基于MC9S12XS128模數(shù)混合式比例控制放大器的實驗研究

強 彥， 趙春麗， 魏列江， 王亞強， 李 維， 羅小梅

(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050； 2.中國北方車輛研究所，北京 100072)

比例控制放大器是一種為比例電磁鐵提供特定電流，且在電液比例控制系統(tǒng)中進行開環(huán)或閉環(huán)調(diào)節(jié)的電子裝置[1]。比例控制放大器的主要功能是信號輸入、信號比較、控制算法和功率驅(qū)動放大等，控制系統(tǒng)的品質(zhì)直接受其性能好壞的影響[2-3]。傳統(tǒng)模擬式比例控制放大器一般都用模擬元器件實現(xiàn)，其內(nèi)部的PID參數(shù)整定也是通過手動調(diào)整PID電路中的多圈電位器實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)節(jié)范圍有限，且電位器的位置無法有效存儲[4]。近年來，以微處理器為核心的數(shù)字式比例控制放大器得到了廣泛應(yīng)用，通過軟件實現(xiàn)控制算法，使得參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍增大、靈活性增加[5]。缺點是響應(yīng)速度較慢，不能用于要求快速響應(yīng)的系統(tǒng)，同時系統(tǒng)復(fù)雜且成本較高。

現(xiàn)代電液控制系統(tǒng)對于電液比例控制放大器不僅要求參數(shù)調(diào)節(jié)靈活、可在線整定，而且響應(yīng)速度也要足夠快。系統(tǒng)運行過程中，要改變控制方案，不同的控制方案所要求的控制參數(shù)不同，須在系統(tǒng)運行過程中切換控制參數(shù)，想用普通的模擬式比例控制放大器實現(xiàn)這一點幾乎是不可能的[6]。為此，筆者設(shè)計了一種調(diào)整方便、響應(yīng)快速的基于MC9S12XS128模數(shù)混合式比例控制放大器，并利用Tina仿真軟件進行了電路仿真，給出了電路的設(shè)計過程。

1 設(shè)計思路和基本原理

基于MC9S12XS128模數(shù)混合式比例控制放大器基本的設(shè)計思想是：用數(shù)字電位器代替模擬PID控制器中的模擬電位器，單片機對現(xiàn)場狀態(tài)參量辨識的數(shù)學(xué)模型整定計算PID參數(shù)，且可通過數(shù)字電位器來改變，同時單片機存儲下來，以便調(diào)用查看。此設(shè)計方案既利用了單片機實現(xiàn)參數(shù)的在線整定、調(diào)節(jié)和存儲，又利用了模數(shù)混合PID控制器電路快速實現(xiàn)控制算法。

基于MC9S12XS128模數(shù)混合式比例控制放大器的基本原理圖如圖1所示，比例控制放大器主要由單片機、模數(shù)混合PID控制器、功率放大電路和位移反饋電路構(gòu)成。給定輸入量到單片機中，與反饋量進行比較，得到的偏差進入PID控制器，通過I2C總線和數(shù)字電位器通信來調(diào)節(jié)參數(shù)，從而改變PID控制器的輸出，將其輸入到單片機，由單片機產(chǎn)生的信號控制PWM波占空比。用來驅(qū)動比例電磁鐵的輸出信號太小。所以先用功率放大模塊對信號進行放大，被放大的輸出信號再驅(qū)動比例電磁鐵，電磁鐵線圈得電產(chǎn)生電磁力推動電磁鐵鐵芯運動，進而推動比例閥閥芯運動，比例閥的閥口開度發(fā)生變化引起閥口流量、壓力改變。

2 電路設(shè)計

2.1 數(shù)字電位器與單片機控制電路

數(shù)字電位器是采用CMOS工藝制成的數(shù)字模擬混合信號處理集成電路，亦稱數(shù)控可編程電阻器，簡稱數(shù)控電位器(DCP)。本設(shè)計使用由美國Xicor公司生產(chǎn)的數(shù)字電位器X9312，其端電壓最大調(diào)節(jié)范圍為0～15 V[7]。單片機采用Freescale公司16位芯片MC9S12XS128，該單片機最大限度地滿足了實際應(yīng)用的需求，減少了外圍拓展電路，降低了整個系統(tǒng)的功耗和成本[8]。

圖1 模數(shù)混合式比例控制放大器原理框圖

MC9S12XS128和X9312控制電路圖如圖2所示。數(shù)字電位器X9312的3條輸入控制端口INC、U/D和CS與單片機MC9S12XS128的通用I/O口連接，X9312的端口VH、VL和VW分別接+15 V、0 V和PID控制器，PID控制器中各環(huán)節(jié)間采用串并聯(lián)混合的控制關(guān)系。在圖2中，單片機的PA口和PB口分別與數(shù)字電位器X9312連接。由X9312時序表得，存在單片機內(nèi)部定時中斷產(chǎn)生的增量信號INC，信號周期由被控對象執(zhí)行動作的響應(yīng)時間決定，根據(jù)不同需求對X9312的U/D和CS狀態(tài)進行設(shè)置，從而控制電阻器沿電阻陣列的運動。

圖2 MC9S12XS128和X9312控制電路圖

2.2 模數(shù)混合PID控制器電路設(shè)計

模數(shù)混合PID控制器原理如圖3所示。由圖3可知，單片機MC9S12XS128和模擬PID控制器間由兩部分相連接，一部分是單片機內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的偏差信號經(jīng)光電隔離后，作為模擬PID控制器的輸入信號；另一部分電路則是通過非易失性數(shù)字電位器X9312與模擬PID控制器相連接，單片機通過I2C總線與數(shù)字電位器進行通信，通過MC9S12XS128的PA口和PB口改變模擬PID控制器中KP、KI、KD三個參數(shù)。I2C是一種兩線制串行總線，分別是串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL。

在圖3中，模數(shù)混合PID控制器是在模擬PID電路基礎(chǔ)上，分別在比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)加上數(shù)字電位器，本設(shè)計中采用3個串行接口芯片X9312作為比例、積分和微分電阻，通過MC9S12XS128改變X9312的值對PID控制電路參數(shù)進行調(diào)節(jié)，從而改變控制器輸出，其輸出用來控制PWM波產(chǎn)生電路的占空比。本實驗設(shè)計的PID控制器是實際應(yīng)用較多的串并聯(lián)混合式PID控制器。該電路形式使得級間誤差避免了因累加而放大，同時也消除了PID參數(shù)間的互相干擾[9]。

圖3 模數(shù)混合PID控制器原理圖

2.3 PWM波生成電路

PWM波生成電路是為功率放大電路提供占空比可調(diào)的輸入信號，如圖4所示。圖4中芯片NE555組成占空比可調(diào)的脈沖振蕩器，機械電位器被數(shù)字電位器X9312取代用來調(diào)節(jié)占空比，單片機通過PJ口和PA口分別連接X9312的增量信號INC、片選信號CS和方向控制信號U/D，通過對輸入端口的控制改變X9312的輸出信號，進而改變NE555的輸出脈寬調(diào)制信號的占空比。輸出信號PWMOUT被送往功率放大電路來驅(qū)動比例電磁鐵。

2.4 功率放大電路

比例控制放大器的輸出信號需滿足輸出功率大、輸出控制電流穩(wěn)定、能抵御環(huán)境及電壓等變化的干擾[10]。因電路中輸出信號太小不足以驅(qū)動比例電磁鐵，故設(shè)計功率放大電路驅(qū)動比例電磁鐵。設(shè)計電路如圖5所示，采用反接卸荷實現(xiàn)功率放大電路的功能。

圖4 PWM波生成電路

圖5 反接卸荷式功率放大電路圖

反接卸荷式功率放大電路由24 V電源、NPN、MOS管、比例電磁鐵、采樣電阻等組成。當PWMOUT向功率放大電路輸入高低電平時，會影響電路中NPN的導(dǎo)通情況以及MOS管的通斷。該方式可滿足比例閥較高動態(tài)頻寬的需求，因為比例電磁鐵中感性元件的續(xù)流作用，電源被正接或反接到比例電磁鐵兩端，此電路形式使比例電磁鐵的卸載速度加快，從而實現(xiàn)了設(shè)計要求[11]。

MOS管的驅(qū)動電壓由電源對R57和R58的分壓給定，具體如下。

(1)

圖5中，D1和D2是續(xù)流二極管，是為了防止驅(qū)動信號撤掉，場效應(yīng)管內(nèi)部寄生電容上的能量通過二極管消耗，減少驅(qū)動脈沖拖尾現(xiàn)象。比例電磁鐵上的反電動勢，利用穩(wěn)壓二極管D3和D4，將其導(dǎo)入電源。通過1.5 Ω的精密采樣電阻，對流過線圈的電流進行采樣。為防止電流沖擊損壞線路，在電磁鐵附近加入起保護作用的熔斷器FU1。

3 電路仿真與實驗結(jié)果

3.1 電路特性仿真

仿真時取比例電磁鐵的參數(shù)R=2.7 Ω，L=100 mH，在模數(shù)混合式比例控制放大器的電路仿真中，設(shè)置好參數(shù)R和L，在輸入電壓US=10 V的條件下，通過改變占空比觀測電磁鐵的線圈電流IS，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同占空比下比例電磁鐵線圈電流

由圖6可以看出，不同占空比下，比例電磁鐵線圈電流近似成線性關(guān)系。當US=10 V，占空比為100%時，比例電磁鐵的線圈電流接近2 A。由電液比例控制放大器理想的輸入電壓與輸出電流關(guān)系可得，在元器件和外部環(huán)境都處于理想情況下，輸入電壓和輸出電流是嚴格的線性關(guān)系。

3.2 實驗及其結(jié)果

根據(jù)電路分析，制作了PCB電路板，并進行了實驗。本實驗采用的執(zhí)行元件為比例電磁鐵，其型號為河南安陽機床電器廠生產(chǎn)的516cyy-1705A，借助MC9S12XS128單片機開發(fā)軟件CodeWarrior IDE，對模數(shù)混合式比例控制放大器進行軟件開發(fā)。通過BDM下載器和串行接口傳輸線將程序下載到單片機MC9S12XS128中。

實驗以單片機作為主控制器芯片，使用PLC作為控制方式，對主控制器提供模擬量輸入。通過數(shù)字萬用表測量不同輸入電壓下比例電磁鐵線圈電流值，如表1所示。表1中輸入電壓為0 V時，存在一個很小的電磁鐵線圈測試電流，該電流是對比例閥的死區(qū)補償，電流值在檢測中被考慮在內(nèi)。圖7是對表1數(shù)據(jù)進行擬合得到的曲線，采用最小二乘法擬合輸入電壓和輸出電流的函數(shù)關(guān)系，得到其數(shù)學(xué)表達式如式(2)所示，其中U為輸入電壓，I為比例電磁鐵線圈電流。

I=199.9039U-10.5730

(2)

表1 實驗結(jié)果

圖7 線圈輸出電流與輸入電壓對應(yīng)關(guān)系

圖7為不同電壓下的電流輸出結(jié)果。選取相應(yīng)參數(shù)計算其對應(yīng)電流值，并同表1中電磁鐵線圈測試電流值作差，得到電流最大誤差值10.57 mA，非線性度0.53%，小于1%，因此電流檢測的線性度滿足設(shè)計需求。由圖7可知，電磁鐵線圈電流與輸入電壓是成比例的，故本文設(shè)計的放大器擁有穩(wěn)態(tài)誤差較小、控制精度高等特性。

使用泰克公司的雙蹤示波器(型號為TBS1102)測試模數(shù)混合式比例控制放大器的輸入電壓及其響應(yīng)電壓曲線，如圖8所示。通道1為比例電磁鐵兩端的電壓波形，通道2為輸入電壓波形。在圖8中，PLC輸入10 V模擬電壓信號時，不到0.6 ms比例電磁鐵兩端響應(yīng)出高低電平信號，這是因為在控制信號和功率放大器之間加入了PWM環(huán)節(jié)，功率放大器采用反接卸荷式功率放大電路。模數(shù)混合式比例控制放大器的響應(yīng)時間約為0.6 ms，相比較于已知的數(shù)字式比例控制放大器響應(yīng)時間，本設(shè)計的響應(yīng)速度更具優(yōu)勢。

圖8 電磁鐵線圈兩端的響應(yīng)電壓

圖9為輸入電壓分別為3.3 V和6.7 V時，比例電磁鐵鐵芯伸出的位移情況。由圖9可以得出，電磁鐵的鐵芯伸縮位置與輸入電壓是成比例的。

圖9 不同電壓下的比例電磁鐵鐵芯位置

4 結(jié)束語

本文針對模擬式比例控制放大器和數(shù)字式比例控制放大器在實際工程應(yīng)用中的不足，設(shè)計開發(fā)了一種應(yīng)用在電液比例閥的基于MC9S12XS128模數(shù)混合式比例控制放大器。通過對其硬件電路進行設(shè)計，電路進行軟件仿真以及實物測試得出如下結(jié)論。

① 通過對比例電磁鐵線圈電流進行仿真測試，仿真結(jié)果表明，當輸入電壓US=10 V，不同占空比下比例電磁鐵線圈電流成線性變化，且當占空比為100%，線圈電流近似2 A。

② 通過對模數(shù)混合式比例控制放大器實物進行測試，測得不同輸入電壓對應(yīng)的比例電磁鐵線圈電流，擬合出其關(guān)系曲線，計算出電流非線性度為0.53%<1%，故電流檢測的線性度滿足線性要求，且實驗測試的電磁鐵線圈電流驗證了實物符合設(shè)計要求。

③ 通過雙蹤示波器測試模數(shù)混合式比例控制放大器輸入電壓和輸出電壓波形，并觀察比例電磁鐵鐵芯位移伸出情況。從波形圖中看出，當給單片機一個模擬電壓信號，模數(shù)混合式比例控制放大器輸出電壓的響應(yīng)時間小于0.6 ms，其響應(yīng)速度較數(shù)字式比例控制放大器有所提高。從鐵芯伸出位置可得，電磁鐵鐵芯伸出位移與輸入電壓是成比例的。

從仿真研究到實驗測試可得，本研究設(shè)計的基于MC9S12XS128模數(shù)混合式比例控制放大器工作穩(wěn)定可靠、響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)誤差較小、控制精度高。在后期對模數(shù)混合式比例控制放大器軟、硬件系統(tǒng)不斷改進與測試后，能夠?qū)I(yè)產(chǎn)品的形成提供一定的指導(dǎo)。