基于恒流模式的比例閥控制系統的設計

顧家茂，曲 波

（蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

比例閥控制系統廣泛應用于機械技工、冶金等行業，其能根據指令信號比例控制液壓系統的壓力、流量、位置及力矩等控制參數。它的精確控制是建立在閉環控制基礎上的，傳統的控制方式多數采用PID控制技術。該方式具有簡單、可靠、參數整定方便等優點，但由于液壓系統受溫度、負載等參數變化的影響較大，在某些場合實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題，輸出不隨負載變化而變化[1]。

1 恒流模式控制介紹

比例閥系統從電子角度可以簡單看作是一個電感串聯一個電阻以及機械轉動裝置，轉動角度受比例閥的電流值控制，眾所周知，電感充放電時間常數τ=L/R，充電電流放電電流是比例閥的感值，R是整個環路的電阻值，Io是比例閥的電流，L無法改變，只能改變充放電時間來達到改變電流的目的。一個恒流模式的思想是給負載設定一個電流值，如果系統檢測到負載電流小于設定的值，就會增加充電時間，減少放電時間，反之，減少充電時間，增加放電時間[2]。實現這些功能的框圖如圖1所示。

圖1 恒流模式框圖

通過 r（t）設定值和 y（t）實際值相減，得到誤差 信號，誤差信號再與一個三角波信號比較器進行比較，當誤差信號大于三角波信號時，就輸出PWM脈沖，反之，不輸出。因此，脈沖寬度與誤差信號成線性關系，從而達到自動控制參數的目的。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。在實際使用中，可以直接比較設定值和實際值，比較器后面接一個觸發器，實現同樣的功能，u（t）可以簡化為 0和1，方便電路設計。

2 比例閥控制電路設計

基于恒流模式的比例閥控制系統的設計主要是比例閥控制電路的設計，其中閉環部分是整個電路的核心，尤為重要，其框圖如圖2所示。

圖2 系統電路框圖

2.1 主控處理器

主控制器采用意法半導體的 32位處理器STM32F103，其內部資源很豐富，本設計主要用到內部定時器、DAC、串口、Flash、GPIO口，其中 DAC用來設置比例閥的參考電流值，定時器用來設置最大PWM的占空比，能夠經過閉環電路自動調整到需要的脈沖寬度，串口用來與上位機通信，實現友好的人機交互，內部Flash用來校正電流值，由于芯片參數離散性不一樣，故需要在第一次上電的時候校正，本設計中將校正值放在內部Flash中，GPIO驅動指示燈指示電流是否達到設定值。

2.2 閉環系統

圖3 閉環硬件連接圖

閉環系統是決定這個系統能否正常工作的最關鍵部分。為了達到最佳的效果，減少分立元件的噪聲，選用了集成電路，其中RS觸發器、PWM驅動器、比較器集成在一塊芯片MCP1630V中，MOS驅動器用的是電機全橋驅動芯片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驅動芯片里面有8個NMOS，本設計用到其中4個，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，所以需要一個快放電路，如圖3的快放回路所示，將電流續流到電源上，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，理論上永遠放不完，快放和充電的壓降都是電源電壓，所以充放電時間一樣[3]。充放電回路如圖4所示。

圖4 充放電回路

讓閉環系統進入快放模式有兩種方式，一種是軟件檢測到電流達到某個值，主動開啟快放模式 （控制L6205的端口），另一種方式是硬件自動開啟。本設計用的是異步清零計數器實現，用計數器計數放電PWM脈沖的個數，達到設定計數值之前是慢放模式，超過設定計數值之后打開快放模式，并且計數器清零，為下次計數做準備。

電流采集用的是TI的INA193芯片，這是一款高精度的電流監控芯片，共模輸入達到80 V，放大倍數固定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，既可以通過ADC采集電壓，又可以作為比較器的輸入端。本設計是閉環，所以直接接到比較器的負輸入端，作為負反饋。

PWM控制器用的是Microchip公司的MCP1630V，內部集成RS觸發器、比較器、PWM驅動器。RS觸發器和比較器是用來控制PWM占空比的，當真實電流值達到設定電流值時，比較器的輸出端產生低電平，讓RS觸發器復位，達到設定占空比的目的，PWM驅動器是一個非門，提高PWM的驅動能力。

3 系統軟件設計

本設計的主要任務在閉環部分，軟件設計流程如圖5 所示：（1）初始化校正數據；（2）命令收發；（3）PWM 產生以及 DAC輸出。 其中（2）和（3）是操作 STM32F103內部的串口、定時器、DAC模塊，就不多介紹，主要介紹數據校正算法。

圖5 系統軟件流程

本設計用的是線性插值算法進行數據校正。思路如下： 將 0～2 000 mA 的數據分成 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]區間上任意 x校驗后的值為 y+（x-x0）*B/256+（x1-x）*A/256，其中 y為 x對應的理論值（未校驗），A和B分別對應 x0和x1處的校驗值，根據這個公式很容易寫出程序，除以256可以用右移8位代替。

圖6是校驗后的理論和實際的誤差分布圖。

從圖6測試結果（0～1 600 mA）看出，誤差基本在±2%以內，在電流值較少的時候，由于相對誤差較大，導致誤差百分比較大，因為 delta=（i2-i1）×100/i1，i1是理論值，i2是實際值，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 結束語

本文介紹了恒流模式比例閥控制系統的硬件電路設計以及系統軟件設計，從理論分析到模型建立到搭建電路到數據校正，每個環節都詳細介紹，最后誤差分布圖表明此系統的穩定性比較高。此系統在汽車油壓的控制、測量等方面有重要應用。

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

[2]縱慧慧，郝繼飛，劉會娟，等.基于PWM控制的電液比例閥控制系統的設計[J].工礦自動化，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].導彈與航天運載技術，2009（5）：23-25.