Аналоговое устройство управления электрогидравлическим следящим приводом на основе операционных усилителей

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

С.Е. Семенов 
 
 
 
 
АНАЛОГОВОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ  
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИМ СЛЕДЯЩИМ ПРИВОДОМ  
НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ 
 
 
Методические указания к лабораторной работе  
по курсу «Основы мехатроники гидро- и пневмосистем» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

М о с к в а  

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 8  

УДК 62-526 
ББК 34.447 
С302 
Рецензент: В.М. Фомичев 

 
Семенов С.Е. 
 
        Аналоговое устройство управления электрогидравлическим следящим приводом на основе операционных усилителей: Метод. указания к лабораторной работе по курсу «Основы мехатроники гидро- и пневмосистем». — М.: Изд-во МГТУ 
им. Н.Э. Баумана, 2008. — 16 с.: ил. 
 
Представлена структурная схема современного электрогидравлического следящего привода (ЭГСП), включающего электрогидравлический силовой агрегат поступательного действия и электронное устройство управления. Обоснована и изложена методика определения 
основных параметров электронного устройства, обеспечивающих необходимые значения коэффициента передачи и добротности по скорости следящего привода. Дано описание лабораторной установки, 
включающей ЭГСП, на которой студенты должны изучать принципиальную схему электронной части привода и после расчета ее параметров осуществлять сборку и наладку схемы. 
Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности 
«Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика».  
 
УДК 62-526 
ББК 34.447 
Учебное издание 

Семенов Станислав Евгеньевич  

АНАЛОГОВОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ  
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИМ СЛЕДЯЩИМ ПРИВОДОМ  
НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ 
 
Редактор С.А. Серебрякова 
Компьютерная верстка С.А. Серебряковой 

Подписано в печать 26.08.2008. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. 
Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 0,81.  
Тираж 50 экз. Заказ         . 
 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5 
 
 
© Семенов С.Е., 2008 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 

С302 

ВВЕДЕНИЕ 

Электрогидравлические следящие приводы (ЭГСП) с аналоговыми электронными устройствами управления широко используются в современной технике. В таких приводах исполнительный 
гидродвигатель, электрогидравлический усилитель (ЭГУ) и электронное устройство, формирующее ток управления ЭГУ по сигналам управления приводом и обратной связи, образуют единую мехатронную систему. Возможная структура такой системы показана 
на рис. 1. При необходимости можно менять состав корректирующих устройств и добавлять дополнительные датчики. 
 

 
Рис. 1. Структура ЭГСП как единой мехатронной системы 
 
Первоначально электронные системы были довольно громоздки и уязвимы, поэтому их конструктивно объединяли в блок 

 Электронное устройство управления 
Uвх 
 
 
              IЭГУ 
 
 
    
    + 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                UОС 

Верхний 
уровень 
управления 

Корректирующее 
устройство 

Корректирующее устройство 

Корректирующее устройство 

Усилитель 
мощности 
с обратной 
связью 
по току 

ЭГУ, 
исполнительный 
двигатель 

 
Датчик 
обратной 
связи 

Приводимый  
в движение  
объект 

управления, обслуживающий группу приводов, и размещали в 
удобной для обслуживания и защищенной от неблагоприятных 
воздействий части машины или установки. По мере уменьшения 
габаритов и повышения надежности электронных устройств сформировалась тенденция размещать электронные устройства управления каждым приводом в одном блоке вместе с ЭГУ и, по возможности, непосредственно на исполнительном гидродвигателе. 
Скомпонованный таким способом ЭГСП представляет собой единое мехатронное устройство, которое иногда называют мехатронным модулем движения.  
При традиционной компоновке электронный блок управления 
должен быть соединен кабелями с обмотками управления ЭГУ и 
всеми датчиками, установленными на приводе. В зависимости от 
размеров и компоновки машины или установки длина этих кабелей может составлять десятки метров. По ним передаются сигналы малой мощности, весьма подверженные влиянию помех. Необходимость качественной защиты от помех и резервирования 
электрических соединений приводит к тому, что стоимость кабелей может составлять значительную долю стоимости всего 
ЭГСП, а по массе и габаритам они могут превосходить остальные 
части привода.  
Если привод скомпонован как единый мехатронный модуль, то 
большая часть электрических соединений расположена непосредственно внутри модуля, а снаружи к нему подводятся лишь электрическое питание и сигнал управления приводом.  
Известны конструкции, в которых электрическая энергия, необходимая для работы такого модуля, вырабатывается непосредственно в нем из гидравлической энергии, а информационный обмен 
с верхним уровнем управления осуществляется по волоконнооптической линии. В этом случае привод практически не подвержен влиянию электромагнитных помех.  
Для обеспечения возможности компоновки ЭГСП как единого мехатронного модуля важно добиться малых габаритов и высокой стойкости к внешним воздействиям электронных устройств. Для большинства современных применений этим 
требованиям удовлетворяют электронные устройства на основе 
полупроводниковых интегральных операционных усилителей 
(ОУ). 

Цель работы — ознакомление с устройством аналоговой системы управления ЭГСП, построенной на основе ОУ, а также с ее 
схемотехническими особенностями, вызванными спецификой 
ЭГСП как объекта управления. 
 
Решаемые в ходе лабораторной работы задачи:  
– изучение электрической принципиальной схемы устройства 
управления; 
– изучение схемотехнических особенностей, вызванных спецификой использованных в лабораторном стенде датчиков и ЭГУ; 
– расчет параметров схемы, определяющих границы рабочего 
диапазона привода; 
– сборка электронной схемы на лабораторном стенде; 
– наладка рабочего диапазона привода на стенде.  

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ 

Лабораторная установка состоит из конструктивно объединенных рулевого электрогидравлического агрегата (ЭГА) РА-42А и 
наборного поля, предназначенного для сборки электронной системы управления приводом (рис. 2). На наборном поле установлены 
четыре ОУ общего назначения 9 (КР140УД17) и один мощный 
ОУ 8 (ОРА544Т). Питание к ним подведено внутри установки от 
стабилизатора 2, на котором расположен выключатель питания 3. 
Для формирования стабильного напряжения питания датчика положения штока гидроцилиндра, а также задающего и балансировочного потенциометров предусмотрены микросхемы стабилизаторов положительного 14 (КР142ЕН12) и отрицательного 13 
(КР142ЕН18) напряжения. Также на наборном поле расположены 
контактные гнезда выводов обмотки управления 6 и потенциометрического датчика обратной связи 15 ЭГА. Корпус ЭГА 1  
закреплен неподвижно, а его шток соединен с линейкой 4, при 
помощи которой можно измерять перемещение штока. Гидравлическое питание к ЭГА подается по шлангам от внешней насосной станции, настроенной на давление 6 МПа. Максимальное перемещение штока гидроцилиндра составляет 60 мм. 

Рис. 2. Схема лабораторной установки: 
1 — рулевой привод; 2 — стабилизатор напряжения питания ОУ; 3 — выключатель питания; 4 — линейка; 5 — гнездо питания +25 В; 6 — выводы обмотки 
управления ЭГУ привода; 7 — гнездо питания –25 В; 8 — ОУ большой мощности; 9 — операционные усилители малой мощности; 10 — гнезда общего провода; 11 — многооборотные потенциометры; 12 — подстроечные резисторы; 13 — 
микросхема стабилизатора отрицательного напряжения; 14 — микросхема стабилизатора положительного напряжения; 15 — выводы потенциометра обратной 
связи привода 

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА  
УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ 

На рис. 3 показана одна из возможных схем простейшего устройства управления ЭГСП. Приводу с данной схемой управления 
соответствует структурная схема, приведенная на рис. 4. Это устройство не содержит корректирующих устройств, а лишь замыкает 
отрицательную обратную связь по положению штока гидроцилиндра и обеспечивает заданную линейную зависимость между задающим сигналом и положением штока. 

 
        1 
 
 
 
 
            2         3 

            12 
 11 
       10
         9
  8

 
 
 
 
 

15 
 

14 
 
 
 
 

13 

4 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 
 
 
 
 
6 
 
 
7 

Рис. 3. Электрическая принципиальная схема  
электронного устройства управления ЭГСП 
 
В данной схеме задающий сигнал формируется при помощи потенциометра R3, а сигнал обратной связи — потенциометра R4. Потенциометр R4 установлен в ЭГА, а его подвижный контакт связан 
со штоком гидроцилиндра. Эти сигналы сравниваются при помощи 
инвертирующего весового сумматора, собранного на ОУ D3. Входное сопротивление каждого входа сумматора равно сопротивлению 
соответствующего входного резистора (R4, R5 или R6). Эти сопротивления сопоставимы с сопротивлениями потенциометров R1 и R3, 
поэтому непосредственное присоединение входов сумматора к этим 
потенциометрам вызовет искажение линейной зависимости между 
перемещением подвижных контактов и напряжением на них. Для 
того чтобы этого не случилось, использованы повторители на ОУ 
D1 и D2, входные сопротивления которых на несколько порядков 
превышают сопротивления потенциометров. 
Каскад на ОУ D3 решает две задачи — определяет разность 
напряжений, соответствующую заданному и действительному положению штока, и обеспечивает заданный коэффициент усиления 

 
  
 
+12 В 
D1 
 
 
 
 
 
 a 
    b 
 
     R1 
 
 
    R4 
 R8 
 
 
 

 
 
 
 
     R2     a  
 –12 В 
    R5 
  +12 B 
 
   +25 B       C1 

 
 
 
    R6 
 
 
 
     R9 
  L1 
              b  
 
 
          D3  
 
 
 
 
  +12 В 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
            D4 
    R3      a  
 
    R7 
   –12 В       
    –25 В  
 
 
         D2  
 
   R10 
 
              b  
   –12 В  
 
 
 
 
 

 
         D5  
 
            D6 
 
 
 
         +25 B 
    a 
 
–25 B 
              b  
 
 
 
 
             R11 
 
 
 R13 
 
 
 
 
 
 
 
                  C2   

 
  R12 
 
 
      R14 
 
     

в контуре следящего привода. Для вычисления разности двух  
напряжений часто используют дифференциальный усилитель на 
основе ОУ. С его помощью можно также обеспечить и заданный 
коэффициент усиления. Однако он проигрывает в точности инвертирующему сумматору, так как его ОУ работает с не равным нулю 
синфазным сигналом. 
Инвертирующий сумматор не может вычислять разности напряжений, поэтому сигнал-вычитаемое нужно предварительно инвертировать. В данном случае инверсию сигнала обратной связи 
можно осуществить двумя способами. Во-первых, между выходом 
повторителя на D1 и входом сумматора можно поставить инвертор. 
Во-вторых, можно так выбрать полярность питания потенциометра 
обратной связи, чтобы при направлении движения штока, соответствующем увеличению напряжения задающего сигнала, напряжение 
обратной связи уменьшалось. Каждый дополнительный каскад в 
схеме является источником дополнительной погрешности, поэтому 
в рассматриваемой схеме используется второй способ. 
Обозначим крайние положения штока, которые привод должен 
достигать во время работы, x1 и x2 (это не обязательно конструктивно предельные положения). Им соответствуют оговоренные техническим заданием значения Uз1 и Uз2 задающего напряжения. В данном случае, когда задающее напряжение формируется при помощи 
потенциометра R3, им соответствуют деления n1 и n2 шкалы задающего потенциометра. Выберем полярность питания потенциометра 
обратной связи таким образом, чтобы выполнялось условие 

 
ОС1
ОС2
з1
з2

ОС1
ОС2
з1
з2

, если 
;

, если 
,

U
U
U
U

U
U
U
U

<
>
⎧
⎨
>
<
⎩
 

где UОС1 и UОС2 — напряжения, снимаемые с потенциометра обратной связи в крайних положениях x1 и x2. 
Для обеспечения требуемого количественного соотношения 
между изменением задающего напряжения и изменением положения штока надо правильно выбрать соотношение сопротивлений 
резисторов R6 и R4, а для того, чтобы при задающем напряжении 
Uз1 шток находился именно в положении x1, — рассчитать цепочку 
R2, R5. Другими словами, при помощи потенциометра R2 настраивается «нуль» привода. 

При условии, что ЭГУ сбалансирован, в каком бы положении 
ни остановился шток, сумма токов, текущих во входных резисторах R4, R5 и R6, должна быть равна нулю (при этом ток в обмотке 
ЭМП равен нулю). Поэтому при перемещении штока из одного 
крайнего положения в другое ток через резистор R4 должен измениться на столько же, на сколько и ток через резистор R6. Тогда 
справедливо соотношение 

 
ОС
з

4
6
,
U
U
R
R

Δ
Δ
=
 

где ΔUОС и ΔUз — изменения по модулю напряжений на подвижных контактах потенциометров R1 и R3, соответствующие перемещению штока из одного 
крайнего положения в другое; 
R4 и R6 — сопротивления резисторов R4 и R6. 
Изменение напряжения обратной связи при перемещении штока из одного крайнего положения в другое  

 
ОС
1
2
max
min
шт max
| (
)(
)/
|
U
x
x
U
U
x
Δ
=
−
−
, 

где xшт max — конструктивно обусловленный максимальный ход штока; 
Umax и Umin — максимальное и минимальное напряжения обратной связи (в конструктивно крайних положениях штока). 
Если (как в данном приводе) полному ходу штока гидроцилиндра соответствует полный ход потенциометрического датчика обратной связи, то  

 
max

min

;

,

a

b

U
U

U
U

=

=
 

где Ua — положительное напряжение питания потенциометров,  
Ub — отрицательное напряжение питания потенциометров. 
Аналогично 

 
з
1
2
max
|(
)(
)/
|
a
b
U
n
n
U
U
n
Δ
=
−
−
, 

где nmax — число делений на шкале резистора R3. 

Для того чтобы по приведенным соотношениям определить 
сопротивления резисторов R4 и R6, надо задаться напряжениями 
питания потенциометров и сопротивлением одного из этих резисторов. Для питания большинства выпускаемых ОУобщего применения используется двухполярное питание постоянным напряжением ±12…15 В. В данном стенде принято ±12 В. Питание 
подводится по трем проводам: на первом +12 В, на втором –12 В, 
третий — общий провод, на нем напряжение равно нулю. Все напряжения в схеме отсчитываются относительно общего провода. У 
большинства маломощных универсальных ОУ выходное напряжение не может достигнуть значений напряжения питания и достигает насыщения при меньшем на 1…2 В значении. Это приводит к 
тому, что максимальные по модулю напряжения, используемые в 
схеме, должны быть на 2 В меньше, чем напряжение питания. Таким образом, для потенциометров целесообразно использовать 
двухполярное питание напряжением ±10 В. 
При выборе сопротивлений резисторов следует учитывать, что у 
ОУ ограничено минимальное сопротивление нагрузки. У большинства распространенных ОУ оно не должно быть меньше 1…2 кОм. 
В то же время схемы на ОУ работают тем точнее, чем меньше сопротивления, подключенные к его входам, по сравнению со входными сопротивлениями ОУ. Кроме того, более стабильны в работе 
резисторы с сопротивлением менее 100 кОм. Выберем один из резисторов R4 или R6 с сопротивлением, например, 3 кОм. Желаемое 
сопротивление другого резистора вычислим при помощи приведенных соотношений и выберем подходящий резистор из стандартного ряда. Если ближайшее стандартное сопротивление слишком сильно отличается от желаемого и заданная точность 
соотношения изменения задающего напряжения и перемещения 
штока не обеспечивается, то один из резисторов можно составить 
из постоянного и подстроечного. 
Исходя из условия баланса токов во входных резисторах сумматора в первом крайнем положении балансировочный ток Iб через 
резистор R5 составит 

 
ОС1
з1
б
4
6
.
U
U
I
R
R
= −
−