基于位移流量雙反饋的礦用電磁閥智能控制系統設計

布朋生

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

液壓系統是煤礦機械設備重要的動力源之一，借助復雜的電液閥組和液壓油路完成礦用機械設備的舉升、支撐等動作。礦用電磁閥控制系統具有非線性、時變性的特點，控制的靈活性和精準性亟需提高。煤礦井下常用的電液閥組有電液換向閥和電液比例閥兩種，其中電液換向閥主要用于對液壓執行元件的動作進行控制，或對油液的流動方向進行控制，只有閥門打開和閥門關閉兩種狀態；電液比例閥可根據電壓/電流信號的大小，使閥芯產生位移，閥口尺寸發生改變并完成輸入電壓/電流成比例的壓力、流量輸出，進而完成對液壓執行元件的可控比例控制[1，2]。基于電磁閥控制系統，國內外科研人員進行了一系列的研究，如王曉虎[3]等基于AD689芯片設計半橋式電感位移傳感器電路，用于實時檢測閥芯位移，控制電磁閥的流量或閥口壓差；設計位移傳感器電路在遲滯性、線性度、動態特性等方面與滿足電磁控制要求，是一種低成本、高性能的電磁閥閥芯位移檢測方案。湯龍飛[4]等以用于空調制冷行業的交流電磁閥為研究對象，將開關電源、電磁閥閉環控制功能集成設計為交流電磁閥智能控制模塊，并完成模塊瞬態、閉環啟動過程仿真，驗證了交流電磁閥智能控制模塊的有效性和優越性，提升了電磁閥控制的智能化水平。曹冬華[5]等為實現對共軌噴油器的精確、穩定控制，建立基于電流反饋驅動控制的噴油器數學模型，完成高低壓分時驅動電流反饋電路設計，利用Tektronix TDS 2024C完成驅動電路性能試驗，可滿足對噴油器的控制要求。陳林[6]等針對柴油機電控噴射系統用高速電磁閥為研究對象，建立電磁閥電路和動力學模型，設計電磁閥閉合始點檢測、定位算法，完成噴射系統高速電磁閥的始點閉環控制，實現噴油量的精確控制。已有的電磁閥控制系統主要存在的問題有：①以理論研究與系統仿真為主，還需進一步在試驗平臺完成系統測試才有可能應用；②針對礦用電磁閥控制系統研究不多，礦用電磁閥控制系統在穩定性、可靠性以及環境適應性等方面要求較高，而數據通信實時性比非煤礦電磁閥控制系統的要求低。基于STM32F103控制器，設計并實現礦用電磁閥閥芯位移、閥口流量雙反饋智能控制系統，在滿足控制系統實時性要求的前提下，提高電磁閥的控制精度和穩定性。電磁閥智能控制系統可將閥芯位移、閥口流量數據傳送至前級PLC控制系統，促使其形成位移、流量雙閉環控制。

1 系統設計

礦用電磁閥智能控制系統設計如圖1所示，核心為STM32F103控制芯片，以采樣頻率Fset采集閥芯位移、閥口流量傳感器信號，經硬件模擬量處理電路、功率放大電路處理后轉換為STM32F103控制器可接收的0～3.3V模擬電壓信號，交由電磁閥智能控制系統中斷處理模塊、模擬量處理模塊、模糊PID處理模塊進行濾波、模數轉換以及邏輯控制，同時將需要實時監控的數據以CAN總線通信模式發送至上位機系統。電磁閥智能控制系統還包括電源電路設計、晶振電路設計以及軟件部分的初始化模塊、主循環模塊等，共同完成對電磁閥的智能控制。

圖1 礦用電磁閥智能控制系統設計

2 硬件設計

2.1 關鍵硬件選型

礦用電磁閥智能控制系統的關鍵硬件包括STM32F103控制器、閥芯位移傳感器、閥口流量傳感器等，選型設計具體如下：

2.1.1 STM32F103控制器

選擇的STM32F103控制器內核為32位高性能、低功耗ARM Cortex-M3處理器，時鐘頻率可達72MHz，存儲容量、I/O口、ADC、DA/DMA以及通信接口等方面配置完善、性能優越。STM32F103控制器ADC模數轉換器支持18個復用通道(16個外部源+2個內部源)，12位分辨率，支持單次、連續、掃描或間斷執行模式；轉換時間為1μs(時鐘頻率為56Hz)或1.17μs(時鐘頻率為72Hz)；具有自校準和數據對齊功能；STM32F103控制器自帶一個CAN總線通信接口，支持CAN2.0A以及CAN2.0B協議，可按照優先級發送CAN通信數據；支持CAN通信波特率可達1Mbit/s；支持時間觸發通信；具有3級深度FIFO隊列；具有可變過濾器組；可增加TJA1040/TJA1050 CAN通信收發接口電路實現與外部CAN總線的通信[7，8]。STM32F103控制器在處理性能、ADC以及CAN通信等方面滿足設計的電磁閥智能控制系統要求。

2.1.2 閥芯位移傳感器

選擇LVDT-EK300/3500型系列閥芯位移傳感器，采用LVDT測量技術，精度高，數字化處理線性號[9]。輸出采用PWM方式，響應速度快，可承受35MPa高壓。電源輸入DC24V、功率消耗小于2W、信號輸出DC 0～5V、測量范圍為0～10mm，線性精度優于0.5%、測量精度優于0.5%，滿足電磁閥智能控制系統對閥芯位移的檢測要求。

2.1.3 流量傳感器

選擇SCVF-015-10-01派克流量計，可測量過濾精度為25μm的液壓油；測量范圍為0.2～15L/min；額定壓力為40MPa，過載壓力位48MPa，分辨率為4082沖量/L，非線性誤差為±0.5%FS，重復精度為0.01%FS，響應時間小于10ms，滿足電磁閥智能控制系統對閥口流量的檢測要求。

2.2 關鍵電路設計

礦用電磁閥智能控制系統的核心電路設計包括模擬量輸入接口電路、CAN通信接口電路以及電源轉換電路、晶振電路等。

2.2.1 模擬量輸入接口電路

閥芯位移傳感器與腔內壓力傳感器的輸出信號為DC 0～5V電壓信號，而STM32F103控制器A/D轉換模塊可接受的輸入電壓信號為DC 0～3.3V，因此，需要設計模擬量輸入接口電路，滿足控制器模擬量信號輸入要求[10-12]。設計的位移、流量模擬量輸入接口電路如圖2所示，輸出AD0為DC 0～3.3V電壓信號，可由控制器直接采集，完成對應的采集功能。AN301芯片接收位移、流量傳感器輸入DC0～5V電壓信號，經兩級運算放大器后轉換至DC0～2.5V，滿足STM32F103控制器模擬量輸入要求。

圖2 位移、流量模擬量輸入接口電路

2.2.2 CAN通信接口電路

STM32F103控制器與上位機系統采用CAN總線通信實現數據傳送，設計的CAN總線通信接口電路如圖3所示。采用的TJA1050芯片具有較強的抗電磁干擾能力，EMC性能優越，可保證CAN總線通信質量，誤碼率、丟包率低。TJA1050芯片的傳輸速度可達1Mbit/s，可保證CAN總線的數據傳輸效率。

圖3 CAN總線通信接口電路

3 軟件設計

礦用電磁閥智能控制系統的軟件平臺為基于Keil MDKμVision V5 ARM編程環境，使用C語言完成電磁閥智能控制系統功能。礦用電磁閥智能控制系統軟件按照系統設計實現的功能，主要分為初始化模塊、主循環模塊、ADC數據采集模塊、PID控制模塊以及CAN通信模塊。

3.1 ADC數據采集模塊

ADC數據采集功能采用NVIC中斷模式實現，支持嵌套和向量中斷，支持自恢復和保存中斷狀態、支持動態優先級調度算法，可有效降低中斷時延。ADC數據采集軟件流程如圖4所示，為提高閥芯位移、閥口液壓油流量模擬量數據采集精度，軟件設計連續采集10次該路模擬量數據，將求得的算術平均值作為該路模數轉換的輸出。設定采集閥芯位移傳感器數據的通道為ADC0；采集閥口液壓油流量傳感器數據的通道為ADC1。設置ADC0/ADC1的轉換模式為“連續”。

圖4 ADC數據采集模塊軟件流程

3.2 PID數據控制模塊

對閥芯位移、閥口液壓油流量傳感器的驅動裝置采用PID控制方法，有效減少電磁閥控制的超調量、增加穩定性、減小動態誤差[13，14]。對PID控制器參數采用臨界比例工程整定方法，在系統試驗中完成：①預設采樣周期Tmin，系統工作；②令Ti=0、Td=0，設定輸入為允許最大值的65%，將P由0開始逐漸增大，直至系統出現振蕩；將P逐漸減小，直至振蕩消失，此可比例增益系數為Pai，設定比例增益系數為Pset=0.65Pai；③令Pset=0.65Pai，設定Ti=Tmax，將Ti逐漸減小，直至系統出現振蕩；將Ti逐漸增大，直至系統振蕩消失；此時Ti=Tai，設定積分常數為Tiset=1.65Tai；④設定微分時間常數Tdset=0。電磁閥智能控制軟件系統PID數據控制模塊流程如圖5所示。

圖5 PID數據控制模塊流程

3.3 CAN通信模塊

STM32F103控制器與上位機系統以CAN總線通信模式實現數據傳輸，建立CAN總線通信連接時，設置波特率為250kbit/s，一條連接可接收(發送)8字節數據。自定義控制器與上位機協同CAN總線通信協議，在接收或發送數據時，按照自定義的CAN總線通信協議打包或者解析。

4 試驗驗證

在實驗室完成設計并實現的礦用電磁閥智能控制系統試驗驗證，試驗結果原理如圖6所示。將閥芯位移傳感器安裝于電磁鐵上，通過測量電磁鐵鐵心位移得知閥芯位移距離。將流量傳感器安裝于電磁閥出口位置，測量液壓油的流量[15]。位移進給裝置用于控制閥芯位移，裝置每轉動一周，閥芯移動距離為1mm。智能控制系統以頻率Fset采集位移、流量傳感器數據經處理后上傳至上位機進行實時顯示。便攜式電腦用于調試和控制上位機軟件以及智能控制系統軟件。

圖6 電液閥組智能控制系統試驗結構原理

利用位移進給裝置分別完成閥芯正向行程和反向行程試驗，繪制閥芯位移與ADC位移接口輸出電壓關系曲線，如圖7所示，閥芯位移與輸出電壓的線性度良好，最大滯環為0.29%。在進行閥芯位移測量試驗的同時，對閥口流量進行監測和統計，繪制液壓油流量與ADC流量接口輸出電壓關系曲線，如圖8所示，閥口液壓油流量與輸出電壓的線性度零號，最大滯環為0.27%。

圖7 閥芯位移與輸出電壓曲線

圖8 閥口流量與輸出電壓曲線

5 結 論

本文設計了一種基于閥芯位移、閥口液壓油流量雙反饋機制的電磁閥智能控制系統，通過試驗驗證得出以下結論：

1)針對礦用電磁閥傳統開環控制存在的問題和缺點，設計并實現的電磁閥智能控制系統可將電磁閥閥芯位移、閥口液壓油流量數據傳送給電磁閥智能控制系統，形成閥芯位移、液壓油流量雙閉環控制，提高對液壓系統設備控制的精度和穩定性。

2)設計的電磁閥智能控制系統采集閥芯位移、閥口流量傳感器數據，完成對電磁閥的PID閉環控制，可提高電磁閥的控制精度和穩定性。試驗結果表明位移、流量與輸出電壓的跟隨性較好，遲滯性小。

3)將STM32F103控制器應用于電磁閥智能控制系統，提升了電磁閥控制的智能化水平。