基于恒流模式的比例閥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

顧家茂，曲 波

（蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

比例閥控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械技工、冶金等行業(yè)，其能根據(jù)指令信號(hào)比例控制液壓系統(tǒng)的壓力、流量、位置及力矩等控制參數(shù)。它的精確控制是建立在閉環(huán)控制基礎(chǔ)上的，傳統(tǒng)的控制方式多數(shù)采用PID控制技術(shù)。該方式具有簡(jiǎn)單、可靠、參數(shù)整定方便等優(yōu)點(diǎn)，但由于液壓系統(tǒng)受溫度、負(fù)載等參數(shù)變化的影響較大，在某些場(chǎng)合實(shí)際輸出與期望輸出誤差較大。本文采用的恒流控制方式可以避免這些問(wèn)題，輸出不隨負(fù)載變化而變化[1]。

1 恒流模式控制介紹

比例閥系統(tǒng)從電子角度可以簡(jiǎn)單看作是一個(gè)電感串聯(lián)一個(gè)電阻以及機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)動(dòng)角度受比例閥的電流值控制，眾所周知，電感充放電時(shí)間常數(shù)τ=L/R，充電電流放電電流是比例閥的感值，R是整個(gè)環(huán)路的電阻值，Io是比例閥的電流，L無(wú)法改變，只能改變充放電時(shí)間來(lái)達(dá)到改變電流的目的。一個(gè)恒流模式的思想是給負(fù)載設(shè)定一個(gè)電流值，如果系統(tǒng)檢測(cè)到負(fù)載電流小于設(shè)定的值，就會(huì)增加充電時(shí)間，減少放電時(shí)間，反之，減少充電時(shí)間，增加放電時(shí)間[2]。實(shí)現(xiàn)這些功能的框圖如圖1所示。

圖1 恒流模式框圖

通過(guò) r（t）設(shè)定值和 y（t）實(shí)際值相減，得到誤差 信號(hào)，誤差信號(hào)再與一個(gè)三角波信號(hào)比較器進(jìn)行比較，當(dāng)誤差信號(hào)大于三角波信號(hào)時(shí)，就輸出PWM脈沖，反之，不輸出。因此，脈沖寬度與誤差信號(hào)成線性關(guān)系，從而達(dá)到自動(dòng)控制參數(shù)的目的。圖1中，PWM控制器的輸出式中：M為PWM波的幅值；T為PWM的脈沖周期。在實(shí)際使用中，可以直接比較設(shè)定值和實(shí)際值，比較器后面接一個(gè)觸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)同樣的功能，u（t）可以簡(jiǎn)化為 0和1，方便電路設(shè)計(jì)。

2 比例閥控制電路設(shè)計(jì)

基于恒流模式的比例閥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是比例閥控制電路的設(shè)計(jì)，其中閉環(huán)部分是整個(gè)電路的核心，尤為重要，其框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路框圖

2.1 主控處理器

主控制器采用意法半導(dǎo)體的 32位處理器STM32F103，其內(nèi)部資源很豐富，本設(shè)計(jì)主要用到內(nèi)部定時(shí)器、DAC、串口、Flash、GPIO口，其中 DAC用來(lái)設(shè)置比例閥的參考電流值，定時(shí)器用來(lái)設(shè)置最大PWM的占空比，能夠經(jīng)過(guò)閉環(huán)電路自動(dòng)調(diào)整到需要的脈沖寬度，串口用來(lái)與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互，內(nèi)部Flash用來(lái)校正電流值，由于芯片參數(shù)離散性不一樣，故需要在第一次上電的時(shí)候校正，本設(shè)計(jì)中將校正值放在內(nèi)部Flash中，GPIO驅(qū)動(dòng)指示燈指示電流是否達(dá)到設(shè)定值。

2.2 閉環(huán)系統(tǒng)

圖3 閉環(huán)硬件連接圖

閉環(huán)系統(tǒng)是決定這個(gè)系統(tǒng)能否正常工作的最關(guān)鍵部分。為了達(dá)到最佳的效果，減少分立元件的噪聲，選用了集成電路，其中RS觸發(fā)器、PWM驅(qū)動(dòng)器、比較器集成在一塊芯片MCP1630V中，MOS驅(qū)動(dòng)器用的是電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)芯片L6205，電流采集采用的 INA193，采樣電阻用高精度的100 MΩ電阻。圖3是三款芯片的連接圖。

圖3中L6205驅(qū)動(dòng)芯片里面有8個(gè)NMOS，本設(shè)計(jì)用到其中4個(gè)，充電是由電源向液壓比例閥充電，慢放是由MOS管寄生的二極管進(jìn)行釋放的，如果充電電流比較大，放電就比較慢，所以需要一個(gè)快放電路，如圖3的快放回路所示，將電流續(xù)流到電源上，基本原理是 ：u=l*di/dt，l是電感值，u是電感兩端壓降，di/dt是放電速率，l是固定值，可以改變的是u，慢放的壓降是 0，理論上永遠(yuǎn)放不完，快放和充電的壓降都是電源電壓，所以充放電時(shí)間一樣[3]。充放電回路如圖4所示。

圖4 充放電回路

讓閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入快放模式有兩種方式，一種是軟件檢測(cè)到電流達(dá)到某個(gè)值，主動(dòng)開(kāi)啟快放模式 （控制L6205的端口），另一種方式是硬件自動(dòng)開(kāi)啟。本設(shè)計(jì)用的是異步清零計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)放電PWM脈沖的個(gè)數(shù)，達(dá)到設(shè)定計(jì)數(shù)值之前是慢放模式，超過(guò)設(shè)定計(jì)數(shù)值之后打開(kāi)快放模式，并且計(jì)數(shù)器清零，為下次計(jì)數(shù)做準(zhǔn)備。

電流采集用的是TI的INA193芯片，這是一款高精度的電流監(jiān)控芯片，共模輸入達(dá)到80 V，放大倍數(shù)固定8倍。如果電流為2 A，則輸出為 2×100×8=1 600 mV，在 0～3.3 V范圍之內(nèi)，既可以通過(guò)ADC采集電壓，又可以作為比較器的輸入端。本設(shè)計(jì)是閉環(huán)，所以直接接到比較器的負(fù)輸入端，作為負(fù)反饋。

PWM控制器用的是Microchip公司的MCP1630V，內(nèi)部集成RS觸發(fā)器、比較器、PWM驅(qū)動(dòng)器。RS觸發(fā)器和比較器是用來(lái)控制PWM占空比的，當(dāng)真實(shí)電流值達(dá)到設(shè)定電流值時(shí)，比較器的輸出端產(chǎn)生低電平，讓RS觸發(fā)器復(fù)位，達(dá)到設(shè)定占空比的目的，PWM驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)非門，提高PWM的驅(qū)動(dòng)能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)在閉環(huán)部分，軟件設(shè)計(jì)流程如圖5 所示：（1）初始化校正數(shù)據(jù)；（2）命令收發(fā)；（3）PWM 產(chǎn)生以及 DAC輸出。 其中（2）和（3）是操作 STM32F103內(nèi)部的串口、定時(shí)器、DAC模塊，就不多介紹，主要介紹數(shù)據(jù)校正算法。

圖5 系統(tǒng)軟件流程

本設(shè)計(jì)用的是線性插值算法進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。思路如下： 將 0～2 000 mA 的數(shù)據(jù)分成 0～255，256～511，512～1 023，1 024～1 279，1 280～1 535，1 536～1 791，1 792～2 000，每段可以看成直線（理論上任意小段都可以看成直線）。

在 [x0，x1]區(qū)間上任意 x校驗(yàn)后的值為 y+（x-x0）*B/256+（x1-x）*A/256，其中 y為 x對(duì)應(yīng)的理論值（未校驗(yàn)），A和B分別對(duì)應(yīng) x0和x1處的校驗(yàn)值，根據(jù)這個(gè)公式很容易寫(xiě)出程序，除以256可以用右移8位代替。

圖6是校驗(yàn)后的理論和實(shí)際的誤差分布圖。

從圖6測(cè)試結(jié)果（0～1 600 mA）看出，誤差基本在±2%以內(nèi)，在電流值較少的時(shí)候，由于相對(duì)誤差較大，導(dǎo)致誤差百分比較大，因?yàn)?delta=（i2-i1）×100/i1，i1是理論值，i2是實(shí)際值，delta是誤差百分比，i1越小，delta越大，所以這是合理的。

圖6 誤差分布值/mA

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了恒流模式比例閥控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，從理論分析到模型建立到搭建電路到數(shù)據(jù)校正，每個(gè)環(huán)節(jié)都詳細(xì)介紹，最后誤差分布圖表明此系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較高。此系統(tǒng)在汽車油壓的控制、測(cè)量等方面有重要應(yīng)用。

[1]張璐璐.數(shù)字式比例閥控制器及其PID參數(shù)整定研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.

[2]縱慧慧，郝繼飛，劉會(huì)娟，等.基于PWM控制的電液比例閥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2009，35（12）：10-13.

[3]吳林瑞，王崗罡，李志超，等.基于 CPLD的比例閥控制方法[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2009（5）：23-25.