王 宇 王 直 楊紗紗 周韋潤(rùn)
(1.江蘇科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003)(2.江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003)(3.江蘇句容抽水蓄能有限公司 鎮(zhèn)江 212400)
工業(yè)生活中電磁閥使用數(shù)量的增多加大了對(duì)每一個(gè)電磁閥精準(zhǔn)控制的難度,而每一個(gè)電磁閥在使用時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間流過(guò)大電流來(lái)控制和維持其導(dǎo)通,這種應(yīng)用方式不僅損耗大,也會(huì)使得線圈過(guò)熱甚至是損壞,這樣會(huì)導(dǎo)致電磁閥工作狀態(tài)或工作環(huán)境的不穩(wěn)定[1]。
電磁閥的種類很多,根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途,一般分為三大類:直動(dòng)式電磁閥、分步直動(dòng)式電磁閥以及先導(dǎo)式電磁閥,其中在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的是直動(dòng)式電磁閥[2]。直動(dòng)式電磁閥的控制方式簡(jiǎn)單,操作方便,而且該類電磁閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,動(dòng)作可靠,閥門開(kāi)閉迅速,在零壓差和微真空下也可以正常工作。
直動(dòng)式電磁閥一般有常閉型和常開(kāi)型兩種,電磁閥由外殼、線圈、彈簧和關(guān)閉件組成。常閉型電磁閥在斷電時(shí)呈關(guān)閉狀態(tài)[3],當(dāng)線圈通電時(shí)產(chǎn)生電磁力,把關(guān)閉件從閥座上提起,介質(zhì)呈通路狀態(tài);而當(dāng)線圈斷電時(shí)電磁力消失,彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上,閥門關(guān)閉,介質(zhì)不通。常開(kāi)型電磁閥的工作情況與常閉型電磁閥正好相反。
圖1為基于STM32的多組電磁閥控制的結(jié)構(gòu)框圖,降壓電路為STM32提供工作電源,CAN通信電路實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與STM32的通信[4],并通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的精確控制和工作狀態(tài)顯示[5]。電磁閥需要通過(guò)STM32控制驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)每一個(gè)的狀態(tài)控制。
CAN通信電路如圖2所示,使用的CAN芯片為VD230,應(yīng)用時(shí)需要將芯片的TXD、RXD通信腳連接至STM32的PA12和PA11腳,并將CAN芯片中的CANH和CANL腳直接連接至USBCAN適配器上,則該硬件電路可以正常實(shí)現(xiàn)STM32和上位機(jī)之間的CAN通信功能[6]。
圖2 CAN通信電路
為實(shí)現(xiàn)多組電磁閥的控制,本文采用可級(jí)聯(lián)使用的驅(qū)動(dòng)芯片DRV8806來(lái)設(shè)計(jì)電磁閥的驅(qū)動(dòng)控制電路。DRV8806支持多組芯片共用一組串行接口,提高了串行接口的利用率,節(jié)省了STM32的占用引腳[7]。同時(shí),芯片內(nèi)置的關(guān)斷功能可提供過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓閉鎖和過(guò)熱保護(hù),具體故障可以由故障輸出引腳來(lái)指示,保證了應(yīng)用過(guò)程中的電路安全。
圖3為兩組DRV8806級(jí)聯(lián)的方式,在應(yīng)用測(cè)試中采用四組DRV8806芯片級(jí)聯(lián)使用來(lái)同時(shí)控制16個(gè)電磁閥的工作狀態(tài),四組芯片級(jí)聯(lián)的方式與兩組級(jí)聯(lián)相同。如圖3所示,STM32直接連接芯片的每一個(gè)引腳,通過(guò)前一組芯片輸出引腳SDAOUT作為下一組芯片SDAIN腳的輸入,同時(shí)共用nENBL、nFAULT、RESET、LATCH、SCLK幾個(gè)控制引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)。
DRV8806內(nèi)部的邏輯主要是通過(guò)多組D觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)功能,RESET腳作為所有芯片輸出復(fù)位控制腳,LATCH作為輸出狀態(tài)鎖存腳。通過(guò)在STM32中讀取nFAULT腳的電平信息,可判斷芯片工作狀態(tài)是否正常。其中,由于nFAULT和SDAOUT引腳是芯片的輸出引腳,為保證STM32讀取電平狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性以及芯片間級(jí)聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,應(yīng)將兩個(gè)引腳用電阻上拉[8]。
圖3 兩組DRV8806的級(jí)聯(lián)方式
電磁閥長(zhǎng)時(shí)間處于大電流通電狀態(tài)時(shí),線圈過(guò)熱容易降低線圈使用壽命甚至燒壞線圈[9],為了滿足電磁閥的正常工作同時(shí)降低線圈熱量,需要對(duì)電磁閥采用節(jié)能應(yīng)用。
圖4為節(jié)能模塊的設(shè)計(jì)電路[10],該節(jié)能模塊的J10插座需要連接在電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的輸出口同時(shí)將J11插座接上電磁閥。節(jié)能模塊主要由LM2675降壓電路和PMOS通斷控制電路組成[11~12]。在實(shí)驗(yàn)中,電磁閥驅(qū)動(dòng)電路輸出為24V,電磁閥的額定電壓為24V。當(dāng)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路輸出24V電壓時(shí),節(jié)能模塊開(kāi)始工作。節(jié)能模塊在開(kāi)始工作時(shí),由于PMOS的柵極電壓低于源極電壓[10],此時(shí)PMOS導(dǎo)通使得漏極輸出電壓為24V,滿足電磁閥的正常吸合電壓,電磁閥吸合工作;而當(dāng)電容C8充滿電后,PMOS的柵極和源極的壓差接近于0V,PMOS斷開(kāi),此時(shí)節(jié)能模塊的輸出電壓為L(zhǎng)M2675降壓電路的輸出電壓,在圖4的實(shí)驗(yàn)電路中為11V左右。由于電磁閥已經(jīng)正常吸合,而11V左右的電壓足以滿足維持電磁閥的工作狀態(tài),則相比于持續(xù)24V電壓工作,該方案可以在電磁閥正常工作的同時(shí)減少電磁閥線圈的發(fā)熱量和能耗。其中,電容的充電時(shí)間可以通過(guò)改變阻值和容值大小來(lái)調(diào)節(jié)控制,以保證滿足電磁的正常吸合[13]。
圖4 節(jié)能模塊設(shè)計(jì)電路
圖5為DRV8806通過(guò)MCU進(jìn)行控制的程序流程圖。在對(duì)STM32各個(gè)功能初始化后,根據(jù)CAN指令使能DRV8806的工作,RESET復(fù)位功能處于關(guān)閉狀態(tài)且使能腳nENBL為激活狀態(tài),此時(shí)DRV8806可以正常輸出控制。每一次更新輸出狀態(tài)需要將數(shù)據(jù)鎖存,以保證電磁閥不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。每一個(gè)電磁閥的工作狀態(tài)需要通過(guò)IO輸出高低電平來(lái)控制,并需要通過(guò)給予對(duì)應(yīng)電磁閥位置的脈沖數(shù),確保位流狀態(tài)控制的準(zhǔn)確性。
圖5 程序控制流程圖
軟件節(jié)能方案主要是在滿足電磁閥正常吸合的時(shí)間后,通過(guò)軟件調(diào)節(jié)電磁閥通斷電的間隔時(shí)間,使其在正常維持電磁閥工作狀態(tài)的同時(shí),可以減少電磁閥大電流通電的時(shí)間,STM32中程序控制流程如圖6所示。
圖6 軟件節(jié)能方案流程圖
軟件節(jié)能需要在電磁閥工作開(kāi)始時(shí)計(jì)時(shí),判斷在滿足正常工作時(shí)間后,將控制該電磁閥工作狀態(tài)的位流改為相反狀態(tài),同時(shí)啟動(dòng)節(jié)能用定時(shí)器并重載定時(shí)時(shí)間T。節(jié)能定時(shí)器會(huì)根據(jù)當(dāng)前電磁閥工作狀態(tài)而重載不同的值,從而實(shí)現(xiàn)通斷電占空比的調(diào)節(jié)[14]。
當(dāng)電磁閥處于通電工作狀態(tài)時(shí),重載定時(shí)時(shí)間T為
當(dāng)電磁閥處于斷電不工作狀態(tài)時(shí),重載定時(shí)時(shí)間T為
其中,T為節(jié)能定時(shí)重載時(shí)間,f為位流輸出的PWM頻率,D為調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的占空比。
按照以上方案,當(dāng)通電位流的PWM頻率為20kHz,需要設(shè)置通斷占空比為50%,則必須在每25μs時(shí)更新一次數(shù)據(jù)??梢员WC電磁閥在正常吸合之后,以低功耗的方式維持著工作狀態(tài)。
圖7為測(cè)試電磁閥的控制界面[15],當(dāng)上位機(jī)上每一組電磁閥被勾選時(shí),控制指令會(huì)相應(yīng)的變化,指令根據(jù)16進(jìn)制生成,同樣地可以直接寫入指令,電磁閥狀態(tài)會(huì)相應(yīng)地被勾選,發(fā)送指令可以實(shí)現(xiàn)CAN通信對(duì)電磁閥的控制,同時(shí)實(shí)時(shí)顯示驅(qū)動(dòng)報(bào)錯(cuò)狀態(tài)。
圖7 電磁閥控制顯示界面
圖8為電磁閥采用節(jié)能模塊時(shí)的實(shí)際工作電壓波形,電磁閥會(huì)在24V電壓下吸合啟動(dòng)工作,在滿足正常工作狀態(tài)后,節(jié)能模塊將輸出約11V的電壓維持電磁閥的導(dǎo)通,以此減少電磁閥的能耗。
圖8 節(jié)能模塊工作電壓波形圖
在實(shí)際測(cè)試中,通過(guò)上位機(jī)發(fā)送CAN指令可以控制指定電磁閥的工作狀態(tài),可以便捷無(wú)干擾地實(shí)現(xiàn)多組電磁閥的同時(shí)控制,上位機(jī)也可以實(shí)時(shí)顯示各個(gè)電磁閥的工作情況以及電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的錯(cuò)誤信息,保證了工作的安全性。而在節(jié)能方案測(cè)試中,采用節(jié)能電路模塊的方案比軟件節(jié)能方案在節(jié)能效果上更明顯,節(jié)能電路模塊在方案執(zhí)行上比軟件節(jié)能方案更容易實(shí)現(xiàn)安全便捷降低能耗的目的。