一种气动自动压力补偿装置的实现

(昆明船舶设备试验研究中心, 云南 昆明　650051)

引言

自动调压装置在工业领域中应用较多，如大型液压传动机械、压力仪器仪表检定。传统的加压装置结构比较复杂，体积较大。而且达到目标压力所需时间较长，当需要提供实时压力补偿时，传统装置往往不能满足要求。

实现压力调节可以采用气压方式或液压方式，液体具有不可压缩性，所以输出平稳，实现起来较为简单；气体可压缩，扩散速度较快，调压速度快，但是需要良好的策略保证稳定压力输出，所以对气路的设计和控制策略要求较高。

本研究介绍的自动调压装置，采用气压方式进行调节，结构简单，能反复循环提供实时压力补偿。受限于气泵功率，该装置主要适用于压力要求小于2 MPa的领域。

1　自动调压装置的结构及原理

1.1　自动调压装置的组成

自动调压装置主要包括两部分，气路部分和电路控制部分。气路部分包括实现压力生成，传递与输出必须的所有组部件，包括气泵、单向电磁阀、卸压阀、密闭加压容器、压力储存气瓶、传感器等，其结构框图如图1所示。

图1中高压气瓶作为气源，用于储存产生目标压力的气体，压力容器用于储存压缩气体提供压力输出，开关阀1和开关阀2为手紧阀，其中开关阀1用于保持气源内气压，开关阀2用于气压不足时向高压气瓶补充气体，阀1～4为电磁阀，用于控制特定气路的通断，气泵用于向气瓶补充气体或是向压力容器中加压。该气路的优点在于循环利用气瓶的气体进行加压和降压，使用之前对气瓶预充一定量的气体可以避免反复从外界充气，同时对系统工作过程也能有一定程度的简化。

图1　气路部分结构框图

电路控制部分包括实现气泵、单向电磁阀控制和压力传感器数据采集的电路，其结构框图如图2所示。

图2　电路控制部分结构框图

LPC1766芯片作为控制芯片，通过采集压力传感器数据获取高压气瓶内和压力容器内的实时压力，驱动电路四个电磁阀和气泵工作，以此保证气路部分的正常运行，达到压力调整的目的。

1.2　自动调压装置的工作原理

根据图1所示气路的构成，以压力容器作为压力输出口，将调压过程分为加压与降压两个过程，加压时由高压气瓶向压力容器补充气体，降压时由压力容器向高压气瓶补充气体，补充气体的方式有气体自然平衡方式和气泵工作方式两种，自然平衡方式适用于高压端向低压端补充气体，气泵工作方式是为了克服压力逆差，适用于低压端向高压端补充气体。所以根据气泵工作与否，分别存在了两种气路工作模式。调压过程工作方式如图3所示，分别对应了4种不同的工作方式，箭头方向表示气体流动方向。

图3a为气泵工作加压过程，对应工作模式1；图3b为自然平衡加压过程，对应工作模式2；图3c为气泵工作降压过程，对应工作模式3；图3d为自然平衡降压工作过程，对应工作模式4。设高压气瓶当前压力为p瓶，压力容器当前压为p容，压力容器需要达到的目标压力位p目。对各工作模式的描述如下：

(1) 工作模式1：p容

(2) 工作模式2：p容

(3) 工作模式3：p容≥p目，系统处于降压工作模式，阀2和阀3工作，气泵工作，其余关闭。

(4) 工作模式4：p容≥p目，系统处于降压工作模式，阀1和阀2开启，其余关闭。

(5) 工作模式5：p容=p目，系统处于压力平衡状态，不需调节，阀门及气泵均关闭。

图3　调压过程的4种工作方式

可见，无论是对于加压过程还是降压过程，依据气泵是否需要工作，都存在两个对应的工作模式。

2　电路控制部分实现

电路控制部分包括软件和硬件两部分，主要实现五个功能：采集传感器的压力数据；接收上位机的指令，上传实时压力数据；驱动电磁阀和气泵工作；实时压力数据存储；选择工作方式实现压力调节。

实现电路控制部分的功能，主要有数据采集电路，RS232通信电路，驱动电路，Flash存储电路。数据采集利用LPC1766自带12位AD转换器实现，由于采用的压力传感器是0～5 V输出的电压型传感器，故需要数据采集电路完成信号处理，供LPC1766使用。RS232通信电路利用MAX3232E实现两路串口通信，分别用于向上位机传输实时压力数据及接收上位机控制命令。Flash存储电路利用LPC1766自带SPI总线实现对型号为MX25L1608的NOR Flash读写操作。

驱动电路主要实现电磁阀和直流接触器的驱动，该系统总共包含4个电磁开关阀(24 V、6 W)和1个直流接触器(24 V、10 W)，直流接触器采用以电磁继电器作为中间继电器控制其驱动信号的方式来控制，根据其电磁阀以及中间继电器的功率及电压要求，驱动芯片应具备至少5路的驱动输出，输出电压为24 V， 且单独1路的驱动电流应不小于1 A，这里选用的驱动芯片为BTS712N1。

BTS712管脚分布如图4所示，工作电压为5～34 V，具备4路驱动输出以及对应的4个驱动控制端口，四路同时输出时，单路可输出电流也大于1 A，满足使用需求，并且兼容CMOS电平输入，控制LPC1766的IO口即可实现对驱动输出的控制。

图4　BTS712N1管脚分布

3　系统工作模式及压力调节实现

3.1　系统工作模式

系统有四种工作模式，系统工作过程中，根据p瓶，p容和p目三个压力数值之间的相对关系，选择不同的工作模式。首先根据p容和p目的关系来确定系统应该加压还是降压，再根据p容和p瓶的关系来确定系统具体采取何种模式工作，对具体工作状况进行如下分析：

(1) 若p容

(2) 若p容>p目，表明输出压力大于目标压力，需对压力容器进行降压，降压同样存在自动平衡方式和气泵工作方式。当压力容器压力远大于高压气瓶压力时，使用自动平衡方式，对应工作模式4；当压力容器压力小于高压气瓶压力时，压差为负，应使用气泵工作方式，对应工作模式3；当压力容器压力大于高压气瓶压差较小时，应使用气泵工作方式，对应工作模式3。

(3) 若p容=p目，表明输出压力已达到目标压力，不需再进行任何调节，对应工作模式5。

压力容器压力与目标压力相等，是压力调整的最佳状态，但实际工况中，器件存在一定响应滞后，且调节时间不能无限长，故压力调节目标是使得压力容器压力无限接近目标压力，只要二者差值小于调节误差门限，就认为调节到位，设调节误差门限为p误。

高压气瓶压力与压力容器之间的压力差是选择自然平衡工作方式和气泵工作方式的依据，这里需设置压力差门限，无论是加压还是降压，只要压力差大于压力差门限就选择自然平衡工作方式，压力差小于压力差门限就选择气泵工作方式。设压力差门限为p差。

高压气瓶压力、压力容器压力、目标压力与工作模式之间的对应关系如表1所示。该表是系统如何工作的依据。

3.2　压力调节实现

通电之后系统开始工作，不断采集压力数据，根据实时采集的数据进行判别，判断是加压过程还是降压过程，再根据高压气瓶压力与压力容器压力之间的相对关系，以表1为依据，确定具体的工作模式，从而驱动对应执行器动作。

表1　压力数据与工作模式相对关系表

在压力调节过程中，高压气瓶压力与压力容器压力在不断变化，整个调节过程会在各个模式之间频繁切换，不同模式切换使执行器件频繁动作，为避免此问题，选取了合适的调节误差门限与压力差门限。结合系统自身的工作情况，本系统的调节误差门限设置为0.01 MPa，压力差门限设置为0.5 MPa。

4　试验验证及结果

系统中的执行部件包含4个电磁阀和1个气泵，这里选用的气泵是微型加压泵，该气泵最大能够输出3 MPa 的压力。本系统设计能够输出的有效压力范围是0～2 MPa，考虑到最大压力工作范围，选用的电磁阀、单向阀以及管路的耐压值应不小于3 MPa，否则有可能在试验过程中发生元件损坏。在试验之前，需要做好气密试验，避免漏气现象发生。试验以外部输入的压力作为目标值，实时测量并记录压力输出容器内的压力，记录从初始压力达到目标压力所需的时间，一组试验结果如表2所示。

表2　试验测试结果

(续表2)

5　结论

试验结果表明，此调压装置能够稳定输出调节范围内的任意压力值，且调节时间短。此系统最大优势在于能够实现压力跟随输出，在外部压力变化剧烈的情况下，也能及时补偿，并且结合气路的特点，采用了自然充气与气泵工作结合的方式，针对不同压力需求，采用不同工作模式，有效地节省了压力补偿调节时间。

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