耦電路的輸出端，構成一個負反饋控制回路。有益效果，由于采用了上述方案，如果電源電壓發生變化，比較器反向輸入電壓也 會發生變化，從而影響比較器的輸出。比較器的輸出接在二極管正極，這樣光耦的輸出信號 與比較器的輸出信號共同控制三極管PTl的通斷，從而控制場效應管PT5的通斷時間，比例 閥線圈上的電流最終也會發生變化，由于經過處理的采樣信號接在比較器的反向輸入端， 因此場效應管PT5的導通時間與比較器反向輸入端的變化規律相反。當電瓶電壓為標準值 時，通過比例閥線圈的電流是我們的期望值。當電瓶電壓高于標準值時，流過比例閥線圈的 電流增加，比較器輸出低電平的時間增加，場效應管PT5導通的時間減小，這樣加在比例閥線圈上的有效電壓降低，從而減少了比例閥線圈的電流。當電瓶電壓低于標準值時，流過比 例閥線圈的電流減少，比較器輸出高電平的時間增加，場效應管PT5導通的時間增加，這樣 加在比例閥線圈上的有效電壓增加，流過比例閥線圈的電流也會增加。因此電路中電瓶電 壓輕微上下波動時，流過比例閥線圈的電流都會穩定在我們的期望值附近，起到電流補償 的作用。解決了由電瓶提供電源的比例閥輸出會隨著電瓶電壓的高低出現波動的問題，達 到了本發明的目的。優點本發明通過采樣比例閥線圈的輸出電流，并通過放大、比較處理后反饋到光 耦的輸出端，實現了電流負反饋。電路簡單可靠，易于實現。
圖1是比例閥輸出電流補償的電氣系統控制框圖。圖2是比例閥輸出電流補償的電氣系統原理圖。
具體實施例方式實施例1 該補償電路包括光耦電路、開關變換電路、PWM輸出電路、采樣電路、放 大電路、低通濾波器和比較電路，光耦電路的輸出端與比較電路的輸出端同時與開關變換 電路的輸入端連接，開關電路的輸出端與PWM輸出電路的輸入端連接，PWM輸出電路的輸出 端與采樣電路的輸入端連接，采樣電路的輸出端與放大電路的輸入端連接，放大電路的輸 出端和低通濾波器的輸出端同時與比較電路的輸入端連接。該補償電路的控制方法是處理器PIC16F73產生的PWMl信號，首先通過光耦進行 電氣隔離，然后通過一個二極管PDl接在三極管PTl的基極，三極管PT1、三極管PT2、三極 管PT3和三極管PT4為開關狀態，利用三極管PT1、三極管PT2、三極管PT3和三極管PT4的 開關特性把從三極管PTl基極輸入的信號調理成占空比不變，高電位、低電位幅值合理的 信號；此信號控制PWM輸出電路的場效應管PT5的通斷，把PWM輸出電路的信號加載在比例 閥的線圈上；比例閥線圈COIL回路中串聯一個采樣電阻rais，采樣電陽rais與比例閥線 圈POLL上流過的電流信號是一樣的；當比例閥線圈COIL有電流流過時，通過放大器POA把 采樣電阻上的電壓進行適當放大，經過放大器POA放大的信號作為比較器PUA的反向 輸入端信號；由處理器PIC16F73產生的根據輸入變化的另一路PWM2信號，通過RC低通濾 波處理變成與PWM2信號占空比成線性關系的直流信號，接在比較器PUA的同向輸入端，比 較器PUA的輸出信號送到光耦電路的輸出端，構成一個負反饋控制回路。處理器PIC16F73產生的占空比恒定的PWMl信號通過光耦POl輸出接在二極管 PDl的正極，二極管PDl的負極接三極管PTl的基極。三極管PT1、三極管PT2、三極管PT3、 三極管PT4組成開關變換電路，對輸入三極管PTl基極的高電平和低電平進行轉換。當輸 入三極管PTl基極B為高電平時，三極管PTl導通，三極管PTl的集電極C為低電平，電阻 PR4與電阻PR5分壓，三極管PT2導通，三極管PT2的集電極C為高電平，三極管PT4導通， 場效應管PT5導通，場效應管PT5的漏極D輸出高電平。當輸入三極管PTl基極B為低電 平時，三極管PTl不導通，三極管PTl的集電極C為高電平，三極管PT2不導通，三極管PT2 的集電極C低于電源電壓，三極管PT3導通，場效應管PT5不導通，場效應管PT5的漏極D 無輸出。
處理器PIC16F73產生的另一路根據輸入變化的PWM信號PWM2經過處理接在放 大器POA的同向輸入端。PWMl信號頻率要高于PWM2信號的頻率，一般為其整數倍。電容 PWCl、電容PWC2、電阻PR12、電容PWC3、電容PWC4、電阻冊13構成二階無源低通濾波網絡， 把PWM2信號轉換成與占空比成線性關系的直流信號。電阻電容的值要根據PWM2信號的頻 率和電壓精度來確定。電阻冊18為采樣電阻，其兩端分別通過電阻PR16、電阻冊17接在放大器POA的 同向和反向輸入端。由于采集的信號比較小，因此需要加上放大器進行適當的放大。電阻 PR16、電阻PR17、放大器POA和電阻冊15組成差分放大電路，把采樣電阻上的電壓信號放大 到適當的值。放大后的電壓信號通過冊14接到比較器PUA的反向輸入端。比較器PUA與電阻rail組成比較電路。比較器PUA同向輸入端接PWM2信號處理 后的直流信號，反向輸入端接放大后的采樣電壓信號，比較器PUA的輸出接在二極管PD1的 正極。電阻I3Rll接在比較器的同向輸入端和輸出之間，這樣可以在輸出和輸入之間引入正 反饋，防止比較器PUA輸出抖動。由于光耦的輸出信號與比較器的輸出信號都接在二極管PDl的正極，因此二極管 PDl和三極管PTl的導通與否由這兩個信號共同決定。因為只有這兩個信號同時輸出高電 平時，二極管PDl與三極管PTl才會導通，因此只有在光耦輸出為高電平的時間內，比較器 的輸出才會起作用。當電源電壓VCC高于標準值，在不考慮比較器輸出的情況下，流過比例閥線圈和 采樣電阻的電流要增加，電阻I3RlS上的電壓增大。由于加在比例閥線圈上的電壓信號是由 場效應管PT5控制的PWM信號，但電流信號是不能突變的，因此流過比例閥和采樣電阻上的 電流是鋸齒型的信號，電阻I3RlS上的電壓信號也是鋸齒型的。在通過放大和比較電路以 后，電阻電壓的增大導致比較器PUA反向輸入端的電壓增大，鋸齒型的電壓信號會整 體增大，這樣在一個周期內反向輸入端電壓超過同向輸入端電壓的時間會增加，比較器輸 出低電平的時間增長。在光耦輸出高電平的時間內，二極管PDl與三極管PTl的導通時間減 少，場效應管PT5導通時間減少，最終導致加在比例閥線圈上的PWM信號的占空比減小，比 例閥線圈上電流減小。同樣，當電源電壓VCC低于標準值，鋸齒型的電壓信號會整體減小， 這樣在一個周期內反向輸入端電壓超過同向輸入端電壓的時間會減少，比較器輸出高電平 的時間增長。在光耦輸出高電平的時間內，二極管PDl與三極管PTl的導通時間增加，場效 應管PT5導通時間增加，最終導致加在比例閥線圈上的PWM信號的占空比增大，比例閥線圈 上電流增大。這樣無論電源電壓輕微增大或減小，比例閥電流都會穩定在期望值的附近，不 會有大的波動，確保比例閥輸出的可靠性。二極管PD3、C0IL、電阻rai8、PFU組成續流電路， 防止比例閥上的電壓出現大的突變。PWM輸出的光耦隔離電路；由三極管和MOSFET組成的開關電平變換電路；把PWM 信號變換成直流的濾波電路；采樣放大電路；比較器正反饋電路；比例閥線圈續流電路。PWMl信號是由處理器PIC16F73產生的固定占空比的信號，并在其輸出端接二極 管PD1，確保其單向導通性。其開關電平轉換電路由四個晶體管和一個場效應管組成。其中PT1、PT4為NPN型， ΡΤ2、ΡΤ3為PNP型，ΡΤ5為P溝道功率場效應管。ΡΤ4的發射極接12V電源，并在發射極與 基極之間接了一個二極管。ΡΤ3與ΡΤ4共集電極，并通過上拉電阻PR9接在VCC上。
進行濾波的PWM2信號由控制器產生，其占空比會根據控制器的輸入而產生變化。 PWM信號變換成直流信號是通過二階低通濾波實現的。比例閥線圈電流的采樣是通過與其串聯的阻值較小，功率較大的電阻rais實現 的。采樣電壓的放大是利用差分放大電路。比較器電路中，比較器的同向輸入端接的是PWM2信號經過變換過的直流信號， 反向輸出端接的是采樣電壓放大后的信號，在比較器的輸出端與同向輸入端連接了電阻 rail，引入了正反饋。比較器的輸出接在二極管PDl的正極。比例閥線圈的輸出電路中串接了一個自恢復保險絲PFU，可以有效的對輸出電路 進行限流，保護比例閥線圈不受損害。在PT5的漏極與地之間反接一個二極管PD3，對比例 閥線圈電流進行續流。光耦的輸出與比較器的輸出接在一起，共同控制PDl與PTl的導通。本發明中圖2中，POl為光耦器件；PT1、PT4為NPN型三極管；ΡΤ2、ΡΤ3為PNP型三 極管；場效應管ΡΤ5為P溝道功率場效應管；PD1、PD2、PD3、PD4為二極管；放大器POA的型 號為 LM358 ；比較器 PUA 的型號為 LM393 ；PR1、PR2、PR3、PR4、PR5、PR6、PR7、PR8、PR9、PR10、 PRl 1、PR12、PR13、PR14、PR15、PR16、PR17、PR18 均為電阻；PffCU PWC2、PWC3、PWC4、PWC5、 PWC6、PWC7、PWC8、PWC9均為電容；PFU為自恢復保險絲；COIL為比例閥線圈。
權利要求
1.一種比例閥輸出補償電路，其特征是該補償電路包括光耦電路、開關變換電路、 PWM輸出電路、采樣電路、放大電路、低通濾波器和比較電路，光耦電路的輸出端與比較電路 的輸出端同時與開關變換電路的輸入端連接，開關電路的輸出端與PWM輸出電路的輸入端 連接，PWM輸出電路的輸出端與采樣電路的輸入端連接，采樣電路的輸出端與放大電路的輸 入端連接，放大電路的輸出端和低通濾波器的輸出端同時與比較電路的輸入端連接。
2.一種比例閥輸出補償電路的控制方法，包括處理器PIC16F73，其特征是該補償電 路的控制方法是處理器PIC16F73產生的PWMl信號，首先通過光耦進行電氣隔離，然后通 過一個二極管PDl接在三極管PTl的基極，三極管PT1、三極管PT2、三極管PT3和三極管 PT4為開關狀態，利用三極管PT1、三極管PT2、三極管PT3和三極管PT4的開關特性把從三 極管PTl基極輸入的信號調理成占空比不變，高電位、低電位幅值合理的信號；此信號控制 PWM輸出電路的場效應管PT5的通斷，把PWM輸出電路的信號加載在比例閥的線圈上；比例 閥線圈COIL回路中串聯一個采樣電阻冊18，采樣電阻與比例閥線圈POLL上流過的電 流信號是一樣的；當比例閥線圈COIL有電流流過時，通過放大器POA把采樣電阻rais上的 電壓進行適當放大，經過放大器POA放大的信號作為比較器PUA的反向輸入端信號；由處理 器PIC16F73產生的根據輸入變化的另一路PWM2信號，通過RC低通濾波處理變成與PWM2 信號占空比成線性關系的直流信號，接在比較器PUA的同向輸入端，比較器PUA的輸出信號 送到光耦電路的輸出端，構成一個負反饋控制回路。
全文摘要
一種比例閥輸出補償電路及控制方法，屬于工程機械上由電瓶提供電源的比例閥輸出電路。該補償電路包括光耦電路、開關變換電路、PWM輸出電路、采樣電路、放大電路、低通濾波器和比較電路，光耦電路的輸出端與比較電路的輸出端同時與開關變換電路的輸入端連接，開關電路的輸出端與PWM輸出電路的輸入端連接，PWM輸出電路的輸出端與采樣電路的輸入端連接，采樣電路的輸出端與放大電路的輸入端連接，放大電路的輸出端和低通濾波器的輸出端同時與比較電路的輸入端連接。優點本發明通過采樣比例閥線圈的輸出電流，并通過放大、比較處理后反饋到光耦的輸出端，實現了電流負反饋。電路簡單可靠，易于實現。
文檔編號H02M3/156GK102130590SQ20111005261
公開日2011年7月20日 申請日期2011年2月28日 優先權日2011年2月28日
發明者孟慶勇, 李黨偉, 溫讀夫, 胡傳正, 范旭輝, 魏彬 申請人:徐工集團工程機械股份有限公司江蘇徐州工程機械研究院