摘  要： 分析了脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制電液比例閥的基本原理，采用C8051F340單片機設(shè)計控制電路，通過可編程計數(shù)器陣列(PCA)模塊編程實現(xiàn)了變周期PWM信號的產(chǎn)生，通過達(dá)林頓晶體管陣列芯片實現(xiàn)功率放大。實驗表明，該電路具有配置靈活、響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點，滿足電液比例閥控制要求。
關(guān)鍵詞： 電液比例閥；單片機；變周期；脈沖寬度調(diào)制；功率放大

    電液比例閥具有可靠、節(jié)能、廉價、抗污染能力強等優(yōu)點，是理想的電液控制元件。電液比例控制的核心是控制電液比例閥的電流。模擬式控制方法控制功率輸出極到比例閥線圈的電流是連續(xù)電流，電子功率器件功耗大，需加裝散熱裝置;同時,由于液壓系統(tǒng)受溫度、負(fù)載等參數(shù)變化的影響較大，在對控制性能要求較高的場合往往不能滿足要求。脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制功率輸出極為開關(guān)型結(jié)構(gòu),功耗小;且PWM信號包含同頻率的脈動量，無需另加顫振信號，抗干擾、抗污染能力強，滯后時間短，重復(fù)精度高。由于采用數(shù)控形式，與計算機或微處理器連接方便，因此，可實現(xiàn)程序控制[1]。
1 電液比例閥PWM控制原理
    電液比例閥PWM控制中，PWM信號加到比例閥線圈上時，由于脈沖頻率遠(yuǎn)大于閥芯的響應(yīng)頻率，所以閥芯的運動只響應(yīng)PWM信號的電流平均值。PWM原理電路如圖1所示，PWM信號控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止。占空比定義為：

    D=TH+TL  (1)
式中：T=TH+TL，為PWM的周期；TH為PWM信號高電平時間；TL為PWM信號低電平時間[2]。
 
 

2.1 PWM波發(fā)生電路
    本電路MCU采用C8051F340單片機，片內(nèi)可編程計數(shù)器/定時器陣列(PCA)包含1個專用16 bit計數(shù)器/定時器時間基準(zhǔn)和5個捕捉/比較模塊，具有8 bit和16 bit兩種PWM輸出模式,可以利用編程實現(xiàn)PWM信號輸出。
2.2 光電隔離
    PWM信號經(jīng)單片機I/O口輸出。為提高系統(tǒng)抗干擾能力，應(yīng)在功率放大前對信號進(jìn)行隔離。這里采用6N137高速光耦芯片，其延遲時間最大僅為75 ns[4]。
2.3 功率放大

    單片機引腳輸出電流只有幾十毫安，而比例電磁鐵工作電流一般達(dá)幾百毫安,因此需要對PWM信號進(jìn)行功率放大才能驅(qū)動電液比例閥。采用達(dá)林頓管陣列芯片SN75423進(jìn)行功率放大，其最大輸出電流達(dá)500 mA，輸出端最大電壓為100 V，延遲時間小于0.2 ?滋s，完全可以滿足使用要求。
2.4 電源
    采用5 V電源向單片機供電；DC24V電源加載到功放芯片輸出端；WS78L05將24 V轉(zhuǎn)為5 V為6N137供電，保證兩端電源獨立。
3 軟件設(shè)計
    本電路的軟件設(shè)計在Keil Vision3環(huán)境下,利用C51語言編程予以實現(xiàn)。
3.1 PWM波的產(chǎn)生
　　配置PCA模塊為8 bit PWM工作方式，使用模塊的捕捉/比較寄存器PCA0CPLn改變PWM信號占空比。當(dāng)PCA計數(shù)器/定時器低字節(jié)(PCA0L)與PCA0CPLn值相等時，CEXn引腳輸出被置1，PWM為高電平；當(dāng)PCA0L計數(shù)溢出時，CEXn輸出被復(fù)位置0，PWM信號為低電平。CEXn輸出信號經(jīng)優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器配置后與I/O口相連。當(dāng)計數(shù)器/定時器的低字節(jié)PCA0L溢出時(從0xFF~0x00),保存在PCA0CPHn中的值被自動裝入PCA0CPLn，不需軟件干預(yù)。因此，要改變PWM占空比，只需通過編程對PCA0CPHn賦相應(yīng)值即可[5]。
    8 bit PWM工作方式下的占空比D計算式為：
    D=(256-PCA0CPHn)/256  (6)
    PCA0CPHn在0x00~0xFF之間變化，對應(yīng)PWM占空比為100%~0.39%?？赏ㄟ^將ECOMn位置“0”來產(chǎn)生0%的占空比。對于給定占空比D的PCA0CPHn計算式為：
    PCA0CPHn=256(1-D)  (7)
3.2變周期PWM的實現(xiàn)
    由以上分析可知，PWM周期T和占空比D同時影響閥控電流I和電流波動值dI，因此在考慮系統(tǒng)固有頻率及控制精度基礎(chǔ)上，要求PWM信號在不同占空比下具有不同周期。
    單片機產(chǎn)生的PWM信號周期由PCA計數(shù)器/定時器時鐘周期決定。設(shè)PCA時鐘周期為t,則PWM周期T=256×t。
    PCA計數(shù)器/定時器由一個可編程的時基信號驅(qū)動，時基信號有系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)時鐘/4、系統(tǒng)時鐘/12、外部振蕩器時鐘/8、定時器0溢出或外部時鐘輸入(ECI)等6種時鐘源。
    定時器0在自動重裝載的8 bit計數(shù)器/定時器工作方式(方式2)下，TL0保持計數(shù)值，而TH0保持重載值。當(dāng)TL0計數(shù)值溢出(從0xFF到0x00)時，定時器溢出標(biāo)志TF0被置位，TH0重載值被重新裝入TL0。如開中斷，TF0置位時將產(chǎn)生中斷，TH0重載值保持不變。在允許定時器計時之前應(yīng)正確初始化TL0。該工作方式下，可通過編程設(shè)定不同TH0值使定時器0產(chǎn)生不同的溢出時間間隔，即產(chǎn)生可編程的溢出頻率,以提供可編程PCA時鐘源。
    定時器0可選時鐘頻率源包括：系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)時鐘/4、系統(tǒng)時鐘/12、系統(tǒng)時鐘/48、外部時鐘/8。若定時器0時鐘源頻率為F，則定時器0溢出頻率f為：
  

    首先對單片機進(jìn)行初始化配置。當(dāng)單片機接收到PWM控制指令后，從控制指令中獲取此周期內(nèi)信號的指令占空比和頻率值，利用相應(yīng)的公式計算PCA寄存器值及定時器0溢出頻率值，并根據(jù)計算的數(shù)值配置PCA及定時器0，最終向硬件電路輸出一個完整周期的PWM信號。同時，單片機繼續(xù)接收控制指令并進(jìn)入下一周期的計算，以此循環(huán)往復(fù)。
4 實驗驗證
    用100 Ω/25 W電阻及0.3 H電感模擬電液比例閥線圈負(fù)載來驗證PWM控制電路。用示波器測量單片機輸出PWM信號和加在負(fù)載上的PWM信號,如圖5、圖6所示，其中波形1為單片機I/O口輸出的PWM波，波形2為加到負(fù)載上的PWM波。

4.1 占空比誤差分析
　 圖5中，占空比為25%，頻率為3.9 kHz。計算可知，該電路輸出PWM信號占空比誤差為5 ?滋s。
4.2 時間延遲分析
　 圖6中，占空比為75%，頻率為3.9 kHz。計算可知，PWM波形最大延遲時間為2 ?滋s。
    實驗表明，基于C8051F340單片機的變周期PWM電液比例閥控制電路切實可行，且具有價格低廉、抗干擾能力強、控制精度高、延遲時間短等優(yōu)點;采用C8051F340單片機的PCA實現(xiàn)變周期PWM輸出，其軟件編程簡單，可靈活使用，具有較好的實際應(yīng)用價值。
參考文獻(xiàn)
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[2] 李光彬，張雪梅，趙光，等.基于PWM控制技術(shù)的電液比例閥的研究[J].煤礦機械,2006,27(11):114-116.
[3] 劉強.基于PLC的通用型電液比例閥數(shù)字控制器[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(3):75-77.
[4] 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(tǒng)的設(shè)計[J].工礦自動化,2009(12):111-113.
[5] 童長飛. C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.