基于距離傳感器的電磁閥測力系統(tǒng)設(shè)計

李淵

摘要：針對電磁閥產(chǎn)品測試要求開發(fā)設(shè)計了基于距離傳感器的電磁閥測力系統(tǒng)。該系統(tǒng)用來對電磁閥線圈電磁力進(jìn)行性能檢測，是電磁閥主要性能參數(shù)測試的重要試驗平臺。簡要介紹了測試系統(tǒng)組成、主控制器、串口通訊模塊、AD采集模塊、伺服電機(jī)控制。經(jīng)電磁閥產(chǎn)品聯(lián)試表明，測力系統(tǒng)能夠滿足供電、通信、信號采集需求，設(shè)備工作穩(wěn)定、可靠、界面友好，能夠很好地滿足測試需求。

關(guān)鍵詞：電磁閥；距離傳感器；串口；伺服電機(jī)

中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672]3198.2018.27.093

1電磁閥的工作原理

氣動電磁閥品種繁多、結(jié)構(gòu)各異，但基本原理無太大區(qū)別，即利用電磁力產(chǎn)生拉力，使閥芯迅速移動改變氣流方向。其基本組成如圖1所示，線圈通電后，產(chǎn)生電磁力作用于閥芯，克服彈簧復(fù)位力或氣復(fù)位力等阻力，推動閥芯運(yùn)動，將閥芯關(guān)斷（常開型）或打開（常閉型）；線圈斷電后，電磁力消失，彈簧復(fù)位力或氣復(fù)位力使閥芯復(fù)位。

2測力系統(tǒng)組成

電磁閥工作的核心模塊為線圈電磁力，測力系統(tǒng)主要用來完成線圈電磁閥電磁力測試。測力系統(tǒng)有兩種測試模式：

（1）測試模式1：保持電磁閥供電電壓不變，測試閥芯在不同位移下的電磁力；

（2）測試模式2：保持電磁閥閥芯在一恒定位置，保持位移不變，測試該位移點供電電壓和電磁力之間的曲線。其組成如圖2所示。

測力系統(tǒng)硬件主要由STM32單片機(jī)主控系統(tǒng)、電源、拉壓力傳感器、距離傳感器、絲杠、伺服電機(jī)組成，其執(zhí)行原理如下：

（1）測試1過程：電磁閥通電，保持電磁閥供電電壓不變，隨著閥芯位移動作，產(chǎn)生吸合力發(fā)生變化。同時伺服電機(jī)上電，STM32控制電機(jī)運(yùn)動，由減速機(jī)、絲杠和滑塊經(jīng)轉(zhuǎn)接螺桿推動激光擋板運(yùn)動，激光擋板與閥芯連接，此時可實現(xiàn)閥芯移動。由于閥芯位移變化，此時電磁閥的吸合力隨之改變，實現(xiàn)了電磁閥吸合力與閥芯位移之間的測試。其中電磁閥吸合力測量由拉壓力傳感器完成，閥芯位移測量由激光距離傳感器完成。

由拉壓力傳感器和激光距離傳感器測量的變化模擬量，經(jīng)信號調(diào)理電路后，由STM32主控系統(tǒng)AD電路采集，并由程序根據(jù)采集的變化量，繪制出磁閥吸力與閥芯位移的曲線關(guān)系，完成測試。

（2）測試2過程：STM32控制伺服電機(jī)，由于絲杠的自鎖性能和電機(jī)的保持力矩特性，可使經(jīng)由與電機(jī)相連的減速機(jī)、絲杠、滑塊、轉(zhuǎn)接螺桿、激光擋板保持不動，最終使得電磁閥閥芯位移不變，改變電磁閥供電電壓，使閥芯產(chǎn)生吸合力發(fā)生變化，實現(xiàn)了磁閥吸合力與電磁閥電流（電壓）之間的測試。

2.1主控制器

在設(shè)計過程中，只有保證了硬件電路的可靠性和運(yùn)行速度，控制系統(tǒng)軟件才可以順利實現(xiàn)。目前市場上主控芯片種類繁多，考慮到集成度、功耗、芯片資源、運(yùn)行速度、開發(fā)資料、市場認(rèn)可度，本設(shè)計主控系統(tǒng)選擇了ST公司的32位微控制器STM32F103ZET6，該控制器采用ARM的Cortex-M3內(nèi)核，具有超低的功耗和極高的性價比?？刂破鞴ぷ麟妷悍秶鸀?.8V至3.6V，引腳工作電壓3.6V，同時兼容5V的I/O輸入。其自帶的512K高速Flash存儲器，能夠滿足大多數(shù)程序和數(shù)據(jù)存儲要求，運(yùn)行時鐘為72M，滿足設(shè)計要求。

2.2串口通訊模塊

STM32主控系統(tǒng)中，串口通訊模塊完成電源控制、位移傳感器讀取、溫度傳感器讀取，主控芯片自帶3個串口模塊，最高通訊速率為4.5Mb/s，只需外圍搭建串口電平轉(zhuǎn)換電路即可，本設(shè)計選用SP3232芯片作為電平轉(zhuǎn)換電路，電路模塊如圖3所示。

2.3AD采集模塊

采集信號中，需要采集1路電流轉(zhuǎn)電壓、5路電壓跟隨、3路1/4系數(shù)電壓調(diào)理，選用LM308AH雙路低功耗運(yùn)放運(yùn)放搭建調(diào)理電路，電路如圖4所示。

A/D轉(zhuǎn)換電路中，A/D芯片采用美國ADI公司生產(chǎn)的AD7656，其內(nèi)置6個16位、快速、低功耗逐次逼近型ADC，真雙極性模擬輸入，引腳/軟件可選范圍為±10V、±5V，采樣速率為250KSPS，SPI串行接口，精度為±0.0015%。

2.4伺服電機(jī)控制

本設(shè)計中，采用伺服電機(jī)完成電磁閥閥芯精確位移和保持閥芯位置不變，因此采用PID算法完成閉環(huán)控制。

PID控制核心是根據(jù)期望誤差，利用比例、積分、微分等算法計算出控制量，其基本原理如圖5所示。

PID控制規(guī)律為：

u（t）=Kp*e（t）+Ki*∫tne（t）dt+Kdde（t）dt（1）

其中：Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為比例系數(shù)，u（t）為控制量，e（t）為期望值與測量值之差。

本設(shè)計中，閥芯位移PID軟件算法實現(xiàn)，如圖6所示。

3測試結(jié)果

模式一為保持電磁閥供電電壓不變，測試閥芯在不同位移下的電磁力，模式二為保持電磁閥閥芯在一恒定位置，保持位移不變，測試該位移點供電電壓和電磁力之間的曲線，測試結(jié)果如圖7所示。

可以看出，測試模式1鐵心在閥腔底部時磁力最小，隨著位移增加到達(dá)磁通量最大位置，電磁力達(dá)到最大，隨后電磁力隨位移增加而減小。測試模式2本次測試選擇閥芯位移0.15mm處，可以看出，隨著線圈電壓增加，通過線圈電流增加，穿過鐵心磁通量增加，電磁力增大。

4結(jié)論

電磁閥聯(lián)試測試結(jié)果表明，基于STM32構(gòu)建的測力系統(tǒng)能夠滿足產(chǎn)品供電、設(shè)備供電、儀器通訊控制、傳感器信號采集要求，測力系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，人機(jī)界面經(jīng)過精心設(shè)計，便于操作，能夠滿足測試使用和要求。

參考文獻(xiàn)

[1]王亮.高速電磁閥性能分析與仿真研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[2]董彩鳳.氣動電磁閥動態(tài)特性的測試標(biāo)準(zhǔn)及試驗研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[3]陳旭東.老人服務(wù)機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制系統(tǒng)研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

[4]張志強(qiáng).基于STM32的雙輪機(jī)器人控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[5]劉洲.全方位移動混聯(lián)式操作臂機(jī)器人系統(tǒng)分析設(shè)計[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.