摘 要： 針對傳統(tǒng)的采用PID控制技術(shù)的比例閥控制系統(tǒng)在控制性能要求較高的場合不能滿足要求的問題，提出一種基于恒流模式控制的比例閥控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，分析了恒流模式的控制原理及其數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)控制電路的設(shè)計以及采用STM32F103VET6實現(xiàn)數(shù)據(jù)校正算法。實際應(yīng)用表明，采用恒流模式對比例閥的壓力和流量進(jìn)行控制具有價格低廉、重復(fù)性好、功耗小、抗干擾能力強等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞： 比例閥；恒流模式；數(shù)據(jù)校正算法；STM32F103
0 引言
比例閥控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機械技工、冶金等行業(yè)，其能根據(jù)指令信號比例控制液壓系統(tǒng)的壓力、流量、位置及力矩等控制參數(shù)。它的精確控制是建立在閉環(huán)控制基礎(chǔ)上的，傳統(tǒng)的控制方式多數(shù)采用PID控制技術(shù)。該方式具有簡單、可靠、參數(shù)整定方便等優(yōu)點，但由于液壓系統(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(fù)載變化而變化[1]。
1 恒流模式控制介紹
比例閥系統(tǒng)從電子角度可以簡單看作是一個電感串聯(lián)一個電阻以及機械轉(zhuǎn)動裝置，轉(zhuǎn)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(shù)τ=L/R，充電電流i=Io*[1-e^（-t/τ）]，放電電流i=Io*[e^（-t/τ）]，L是比例閥的感值，R是整個環(huán)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(dá)到改變電流的目的。一個恒流模式的思想是給負(fù)載設(shè)定一個電流值，如果系統(tǒng)檢測到負(fù)載電流小于設(shè)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(xiàn)這些功能的框圖如圖1所示。
通過r（t）設(shè)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(jìn)行比較，當(dāng)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(guān)系，從而達(dá)到自動控制參數(shù)的目的。圖1中，PWM控制器的輸出u（t）=m（e（t））=Msgn[（e（t））]，t∈[kT，kT+Tk]T，t∈（kT+Tk，kT+T）
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(shè)定值和實際值，比較器后面接一個觸發(fā)器，實現(xiàn)同樣的功能，u（t）可以簡化為0和1，方便電路設(shè)計。
2 比例閥控制電路設(shè)計
基于恒流模式的比例閥控制系統(tǒng)的設(shè)計主要是比例閥控制電路的設(shè)計，其中閉環(huán)部分是整個電路的核心，尤為重要，其框圖如圖2所示。
2.1 主控處理器
主控制器采用意法半導(dǎo)體的32位處理器STM32F103，其內(nèi)部資源很豐富，本設(shè)計主要用到內(nèi)部定時器、DAC、串口、Flash、GPIO口，其中DAC用來設(shè)置比例閥的參考電流值，定時器用來設(shè)置最大PWM的占空比，能夠經(jīng)過閉環(huán)電路自動調(diào)整到需要的脈沖寬度，串口用來與上位機通信，實現(xiàn)友好的人機交互，內(nèi)部Flash用來校正電流值，由于芯片參數(shù)離散性不一樣，故需要在第一次上電的時候校正，本設(shè)計中將校正值放在內(nèi)部Flash中，GPIO驅(qū)動指示燈指示電流是否達(dá)到設(shè)定值。
2.2 閉環(huán)系統(tǒng)
閉環(huán)系統(tǒng)是決定這個系統(tǒng)能否正常工作的最關(guān)鍵部分。為了達(dá)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(fā)器、PWM驅(qū)動器、比較器集成在一塊芯片MCP1630V中，MOS驅(qū)動器用的是電機全橋驅(qū)動芯片L6205，電流采集采用的INA193，采樣電阻用高精度的100 M?贅電阻。圖3是三款芯片的連接圖。
圖3中L6205驅(qū)動芯片里面有8個NMOS，本設(shè)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(jìn)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(xù)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(yuǎn)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。
讓閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入快放模式有兩種方式，一種是軟件檢測到電流達(dá)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(shè)計用的是異步清零計數(shù)器實現(xiàn)，用計數(shù)器計數(shù)放電PWM脈沖的個數(shù)，達(dá)到設(shè)定計數(shù)值之前是慢放模式，超過設(shè)定計數(shù)值之后打開快放模式，并且計數(shù)器清零，為下次計數(shù)做準(zhǔn)備。
電流采集用的是TI的INA193芯片，這是一款高精度的電流監(jiān)控芯片，共模輸入達(dá)到80 V，放大倍數(shù)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(nèi)，既可以通過ADC采集電壓，又可以作為比較器的輸入端。本設(shè)計是閉環(huán)，所以直接接到比較器的負(fù)輸入端，作為負(fù)反饋。
PWM控制器用的是Microchip公司的MCP1630V，內(nèi)部集成RS觸發(fā)器、比較器、PWM驅(qū)動器。RS觸發(fā)器和比較器是用來控制PWM占空比的，當(dāng)真實電流值達(dá)到設(shè)定電流值時，比較器的輸出端產(chǎn)生低電平，讓RS觸發(fā)器復(fù)位，達(dá)到設(shè)定占空比的目的，PWM驅(qū)動器是一個非門，提高PWM的驅(qū)動能力。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本設(shè)計的主要任務(wù)在閉環(huán)部分，軟件設(shè)計流程如圖5所示：（1）初始化校正數(shù)據(jù)；（2）命令收發(fā)；（3）PWM產(chǎn)生以及DAC輸出。其中（2）和（3）是操作STM32F103內(nèi)部的串口、定時器、DAC模塊，就不多介紹，主要介紹數(shù)據(jù)校正算法。
本設(shè)計用的是線性插值算法進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。思路如下：將0~2 000 mA的數(shù)據(jù)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(qū)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(yīng)的理論值（未校驗），A和B分別對應(yīng)x0和x1處的校驗值，根據(jù)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(jié)果（0~1 600 mA）看出，誤差基本在 ±2%以內(nèi)，在電流值較少的時候，由于相對誤差較大，導(dǎo)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。
4 結(jié)束語
本文介紹了恒流模式比例閥控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計以及系統(tǒng)軟件設(shè)計，從理論分析到模型建立到搭建電路到數(shù)據(jù)校正，每個環(huán)節(jié)都詳細(xì)介紹，最后誤差分布圖表明此系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較高。此系統(tǒng)在汽車油壓的控制、測量等方面有重要應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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