CN106169351A - 电流驱动的电磁执行器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电流驱动的电磁执行器控制系统，包括：基于ARM芯片的控制单元、大功率压‑流转换驱动电路、电源管理电路、传感调理电路、电压电流显示模块。本发明采用ARM Cortex‑M3系列单片机的A/D模块采集基于电流驱动的电磁执行器的输出量，使用增量式PID算法控制输出量，经过单片机D/A功能转换为模拟电压，传递给大功率压‑流转换驱动电路并作为其输入电压，转换为相应的输出电流控制基于电流驱动的电磁执行器的输出状态。本发明基于电流驱动的电磁执行器的控制系统能实时、准确的控制执行器的输出状态，并且具有较强的适应性和较广泛的应用。

Description

电流驱动的电磁执行器控制系统

技术领域

本发明涉及精密机械技术领域，具体地，涉及一种电流驱动的电磁执行器控制系统。

背景技术

电磁执行器作为构成机械系统的要素单元技术之一，一直是各国机械研究项目的共有研究内容。目前，电磁执行器往精密化、智能化、产业化发展，一旦精密电磁驱动技术有所突破，将有可能在此基础上构造实用化的精密控制系统，从而带动精密机械整体技术的全面发展。为了使电磁执行器在精密机械系统中得到应用，当前的首要任务是设法提高电磁执行器的力能指标，并以此为基础解决精密电磁执行器的通用化和实用化问题。然而精密电磁执行器离不开驱动控制系统，电磁执行器的静态和动态性能很大程度上取决于驱动电流的性能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电流驱动的电磁执行器控制系统。

根据本发明提供的电流驱动的电磁执行器控制系统，包括：基于ARM芯片的控制单元、大功率压-流转换驱动电路以及传感调理电路；基于电流驱动的电磁执行器的输出状态信号经传感调理电路传输至基于ARM芯片的控制单元，并由所述基于ARM芯片的控制单元转化为相应的模拟信号后发送至大功率压-流转换驱动电路；所述大功率压-流转换驱动电路输出大功率电流信号用于控制基于电流驱动的电磁执行器的输出。

优选地，还包括电源管理电路、电压电流显示模块，所述电源管理电路用于将220V交流电压转换为不同幅值直流电压，并分别提供给基于ARM芯片的控制单元、大功率压-流转换驱动电路、运算放大器以及传感调理电路；所述电压电流显示模块用于实时显示基于电流驱动的电磁执行器的电流和电压值。

优选地，所述基于ARM芯片的控制单元包括：A/D模块、ARM单片机模块、D/A模块；

所述A/D模块通过接口与传感调理电路相连，用于将传感调理电路输送的模拟信号转化为相应的数字信号后传输给ARM单片机模块；

所述ARM单片机模块对接收到的数字信号进行处理，并将处理后的结果传输给D/A模块；

所述D/A模块用于将ARM单片机模块的处理结果转化为相应的模拟信号，并传输给大功率压-流转换驱动电路。

优选地，所述基于ARM芯片的控制单元采用基于ARM Cortex-M3系列单片机，以意法半导体公司的STM32F103型号芯片为核心控制芯片，采用增量式PID算法控制输出模拟信号，该模拟信号作为大功率压-流转换驱动电路的输入Ui，控制大功率压-流转换电路输出相应的电流信号，所述电流信号控制基于电流驱动的电磁执行器的输出，所述基于电流驱动的电磁执行器的输出状态信号经传感调理电路反馈回基于ARM芯片的控制单元；另外，所述基于ARM芯片的控制单元还通过RS232通信接口与上位机进行通信，实时显示基于电流驱动的电磁执行器的输出状态。

优选地，所述大功率压-流转换驱动电路为采用PA340CC大功率运算放大器和功率MOSFET组成的功率放大电路，用于将基于ARM芯片的控制单元输出的电压信号转化为经放大处理的电流信号。

优选地，所述传感调理电路采用8阶巴特沃思低通滤波电路，用于滤除基于电流驱动的电磁执行器的输出状态信号中的干扰源，所述干扰源包括：高频噪声、磁场强度中的交流成分。

优选地，所述电源管理电路采用半桥开环式拓扑结构，用于将220V交流电转化为：正负60伏电压、正负15伏电压、正5伏电压以及正3.3伏电压这四种直流电压；其中：正负60伏电压提供给大功率压-流转换驱动电路，正负15伏电压提供给运算放大器，正5伏电压以及正3.3伏电压提供给基于ARM芯片的控制单元。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的电流驱动的电磁执行器控制系统能够对基于电流驱动的电磁执行器进行实时、准确控制，同时与上位机通过RS232通信接口建立连接，通过上位机实时显示执行器的输出状态。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的电流驱动的电磁执行器控制系统的原理框图；

图2为大功率压-流转换电路示意图；

图3为8阶巴特沃思低通滤波器的电路示意图；

图4为整流滤波电路示意图；

图5为半桥式开关DC-DC电路示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的电流驱动的电磁执行器控制系统，包括：基于ARM芯片的控制单元、大功率压-流转换驱动电路以及传感调理电路；基于电流驱动的电磁执行器的输出状态信号经传感调理电路传输至基于ARM芯片的控制单元，并由所述基于ARM芯片的控制单元转化为相应的模拟信号后发送至大功率压-流转换驱动电路；所述大功率压-流转换驱动电路输出控制电路信号用于控制基于电流驱动的电磁执行器的输出。

所述电流驱动的电磁执行器控制系统，还包括电源管理电路、电压电流显示模块，所述电源管理电路用于将220V交流电压转换为不同幅值直流电压，并分别提供给基于ARM芯片的控制单元、大功率压-流转换驱动电路以及传感调理电路；所述电压电流显示模块用于实时显示基于电流驱动的电磁执行器的电流和电压值。

所述基于ARM芯片的控制单元包括：A/D模块、ARM单片机模块、D/A模块；

所述A/D模块通过接口与传感调理电路相连，用于将传感调理电路输送的模拟信号转化为相应的数字信号后传输给ARM单片机模块；

所述ARM单片机模块对接收到的数字信号进行处理，并将处理后的结果传输给D/A模块；

所述D/A模块用于将ARM单片机模块的处理结果转化为相应的模拟信号，并传输给大功率压-流转换驱动电路。

所述基于ARM芯片的控制单元采用基于ARM Cortex-M3系列单片机，以意法半导体公司的STM32F103型号芯片为核心控制芯片，采用增量式PID算法控制输出模拟信号，该模拟信号作为大功率压-流转换驱动电路的输入Ui，控制大功率压-流转换电路输出相应的电流信号，所述电流信号控制基于电流驱动的电磁执行器的输出，所述基于电流驱动的电磁执行器的输出状态信号经传感调理电路反馈回基于ARM芯片的控制单元；另外，所述基于ARM芯片的控制单元还通过RS232通信接口与上位机进行通信，实时显示基于电流驱动的电磁执行器的输出状态。

所述大功率压-流转换驱动电路为采用PA340CC大功率运算放大器和功率MOSFET组成的功率放大电路，用于将基于ARM芯片的控制单元输出的电压信号转化为经放大处理的电流信号。

所述传感调理电路采用8阶巴特沃思低通滤波电路，用于滤除基于电流驱动的电磁执行器的输出状态信号中的干扰源，所述干扰源包括：高频噪声、磁场强度中的交流成分。

所述电源管理电路采用半桥开环式拓扑结构，用于将220V交流电转化为：正负60伏电压、正负15伏电压、正5伏电压以及正3.3伏电压这四种直流电压；其中：正负60伏电压提供给大功率压-流转换驱动电路，正负15伏电压提供给运算放大器，正5伏电压以及正3.3伏电压提供给基于ARM芯片的控制单元。

具体地，本发明中的基于ARM芯片的控制单元为ARM Cortex-M3系列单片机为核心控制器，将基于电流驱动的电磁执行器的输出状态通过传感调理电路处理后送到ARM的A/D模块，通过A/D模块将模拟的位移信号转化为数字信号给ARM进行处理。ARM单片机将处理的结果传输到内部的D/A模块，通过D/A模块转换为模拟信号，模拟信号传输到大功率压-流转换电路，作为大功率压-流转换驱动电路的输入Ui，控制大功率压-流转换电路输出相应的电流信号，控制基于电流驱动的电磁执行器的输出量。通过USB接口与上位机通信，实现实时显示基于电流驱动的电磁执行器输出状态。

本发明中的大功率压-流转换驱动电路是将ARM单片机通过D/A转换得到的模拟电压信号转换为电流信号驱动基于电流驱动的电磁执行器输出相应的量。大功率压-流转换电路的输入基准电压Ui，Q1和Q2是两个工作于乙类状态的互补对称的功率MOSFET，它们组成的功率放大部分，分别采用IRF640和IRF9640。与常用的功率晶体管放大器相比，用功率MOSFET构成的线性功率放大器具有线性度好、频带宽、电路简单、温度稳定性好、可靠性高等优点。U2选用PA340CC大功率运算放大器，能输出正负60V电压。L1和R5对应基于电流驱动的电磁执行器电感和电阻。

如图2所示，有运算放大器的特性可以得到

U₊＝U_-

$U_{+}=\frac{R_{12}}{R_{11}+R_{12}}{U}_i$

$I_o=\frac{U_{-}}{R_{13}}=\frac{U_{+}}{R_{13}}=\frac{R_{12}}{(R_{11}+R_{12})R_{13}}{U}_i$

式中：R₁₁R₁₂是分压电阻；R₁₃是采样电阻，选用大功率精密无感电阻。公式表明，输出电流I_o与输入电压U_i成正比，与负载无关。

本发明中的传感调理电路，对基于电流驱动的电磁执行器来说输出的信号存在噪声干扰。基于电流驱动的电磁执行器的工作频率一般在几百赫兹一下，需要用低通滤波器将模拟量中的高频噪声、磁场强度中的交流成分等干扰源滤掉。本电路采用传感器和8阶巴特沃思低通滤波电路，滤除传感器采集的信号中的高频噪声和交流成分。其截止频率f_c＝100Hz，将4个2阶巴特沃思低通滤波器级联成为8阶巴特沃思低通滤波电路，电阻值分别为R₁₁＝2690.6,R₁₂＝28529,R₂₁＝3315.6,R₂₂＝23151,R₃₁＝7648.2,R₃₂＝10036,R₄₁＝17032,R₄₂＝45067。电容值分别为：

C₁₁＝0.33uf,C₁₂＝0.1uf,C₂₁＝0.33uf,C₂₂＝0.1uf,C₃₁＝0.33uf,C₃₂＝0.1uf,C₄₁＝0.33uf,C₄₂＝0.1uf。

本发明中的电源管理电路采用半桥式拓扑结构，将220V的交流电压转换为正负60伏双电压，正负15伏双电压和正5伏和正3.3伏四种直流电压。正负60伏双电压给大功率压-流转换电路供电，正负15伏双电压给运算放大器供电，5伏电压和3.3伏电压给ARM单片机供电。

图4为整流滤波电路，X1为保险丝，起到电路保护作用，一旦出现问题就会熔断，切断电压。D1为全桥整流电路，使220V，50HZ的交流电压变成直流压电，R1和C1组成滤波网络进行滤波，得到的直流电压作为半桥型DC-DC的输入电压。

图5为半桥式DC-DC的拓扑结构，两个功率开关管Q1和Q2在开关驱动脉冲的作用下，交替地导通与截止。当开关管Q1导通时，在输入电压Vin作用下，电流经Q1、变压器初级绕组N1，电容C3和电容C2给变压器初级绕组1N励磁，同时经次级二极管D3、绕组N2给负载供电。当开关管Q1截止、Q2导通时，输入电源经电容C1、电容C3和变压器初级绕组N1、开关管Q2给变压器初级绕组励磁，同时经次级二极管D4给负载供电。所以，电源通过功率开关管Q1、Q2交替给变压器初级绕组N1励磁并为负载供电。变压器初级的脉冲电压幅度为Vin/2。同样，电容C1、C2上的电压也分别为Vin/2。

半桥型开关电源的自平衡能力强，不易使变压器由于Q1、Q2的导通时间不一致而产生磁饱和现象，导致功率开关管Q1、Q2损坏。当Q1、Q2的导通时间不一致时，变压器初级N1绕组的励磁电流大小不一样，致使电容C1、C2上的电压不相等，励磁电流越大，则对应的电容器电压越小，从而起到自平衡对称的作用。由于每个功率开关管上的电压只有输入电压Vin的一半，所以要输出同样的功率，每个功率开关管中流过的电流就要增大一倍。改变导通开关的占空比，可以改变二次侧整流电压的平均值，从而达到改变了输出电压Uo的目的。

为了更清楚的理解本发明，结合附图1-图5和实施例详细描述本发明。

实施例1：通过搭建的控制系统来控制超磁致伸缩执行器的输出位移

如附图1至图5所示，基于电流驱动的电磁执行器的控制系统，控制系统包括以意法半导体公司的STM32F103型号芯片的核心控制器、大功率压-流转换电路、调理传感电路、电源管理电路和电压电流显示模块：

ARM Cortex-M3系列STM32F103单片机，主要应用A/D、D/A功能和串口收发功能。通过D/A端口与大功率压流转换电路的输入端连接，通过A/D端口与激光位移传感器和8阶巴特沃思低通滤波器组成的传感调理电路的输出端连接，通过RS232串口通信接口与上位机连接。

大功率压流转换电路的输出端与超磁致伸缩执行器连接，超磁致伸缩执行器的输出位移由激光位移传感器检测。

电压电流显示模块与超磁致伸缩执行器连接，用于显示流过执行器的电流和执行器两端的电压。

由ARM Cortex-M3系列STM32F103单片机控制大功率压流转换电路的输出电流：单片机输出的数字电压量通过D/A模块转换为模拟电压作为大功率压流转换电路的输入信号，进而控制输出端电流的大小控制超磁致伸缩执行器的位移量。

由激光位移传感器采集超磁致伸缩执行器的输出位移大小，经过8阶巴特沃思低通滤波器滤除高频噪声和交流信号，经过ARM Cortex-M3系列STM32F103单片机的A/D模块转换为数字信号。

ARM Cortex-M3系列STM32F103单片机采用增量式PID算法，控制超磁致伸缩执行器快速、准确的输出相应的位移。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种电流驱动的电磁执行器控制系统，其特征在于，包括：基于ARM芯片的控制单元、大功率压-流转换驱动电路以及传感调理电路；基于电流驱动的电磁执行器的输出状态信号经传感调理电路传输至基于ARM芯片的控制单元，并由所述基于ARM芯片的控制单元转化为相应的模拟信号后发送至大功率压-流转换驱动电路；所述大功率压-流转换驱动电路输出控制电路信号用于控制基于电流驱动的电磁执行器的输出。

2.根据权利要求1所述的电流驱动的电磁执行器控制系统，其特征在于，还包括电源管理电路、电压电流显示模块，所述电源管理电路用于将220V交流电压转换为不同幅值直流电压，并分别提供给基于ARM芯片的控制单元、大功率压-流转换驱动电路以及传感调理电路；所述电压电流显示模块用于实时显示基于电流驱动的电磁执行器的电流和电压值。

3.根据权利要求1所述的电流驱动的电磁执行器控制系统，其特征在于，所述基于ARM芯片的控制单元包括：A/D模块、ARM单片机模块、D/A模块；

所述A/D模块通过接口与传感调理电路相连，用于将传感调理电路输送的模拟信号转化为相应的数字信号后传输给ARM单片机模块；

所述ARM单片机模块对接收到的数字信号进行处理，并将处理后的结果传输给D/A模块；

所述D/A模块用于将ARM单片机模块的处理结果转化为相应的模拟信号，并传输给大功率压-流转换驱动电路。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电流驱动的电磁执行器控制系统，其特征在于，所述基于ARM芯片的控制单元采用基于ARM Cortex-M3系列单片机，以意法半导体公司的STM32F103型号芯片为核心控制芯片，采用增量式PID算法控制输出模拟信号，该模拟信号作为大功率压-流转换驱动电路的输入Ui，控制大功率压-流转换电路输出相应的电流信号，所述电流信号控制基于电流驱动的电磁执行器的输出，所述基于电流驱动的电磁执行器的输出状态信号经传感调理电路反馈回基于ARM芯片的控制单元；另外，所述基于ARM芯片的控制单元还通过RS232通信接口与上位机进行通信，实时显示基于电流驱动的电磁执行器的输出状态。

5.根据权利要求1所述的电流驱动的电磁执行器控制系统，其特征在于，所述大功率压-流转换驱动电路为采用PA340CC大功率运算放大器和功率MOSFET组成的功率放大电路，用于将基于ARM芯片的控制单元输出的电压信号转化为经放大处理的电流信号。

6.根据权利要求1所述的电流驱动的电磁执行器控制系统，其特征在于，所述传感调理电路采用8阶巴特沃思低通滤波电路，用于滤除基于电流驱动的电磁执行器的输出状态信号中的干扰源，所述干扰源包括：高频噪声、磁场强度中的交流成分。

7.根据权利要求2所述的电流驱动的电磁执行器控制系统，其特征在于，所述电源管理电路采用半桥开环式拓扑结构，用于将220V交流电转化为：正负60伏电压、正负15伏电压、正5伏电压以及正3.3伏电压这四种直流电压；其中：正负60伏电压提供给大功率压-流转换驱动电路，正负15伏电压提供给运算放大器，正5伏电压以及正3.3伏电压提供给基于ARM芯片的控制单元。