电子比例阀应用 基于恒流模式的比例阀控制系统的设计

基于恒流模式的比例阀控制系统的设计

摘 要 ： 针对传统的采用PID控制技术的比例阀控制系统在控制性能要求较高的场合不能满足要求的问题，提出一种基于恒流模式控制的比例阀控制系统的设计方案，分析了恒流模式的控制原理及其数学模型，详细介绍了系统控制电路的设计以及采用STM32F103VET6实现数据校正算法。实际应用表明，采用恒流模式对比例阀的压力和流量进行控制具有价格低廉、重复性好、功耗小、抗干扰能力强等优点。

0 引言

比例阀控制系统广泛应用于机械技工、冶金等行业，其能根据指令信号比例控制液压系统的压力、流量、位置及力矩等控制参数。它的精确控制是建立在闭环控制基础上的，传统的控制方式多数采用PID控制技术。该方式具有简单、可靠、参数整定方便等优点，但由于液压系统受温度、负载等参数变化的影响较大，在某些场合实际输出与期望输出误差较大。本文采用的恒流控制方式可以避免这些问题，输出不随负载变化而变化[1]。

1 恒流模式控制介绍

比例阀系统从电子角度可以简单看作是一个电感串联一个电阻以及机械转动装置，转动角度受比例阀的电流值控制，众所周知，电感充放电时间常数τ=L/R，充电电流i=Io*[1-e^（-t/τ）]，放电电流i=Io*[e^（-t/τ）]，L是比例阀的感值，R是整个环路的电阻值，Io是比例阀的电流，L无法改变，只能改变充放电时间来达到改变电流的目的。一个恒流模式的思想是给负载设定一个电流值，如果系统检测到负载电流小于设定的值，就会增加充电时间，减少放电时间，反之，减少充电时间，增加放电时间[2]。实现这些功能的框图如图1所示。

通过r（t）设定值和y（t）实际值相减，得到误差信号，误差信号再与一个三角波信号比较器进行比较，当误差信号大于三角波信号时，就输出PWM脉冲，反之，不输出。因此，脉冲宽度与误差信号成线性关系，从而达到自动控制参数的目的。图1中，PWM控制器的输出u（t）=m（e（t））=Msgn[（e（t））]，t∈[kT，kT+Tk]T，t∈（kT+Tk，kT+T）

式中：M为PWM波的幅值；T为PWM的脉冲周期。在实际使用中，可以直接比较设定值和实际值，比较器后面接一个触发器，实现同样的功能，u（t）可以简化为0和1，方便电路设计。

2 比例阀控制电路设计

基于恒流模式的比例阀控制系统的设计主要是比例阀控制电路的设计，其中闭环部分是整个电路的核心，尤为重要，其框图如图2所示。

2.1 主控处理器

主控制器采用意法半导体的32位处理器STM32F103，其内部资源很丰富，本设计主要用到内部定时器、DAC、串口、Flash、GPIO口，其中DAC用来设置比例阀的参考电流值，定时器用来设置最大PWM的占空比，能够经过闭环电路自动调整到需要的脉冲宽度，串口用来与上位机通信，实现友好的人机交互，内部Flash用来校正电流值，由于芯片参数离散性不一样，故需要在第一次上电的时候校正，本设计中将校正值放在内部Flash中，GPIO驱动指示灯指示电流是否达到设定值。

2.2 闭环系统

闭环系统是决定这个系统能否正常工作的最关键部分。为了达到最佳的效果，减少分立元件的噪声，选用了集成电路，其中RS触发器、PWM驱动器、比较器集成在一块芯片MCP1630V中，MOS驱动器用的是电机全桥驱动芯片L6205，电流采集采用的INA193，采样电阻用高精度的100 M?赘电阻。图3是三款芯片的连接图。

图3中L6205驱动芯片里面有8个NMOS，本设计用到其中4个，充电是由电源向液压比例阀充电，慢放是由MOS管寄生的二极管进行释放的，如果充电电流比较大，放电就比较慢，所以需要一个快放电路，如图3的快放回路所示，将电流续流到电源上，基本原理是：u=l*di/dt，l是电感值，u是电感两端压降，di/dt是放电速率，l是固定值，可以改变的是u，慢放的压降是0，理论上永远放不完，快放和充电的压降都是电源电压，所以充放电时间一样[3]。充放电回路如图4所示。

让闭环系统进入快放模式有两种方式，一种是软件检测到电流达到某个值，主动开启快放模式（控制L6205的端口），另一种方式是硬件自动开启。本设计用的是异步清零计数器实现，用计数器计数放电PWM脉冲的个数，达到设定计数值之前是慢放模式，超过设定计数值之后打开快放模式，并且计数器清零，为下次计数做准备。

电流采集用的是TI的INA193芯片，这是一款高精度的电流监控芯片，共模输入达到80 V，放大倍数固定8倍。如果电流为2 A，则输出为2×100×8=1 600 mV，在0~3.3 V范围之内，既可以通过ADC采集电压，又可以作为比较器的输入端。本设计是闭环，所以直接接到比较器的负输入端，作为负反馈。

PWM控制器用的是Microchip公司的MCP1630V，内部集成RS触发器、比较器、PWM驱动器。RS触发器和比较器是用来控制PWM占空比的，当真实电流值达到设定电流值时，比较器的输出端产生低电平，让RS触发器复位，达到设定占空比的目的，PWM驱动器是一个非门，提高PWM的驱动能力。

3 系统软件设计

本设计的主要任务在闭环部分，软件设计流程如图5所示：（1）初始化校正数据；（2）命令收发；（3）PWM产生以及DAC输出。其中（2）和（3）是操作STM32F103内部的串口、定时器、DAC模块，就不多介绍，主要介绍数据校正算法。

本设计用的是线性插值算法进行数据校正。思路如下：将0~2 000 mA的数据分成0~255，256~511，512~1 023，1 024~1 279，1 280~1 535，1 536~1 791，1 792~2 000，每段可以看成直线（理论上任意小段都可以看成直线）。

在[x0，x1]区间上任意x校验后的值为y+（x-x0）*B/256+（x1-x）*A/256，其中y为x对应的理论值（未校验），A和B分别对应x0和x1处的校验值，根据这个公式很容易写出程序，除以256可以用右移8位代替。

图6是校验后的理论和实际的误差分布图。

从图6测试结果（0~1 600 mA）看出，误差基本在 ±2%以内，在电流值较少的时候，由于相对误差较大，导致误差百分比较大，因为delta=（i2-i1）×100/i1，i1是理论值，i2是实际值，delta是误差百分比，i1越小，delta越大，所以这是合理的。

4 结束语

本文介绍了恒流模式比例阀控制系统的硬件电路设计以及系统软件设计，从理论分析到模型建立到搭建电路到数据校正，每个环节都详细介绍，最后误差分布图表明此系统的稳定性比较高。此系统在汽车油压的控制、测量等方面有重要应用。

参考文献

[1] 张璐璐.数字式比例阀控制器及其PID参数整定研究[D].杭州：浙江大学，2014.

[2] 纵慧慧，郝继飞，刘会娟，等.基于PWM控制的电液比例阀控制系统的设计[J].工矿自动化，2009，35（12）：10-13.

[3] 吴林瑞，王岗罡，李志超，等.基于CPLD的比例阀控制方法[J].导弹与航天运载技术，2009（5）：23-25.

插式比例阀电子放大器

插式电子放大器用于单一比例电磁阀（减压阀、流量阀、溢流阀）的控制，可与电位器，PLC等其它控制系统配套使用。适应国产及欧美HAWE,PARKER,SAUER-DANFOSS,TECNORD,BOSCH-REXROTH,BOCHER,DELTA POWER等厂家比例阀。

脉宽调制电流放大控制器为单一比例减压阀、比例流量阀和比例换向阀设计。输出电流的大小不受比例电磁线圈的电阻变化及输入电压的波动所影响，随比例摇杆的角度及相应输入电压的大小比例而变化，在一定的电压范围内保持正常比例输出。 叠加于放大电路的震颤信号可以减少阀件之间的摩擦,防止阀件卡死,改善比例阀的特性。

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