一种浮空器安全阀的自动控制电路.pdf

本发明是一种浮空器安全阀的自动控制电路，包括供电单元、压差感知单元、滞回控制单元、继电器单元、电机控制单元，其中供电单元，用于将供电电压转为各单元工作直流电压信号；压差感知单元，具有两个气管探头分别与浮空器气囊内外的气体联通，用于自动感知并输出浮空器气囊的内外压强差信号；滞回控制单元与压差感知单元连接，用于对浮空器气囊的压强差信号进行滞回比较，获得低电平信号、高电平信号；继电器单元与滞回控制单元连接，利用低电平信号、高电平信号控制继电器的触点切换动作，用于改变电机供电电源的极性；电机控制单元与继电器单元连接，利用电机供电电源极性的切换来控制电机正反转，同时对电机行走进行限位控制及生成安全阀状态信号。

权利要求书
1.  一种浮空器安全阀的自动控制电路，其特征在于包括：供电单元、压差感知单元、滞回控制单元、继电器单元、电机控制单元，其中：
供电单元，用于将供电电压转为各单元工作所需的直流电压信号；
压差感知单元，具有两个气管探头，一个气管探头与浮空器气囊内的气体联通，另一个气管探头与浮空器气囊外的气体联通，用于自动感知并输出浮空器气囊的内外压强差信号；
滞回控制单元与压差感知单元连接，用于对浮空器气囊的压强差信号进行滞回比较，获得低电平信号、高电平信号；
继电器单元与滞回控制单元连接，利用低电平信号、高电平信号控制继电器的触点切换动作，用于改变电机供电电源的极性；
电机控制单元与继电器单元连接，利用电机供电电源极性的切换来控制电机的正反转，同时对电机行走进行限位控制及生成安全阀状态信号。

2.  根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述压差感知单元由第一电容和压差传感器组成，第一电容并联在供电单元的输出端和接地端之间，用于输出去耦滤波电压；压差传感器并联连接在第一电容的两端，接收去耦滤波电压并自动感知并输出浮空器气囊的压强差信号。

3.  根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述滞回控制单元包括有源滤波单元和比较器，有源滤波单元与压差感知单元连接，接收压强差信号，获得滤波并功率放大的压强差信号；比较器与有源滤波单元连接，对滤波并功率放大的压强差信号进行滞回比较，获得低电平信号或高电平信号。

4.  根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述压差感知单元的输出电压达到电压上限值并经比较器后，当压强差信号高于电压上限值，滞回控制单元输出比较器电压信号为低电平；压差感知单元的输出电压达到电压下限值并经比较器后，当压强差信号低于电压下限值时，滞回控制单元输出比较器电压信号为高电平。

5.  根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述继电器单元包括 线圈驱动单元和触点切换单元，线圈驱动单元与比较器连接，用于将接收比较器电压信号转换并输出三极管的导通或关闭信号；触点切换单元与线圈驱动单元连接，利用三极管的导通或关闭信号控制继电器的触点切换动作。

6.  根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电机控制单元由第二二极管、第三二极管、第一限位开关、第二限位开关和电机组成；当继电器触点(PQFV+)接电源地，继电器触点(PQFV-)接电源12V时，第三二极管导通，第二二极管截止，电流流经第三二极管、电机和第一限位开关，电机正转，离开第二限位开关时，将第二限位开关的触点(S2-3)切换至触点(S2-2)，触点(S2-1)不动，第二限位开关导通，行至第一限位开关时，将第一限位开关的触点(S1-3)切换至触点(S1-2)，触点(S1-1)不动，第一限位开关断开，电机停止动作，此时，第一限位开关的触点(S1-1)的电压为12V，第二限位开关的触点(S2-3)的电压为0V，触点(S1-1)、触点(S2-3)对应的电压作为安全阀状态信号；当继电器触点(PQFV+)接电源12V，继电器触点(PQFV-)接电源地时，第二二极管导通，第三二极管截止，电流流经第二二极管、电机和第二限位开关，电机反转，离开第一限位开关时，将第一限位开关的触点(S1-1)切换至触点(S1-2)，触点(S1-3)不动，第一限位开关导通，行至第二限位开关时，将第二限位开关的触点(S2-1)切换至触点(S2-2)，触点(S2-3)不动，第二限位开关断开，电机停止动作，此时，第一限位开关的触点(S1-1)的电压为0V，第二限位开关的触点(S2-3)的电压为12V，触点(S1-1)、触点(S2-3)对应的电压作为安全阀状态信号。

说明书一种浮空器安全阀的自动控制电路
技术领域
本发明属于电子控制技术领域，涉及一种用于浮空器自动控制安全阀的自动控制电路。
背景技术
浮空器一般是指一种主要依靠大气浮力升空的软结构飞行器。浮空器由软式气囊和布设在气囊之上的各种设备组成，气囊内充入密度比空气小的浮升气体，气囊内外气体的密度差产生的浮力为浮空器提供绝大部分或全部升力，从而完成浮空器升空。
浮空器的气囊都有一定的内外压强差承受范围，这个范围是由气囊材料强度、气囊体积及结构等参数决定。当气囊内外压强差超过一定的上限值时，气囊就会发生不可恢复的破裂，影响试验或飞行安全。
浮空器在升空或温度升高时，随着气囊内气体的膨胀，其内外压强差会增加，这时需要排出气囊内的部分气体，以确保内外压强差不会超过设定的上限值，同时需要在内外压强差降低到一定的下限值时停止排气，以确保气囊的外形符合试验或飞行要求。自动控制安全阀即用于完成这个任务，其安装在浮空器气囊上的开口处，可以根据浮空器气囊内外压强差的情况，来打开开口排出浮空器气囊内的气体，或者关闭开口停止排气。
传统的安全阀控制电路如图1所示，包括第一二极管D1a、第二二极管D2a、第一限位开关S1a和第二限位开关S2a，通过外部供电电源的极性转换来实现安全阀的打开或关闭。当电源正端子V1接电源地，电源负端子V2接电源12V时，第二二极管D2a导通，第一二极管D1a截止，电流流经第二二极管D2a，电机Motor-a和第一限位开关S1a，电机Motor-a正转，离开第二限位开关S2a时，将第二限位开关S2a的触点S23切换至触 点S22、触点S21，第二限位开关S2a导通，行至第一限位开关S1a时，将第一限位开关S1a的触点S13切换至触点S12、触点S11，第一限位开关S1a断开，电机Motor-a停止动作，安全阀打开；当电源正端子V1接电源12V，电源负端子V2接电源地时，第一二极管D1a导通，第二二极管D2a截止，电流流经第一二极管D1a，电压Motor-a和第二限位开关S2a，电机Motor-a反转，离开第一限位开关S1a时，将第一限位开关S1a的触点S11切换至触点S12、触点S13，第一限位开关S1a导通，行至第二限位开关S2a时，将第二限位开关S2a的触点S21切换至触点S22、触点S23，第二限位开关S2a断开，电机Motor-a停止动作，安全阀关闭。这种电路存在以下问题：
1、被动控制，缺乏独立性。其仅仅是一个执行机构，其打开或关闭动作依赖于外部设备的控制，当外部设备的控制出现异常时，其不能正常工作。
2、无压强差控制回路。不能够自主感知浮空器气囊内外压强差并自动控制安全阀的打开或关闭。
发明内容
(一)本发明要解决现有技术的问题
为了解决现有技术的被动控制，缺乏独立性，无压强差控制回路的技术问题，本发明的目的是提供一种具有自主控制、参数可调、不依赖外部设备、高集成度和高可靠性的浮空器安全阀自动控制电路。
(二)本发明的技术方案
为了达成所述目的，本发明提供一种浮空器安全阀的自动控制电路包括供电单元、压差感知单元、滞回控制单元、继电器单元、电机控制单元，其中：
供电单元，用于将供电电压转为各单元工作所需的直流电压信号；
压差感知单元，具有两个气管探头，一个气管探头与浮空器气囊内的气体联通，另一个气管探头与浮空器气囊外的气体联通，用于自动感知并输出浮空器气囊的内外压强差信号；
滞回控制单元与压差感知单元连接，用于对浮空器气囊的压强差信号进行滞回比较，获得低电平信号、高电平信号；
继电器单元与滞回控制单元连接，利用低电平信号、高电平信号控制继电器的触点切换动作，用于改变电机供电电源的极性；
电机控制单元与继电器单元连接，利用电机供电电源极性的切换来控制电机的正反转，同时对电机行走进行限位控制及生成安全阀状态信号。
(三)本发明的有益效果
本发明能够自动感知浮空器的内外压强差，并根据浮空器的内外压强差安全要求，按照设定的压强差上限值和下限值，自动控制安全阀的打开和关闭；在安全阀安装在浮空器气囊上开口处的情况下，当浮空器气囊内外压强差大于设定的上限值时，打开安全阀，排出气体，以降低浮空器气囊的内外压强差；当浮空器气囊内外压强差小于设定的下限值时，关闭安全阀，停止排气，以保持浮空器的外形，以保证浮空器的安全，同时能够反馈安全阀当前的打开、关闭或正在动作的状态。该电路具有以下优点：
1、能够自主控制安全阀的打开或关闭。本发明能够根据压差感知单元的输出结果自主控制电机供电电源极性的切换，实现安全阀的打开或关闭。
2、具有压强差控制回路。本发明内部集成的压差感知单元具有两个气管探头，一个与浮空器气囊内的气体联通，另一个与浮空器气囊外的气体联通，能够自动感知浮空器气囊的内外压强差，并自动控制安全阀的打开或关闭。
3、集成度高。本发明将浮空器气囊内外压强差的感知、安全阀打开或关闭的自动控制以及电机限位控制集成在一个电路中，具有集成度高的新特性。
附图说明
以下将参照附图对本发明的具体实施方式做具体说明，其中：
图1为传统安全阀控制电路的原理图；
图2为本发明的浮空器安全阀自动控制电路的框图；
图3为本发明中供电单元的框图；
图4为本发明中压差感知单元的原理图；
图5为本发明中滞回控制单元的框图；
图6为本发明中滞回控制单元的原理图；
图7为本发明中继电器单元的框图；
图8为本发明中继电器单元的原理图；
图9为本发明中电机控制单元的原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将根据实例并参照附图对本发明的具体实施方式作详细描述。但是，应当说明，本文中所描述的实例仅用于解释本发明，而不是对本发明的保护范围的限定。
请参见图2示出本发明的浮空器安全阀(由电机驱动)的自动控制电路，该电路由供电单元、压差感知单元、滞回控制单元、继电器单元和电机控制单元组成，分别说明如下：
供电单元，用于将供电电压转为各单元工作所需的直流电压信号；
压差感知单元，具有两个气管探头，一个气管探头与浮空器气囊内的气体联通，另一个气管探头与浮空器气囊外的气体联通，用于自动感知并输出浮空器气囊的内外压强差信号；
滞回控制单元与压差感知单元连接，用于对浮空器气囊的压强差信号进行滞回比较，获得低电平信号或高电平信号；
继电器单元与滞回控制单元连接，利用低电平信号或高电平信号来控制继电器的触点切换动作，用于改变电机供电电源的极性；
电机控制单元与继电器单元连接，利用电机供电电源极性的切换来控制电机的正反转，同时对电机行走进行限位控制及生成安全阀状态信号。
请参阅图3示出供电单元结构，该供电单元包括第一供电单元和第二供电单元。第一供电单元，用于将接收的12V电压转换并输出5V电压。第二供电单元与第一供电单元连接，用于将接收的5V电压转换并输出3.3V电压。供电单元实现将供电电压12V转为控制电路所需的5V和3.3V， AGND为供电单元的接地端。此部分电路为公知技术，所以更详细内容不再赘述。
请参阅图4示出压差感知单元结构，压差感知单元实现自动感知浮空器气囊压强差的功能。该压差感知单元由第一电容C1和压差传感器U1组成，第一电容C1并联在供电单元的输出端和接地端AGND之间，用于输出去耦滤波电压；压差传感器U1的两输入端与第一电容C1的两端并联连接，接收去耦滤波电压并自动感知并输出浮空器气囊的压强差信号。根据浮空器安全耐压要求设定压强差上限值，根据浮空器保持外形的要求设定压强差下限值，当浮空器气囊压强差大于压强差上限值时，压差感知单元输出的压强差信号DiffPres大于电压上限值；当浮空器气囊压强差小于压强差下限值时，压差感知单元输出的压强差信号DiffPres小于电压下限值；所述压强差是指浮空器内外气体的压强差值。
请参阅图5示出滞回控制单元结构，该滞回控制单元实现压差感知单元输出压强差信号DiffPres的滞回比较功能。滞回控制单元包括有源滤波单元和比较器，有源滤波单元与压差感知单元连接，接收压强差信号DiffPres，获得滤波并功率放大的压强差信号；比较器与有源滤波单元连接，对滤波并功率放大的压强差信号进行滞回比较，获得低电平信号或高电平信号。请参阅图6示出滞回控制单元的具体实施例，有源滤波单元由第一电阻R1、第二电容C2和运算放大器U2A组成，实现对压强差信号DiffPres的低通有源滤波，其中第一电阻R1和第二电容C2决定了滤波截止频率。比较器由第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和运算放大器U2B组成，其中第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5的阻值决定了比较器的电压上限值和电压下限值。压差感知单元的输出电压达到电压上限值并经比较器后，当压强差信号DiffPres高于电压上限值，滞回控制单元输出比较器电压信号Signal1为低电平；压差感知单元的输出电压达到电压下限值并经比较器后，当压强差信号DiffPres低于电压下限值时，滞回控制单元输出比较器电压信号Signal1为高电平。
请参阅图7示出继电器单元的结构，继电器单元与滞回控制单元连接，实现由滞回控制单元输出的低电平信号或高电平信号控制继电器K1的触点切换动作，进而实现对电机Motor供电电源极性的控制。该继电 器单元包括线圈驱动单元和触点切换单元，线圈驱动单元与比较器连接，用于将接收比较器电压信号Signal1转换并输出三极管Q1的导通或关闭信号；触点切换单元与线圈驱动单元连接，利用三极管Q1的导通或关闭信号控制继电器K1的触点切换动作。请参阅图8示出继电器单元的实施例，线圈驱动单元由第六电阻R6和三极管Q1组成。触点切换单元由第一二极管D1和继电器K1组成。当比较器电压信号Signal1为高电平时，三极管Q1导通，继电器K1的线圈工作，继电器K1吸合，继电器触点PQFV+接0V，继电器触点PQFV-接12V；当比较器电压信号Signal1为低电平时，三极管Q1截止，继电器K1线圈不工作，继电器K1松开，继电器触点PQFV+接电源12V，继电器触点PQFV-接电源地。
请参阅图9示出电机控制单元结构，该电机控制单元与继电器单元连接，利用控制继电器触点的切换信号，实现对电机供电电源极性的切换，用于对电机的供电，同时对电机行走进行限位控制及生成安全阀状态的反馈信号。所述电机控制单元由第二二极管D2、第三二极管D3、第一限位开关S1、第二限位开关S2和电机Motor组成。当继电器触点PQFV+接电源地，继电器触点PQFV-接电源12V时，第三二极管D3导通，第二二极管D2截止，电流流经第三二极管D3、电机Motor和第一限位开关S1，电机Motor正转，电机离开第二限位开关S2时，将第二限位开关S2的触点S2-3切换至触点S2-2，触点S2-1不动，第二限位开关S2导通，电机行至第一限位开关S1时，将第一限位开关S1的触点S1-3切换至触点S1-2，触点S1-1不动，第一限位开关S1断开，电机Motor停止动作，此时，第一限位开关S1的触点S1-1的电压为12V，第二限位开关S2的触点S2-3的电压为0V，触点S1-1、触点S2-3对应的电压可作为安全阀状态信号；当继电器触点PQFV+接电源12V，继电器触点PQFV-接电源地时，第二二极管D2导通，第三二极管D3截止，电流流经第二二极管D2、电机Motor和第二限位开关S2，电机Motor反转，电机离开第一限位开关S1时，将第一限位开关S1的触点S1-1切换至触点S1-2，触点S1-3不动，第一限位开关S1导通，电机行至第二限位开关S2时，将第二限位开关S2的触点S2-1切换至触点S2-2，触点S2-3不动，第二限位开关S2断开，电机Motor停止动作，此时，第一限位开关S1的触点S1-1的电压为0V，第二限位开 关S2的触点S2-3的电压为12V，触点S1-1、触点S2-3对应的电压可作为安全阀状态信号。
续请参阅图3、图4、图5、图7和图9，对电机反转和电机正转两个动作来分别进行说明。
当浮空器气囊压强差大于压强差上限值(根据浮空器气囊安全要求来设定)时，压差感知单元输出的压强差信号DiffPres大于电压上限值(由压差传感器U2的敏感系数与压强差上限值决定)；压强差信号DiffPres输入滞回控制单元后，滞回控制单元输出的电压信号Sgnal1为低电平；此时，三极管Q1截止，继电器K1线圈不工作，继电器K1松开，继电器触点PQFV+接电源12V，继电器触点PQFV-接电源地，第二二极管D2导通，第三二极管D3截止，电流流经第二二极管D2，电机Motor和第二限位开关S2，电机Motor反转，离开第一限位开关S1时，将第一限位开关S1的触点S1-1切换至触点S1-2，触点S1-3不动，第一限位开关S1导通，行至第二限位开关S2时，将第二限位开关S2的触点S2-1分别至触点S2-2，触点S2-3不动，第二限位开关S2断开，电机Motor停止动作；此时，第一限位开关S1的触点S1-1的电压为0V，第二限位开关S2的触点S2-3的电压为12V。
当浮空器气囊压强差小于压强差下限值(根据浮空器气囊安全要求来设定)时，压差传感单元输出的压强差信号DiffPres小于电压下限值(由压差传感器U2的敏感系数与压强差下限值决定)；压强差信号DiffPres输入滞回控制单元后，滞回控制单元输出的电压信号Sgnal1为高电平；三极管Q1导通，继电器K1线圈工作，继电器K1吸合，继电器触点PQFV+接电源地，继电器触点PQFV-接电源12V，第三二极管D3导通，第二二极管D2截止，电流流经第三二极管D3，电机Motor和第一限位开关S1，电机Motor正转，离开第二限位开关S2时，将第二限位开关S2的触点S2-3切换至触点S2-2，触点S2-1不动，第二限位开关S2导通，行至第一限位开关S1时，将第一限位开关S1的触点S1-3切换至触点S1-2，触点S1-1不动，第一限位开关S1断开，电机Motor停止动作；此时，第一限位开关S1的触点S1-1的电压为12V，第二限位开关S2的触点S2-3的电压为0V。
以上通过举例对本发明进行了说明，但是，并不限于本发明。应当 明白，在该原理和精神下，还可以对所举实例做出各种变化、变更以及组合，这些变化和变更以及组合只要被涵盖在本发明的权利要求范围内，均应属于本发明的保护范围。