CN109240144A - 一种恒开度控制的比例阀开度调节控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，包括分压电路、比较电路、控制信号生成电路、电压转电流电路以及比例阀电流采样电路，单片机发送PWM控制信号经过分压电路分压后输出至比较电路的同向端，比较电路的反向端与比例阀电流采样电路连接，比较电路输出直流电压至控制信号生成电路，控制信号生成电路的另外一输入端输入锯齿波信号，控制信号生成电路输出方波信号至电压转电流电路进行放大，放大后的控制电压加载在比例阀上。本发明的比例阀开度调节控制电路，PWM控制信号与比例阀的电流呈线性关系，PWM控制信号控制比例阀电流的精度提高，并且在一定程度上消除了比例阀的迟滞效应，可以在电流一定的情况下，维持比例阀开度恒定。

Description

一种恒开度控制的比例阀开度调节控制电路

技术领域

本发明涉及一种阀调节技术领域，具体地说，是涉及一种恒开度控制的比例阀开度调节控制电路。

背景技术

现有的燃气热水器，比例阀如图1所示，由开关装置、比例调节系统、稳压系统三大部分组成，图1中：1、通断形电磁阀；2、球阀组件；3、铝阀体；4、分段电磁阀；5、膜片；6、导管；7、动磁芯；8线圈；9、弹簧；10、调节罗塞。

（1）、开关装置：它是由一个通断形电磁阀1和二个分段通断形电磁阀4构成，根据控制器的电信号来打开或关闭阀口。

（2）、比例调节系统：主要由电磁系统、动磁芯、球阀等组件构成。

当线圈8得到控制器的控制电流时，产生相应的电磁场，在电磁力的作用下，动磁芯7在导管6内向上移动，推动球阀组件2上移，与阀口之间形成相应的开度。电流增加时电磁力增加，推开球阀组件的力增大，阀口开度增大；电流减小时电磁力减小，推开球阀组件的力减小，阀口开度减小；这样控制器便可根据水温反馈信号自动调节电流来自动控制燃气流量，从而达到调控水温、稳定水温的目的。

（3）、稳压系统：当控制电流按设定温度值确定后，电磁场力可视为一个恒定作用力。当输入压力升高，膜片5受力增大向下位移，使阀口开度减小；反之，当输入压力下降，膜片5受力减小向上位移，使阀口开度增大；这样一来保证了输出压力的稳定，使燃烧工况始终保持所需状态。

因此，比例阀开度调节的大小由控制电流直接决定，比例阀流量特性(I-P2特性)曲线图如图2所示，在电流变小和电流变大的两个方向上，同一个电流值，对应的开度不同，也即具有一定的迟滞效应，目前对比例阀的PWM驱动大多采用的是比较简易的开关型控制模式，其硬件电路结构比较简单，几乎都只是完全以PWM 信号来直接控制比例阀驱动三极管的开关状态来实现对比例阀工作电压的调制。这种PWM 调制控制大多完全依靠软件来实现，而且对比例阀电压的监控也是对比例阀电压进行AD 采样后再通过软件进行负反馈比较计算后对PWM 信号进行修正处理。然而，在系统的恒温控制算法中，对PWM 信号的修正调整往往又受到来自于温差乃至于温度变化的微分、积分等算法结果的输出作用影响，因而对比例阀的PWM 调制调节控制不仅过程复杂，而且控制速度和控制精度均大打折扣。最理想的办法是将系统PWM 信号输出到比例阀驱动电路后依托一个独立的运行模块来实施对比例阀的驱动，该模块可单独直接完成对比例阀驱动，而且通过其独立的负反馈系统实现快速自整定，以保证比例阀快速、精确、稳定地随目标PWM 信号进行其工作电压调整。

现有的电路提供的是一个电压值，得到的电流值，在迟滞效应上修正作用有限，在保持比例阀的开度上作用也有限。此外，控制器输出PWM 信号进行控制，需要进行运放转换等一系列处理后产生驱动信号用于驱动比例阀，为了实现控制精度，最理想的状况是使得PWM信号与控制电流信号呈线性关系，目前的电路由于涉及的元器件较多，因此，PWM信号与控制电流信号能否呈线性关系受到的影响因素多，相应很难实现两者保持线性关系，进而影响了控制精度。

发明内容

本发明为了解决现有比例阀的PWM 调制调节控制不仅过程复杂，而且控制速度和控制精度差，无法解决比例阀迟滞效应的问题，提出了一种恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，可以解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，包括分压电路、比较电路、控制信号生成电路、电压转电流电路以及比例阀电流采样电路，自单片机发送的PWM控制信号经过所述分压电路分压后输出至所述比较电路的同向端，所述比较电路的反向端与所述比例阀电流采样电路连接，所述比例阀电流采样电路用于对比例阀的电流采样并发送至所述比较电路的反向端，所述比较电路对输入信号滤波输出直流电压至所述控制信号生成电路，所述控制信号生成电路的另外一输入端输入锯齿波信号，所述控制信号生成电路输出与所述锯齿波信号频率相同的方波信号至所述电压转电流电路进行放大，放大后的控制电压加载在所述比例阀上。

进一步的，所述比较电路包括一运算放大器，所述运算放大器的同向端与所述分压电路连接，所述运算放大器的反向端其中一路与所述比例阀电流采样电路连接，另外一路通过电容与所述运算放大器的输出端连接。

进一步的，所述控制信号生成电路包括一比较器，所述比较器的正相输入端与所述比较电路的输出端连接，所述比较器的反相输入端输入锯齿波信号。

进一步的，还包括整形电路，单片机输出占空比为50%的方波信号至所述整形电路，所述整形电路将输入信号整形生成锯齿波信号发送至所述比较器的反相输入端。

进一步的，所述整形电路包括与第一直流电源连接的上拉电阻和滤波电路，所述滤波电路包括第五电阻以及第三电容，所述第五电阻一端与所述上拉电阻连接，另外一端与所述第三电容连接后接地。

进一步的，所述电压转电流电路与所述比例阀之间还设置有开关电路，所述开关电路的通断状态接受单片机发送的开阀信号的控制。

进一步的，所述开关电路包括第一NPN三极管和第一PNP三极管，所述第一NPN三极管的基极与单片机连接，所述第一NPN三极管的集电极与所述第一PNP三极管的基极连接，所述第一PNP三极管的发射极与所述电压转电流电路的输出端连接，所述第一PNP三极管的发射极与所述比例阀连接。

进一步的，所述电压转电流电路包括第二NPN三极管，所述第二NPN三极管的集电极与第二直流电源连接，基极与所述控制信号生成电路的输出端连接，发射极连接所述比例阀电流采样电路后与地连接。

进一步的，所述电压转电流电路包括第三NPN三极管以及第二PNP三极管，所述第三NPN三极管的基极与所述控制信号生成电路的输出端连接，第三NPN三极管的发射极连接地，第三NPN三极管的集电极与所述第二PNP三极管的基极连接，所述第二PNP三极管的发射极连接第二直流电源VDD。

进一步的，还包括比例阀电流采样电路，用于采样比例阀的电流并反馈至单片机。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，首先，通过设置比较电路，比例阀采样电流通过负反馈引入到比较电路的反向端，采样值变化会引起PWM控制信号的变化，根据运放同向、反向端虚地电位相等原理，进而保证了PWM控制信号与比例阀的电流呈线性关系，PWM控制信号控制比例阀电流的精度提高，进而比例阀的开阀精度得到提高，其次，通过设置控制信号生成电路，分别输入锯齿波信号以及比较电路的放大信号，产生方波的控制电压信号，当放大后的控制电压加载在比例阀上时，由于比例阀类似电感线圈，电流不能突变，比例阀电流波形类似三角波，进而可以保证电流一定的情况下，比例阀的开度是维持恒定的。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中比例阀结构示意图；

图2是比例阀迟滞效应曲线图；

图3是本发明所提出的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路的一种实施例电路原理图；

图4是本发明所提出的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路的一种实施例中比例阀的电流图；

图5是是本发明所提出的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路的再一种实施例电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提出了一种恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，如图3所示，包括分压电路、比较电路、控制信号生成电路、电压转电流电路以及比例阀电流采样电路，自单片机发送的PWM控制信号经过分压电路分压后输出至比较电路的同向端，比较电路的反向端与比例阀电流采样电路连接，比例阀电流采样电路用于对比例阀的电流采样并发送至比较电路的反向端，比较电路对输入信号滤波输出直流电压至控制信号生成电路，控制信号生成电路的另外一输入端输入锯齿波信号，控制信号生成电路输出与锯齿波信号频率相同的方波信号至电压转电流电路进行放大，放大后的控制电压加载在比例阀上。由于单片机仅能输出数字控制信号，具体为PWM形式的控制信号，需要利用PWM控制信号进行精确的转换，尽量满足PWM控制信号与比例阀电流呈线性关系，进而能够实现PWM控制信号对比例阀开度精准调节，对本实施例的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，首先，通过设置比较电路，比例阀采样电流通过负反馈引入到比较电路的反向端，采样值变化会引起PWM控制信号的变化，根据运放同向、反向端虚地电位相等原理，保证了PWM控制信号与比例阀的电流呈线性关系，使得PWM控制信号控制比例阀电流的精度得到提高，进而比例阀的开阀精度得到提高，其次，由于经过先行调解后比较电路输出平滑的直流电压信号，本方案不直接利用该直流电压信号驱动，而是通过设置控制信号生成电路，分别输入锯齿波信号以及比较电路的放大信号，对控制电压进行整形，产生方波的控制电压信号，当放大后的方波控制电压加载在比例阀上时，由于比例阀类似电感线圈，电流不能突变，流经比例阀的电流波形如图4所示的类似三角波，电流周期性的小幅增大然后减小，根据图2中的迟滞效应曲线，可以使得比例阀的压力维持在电流增加曲线和电流减小曲线的中间线所对应的压力，进而可以保证电流一定的情况下，比例阀的开度是维持恒定的。

作为一个优选的实施例，如图3所示，比较电路包括一运算放大器358A，运算放大器358A的同向端与分压电路连接，运算放大器358A的反向端其中一路与比例阀电流采样电路连接，另外一路通过电容C2与运算放大器358A的输出端连接。比例阀电流采样电路对比例阀的电压进行采样得到比例阀采样电流，具体的，如图3所示，分压电路采用两颗电阻R1、R3实现，比例阀电流采样电路通过一颗采样电阻R16实现，因此，比例阀采样电压=R16*I_比例阀，其中，I_比例阀为流经比例阀的电流 ，比例阀采样电压通过负反馈引入到运算放大器358A的反向端，采样值变化会引起PWM波的变化，正反向端虚地电位相等，也即：PWM*R3/(R1+R3)= R16*I_比例阀，也即PWM∝I_比例阀，两者呈线性关系，运算放大器358A通过电容C2组成负反馈电路滤波放大输出直流电压。

本实施例中的控制信号生成电路包括一比较器358B，比较器358B的正相输入端与比较电路的输出端连接，比较器358B的反相输入端输入锯齿波信号。由于负反馈电路滤波放大输出直流电压，比较器358B将直流电压和锯齿波信号进行比较输出为与所输入的锯齿波信号频率相同的方波信号，其占空比由正向输入端的电压大小决定。

运算放大器和比较器可以为不同，也可相同，不仅限于358，也可以采用其他型号的运放实现。

电压转电流电路可以采用一颗NPN型三极管实现，也即如图3中所示的第二NPN三极管N2，第二NPN三极管N2的集电极与第二直流电源VDD连接，基极与控制信号生成电路的输出端连接，也即与比较器358B的输出端连接，发射极连接电阻R6（也即比例阀电流采样电路）后与地连接。比较器358B输出的方波信号控制第二NPN三极管N2的通断，得到幅值为VDD（本实施例中采用36V）的方波电压作为比例阀的控制电压，实现了对控制电压的放大。

由于单片机只能输出数字信号，优选还包括整形电路，单片机输出占空比为50%的方波信号至整形电路，整形电路将输入信号整形生成锯齿波信号发送至所述比较器的反相输入端。如图3所示，所述整形电路包括与第一直流电源（+5V）连接的上拉电阻R4和滤波电路，所述滤波电路包括第五电阻R5以及第三电容C3，第五电阻R5一端与上拉电阻R4连接，另外一端与第三电容C3连接后接地。单片机输出频率500HZ，占空比为50%的固定方波，经由R4、R5、C3电压上拉和滤波之后整形为频率500HZ的锯齿波。

实施例二

本实施例在实施例一所提出的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路基础上进一步优化，提出了一种更加优选方案的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路。

如图5所示，本实施例的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路同样包括分压电路、比较电路、控制信号生成电路、电压转电流电路以及比例阀电流采样电路，自单片机发送的PWM控制信号经过分压电路分压后输出至比较电路的同向端，比较电路的反向端与比例阀电流采样电路连接，比例阀电流采样电路用于对比例阀的电流采样并发送至比较电路的反向端，比较电路对输入信号滤波输出直流电压至控制信号生成电路，控制信号生成电路的另外一输入端输入锯齿波信号，控制信号生成电路输出与锯齿波信号频率相同的方波信号至电压转电流电路进行放大，放大后的控制电压加载在比例阀上。与实施例一不同之处在于，本实施例的电压转电流电路与比例阀之间还设置有开关电路，开关电路的通断状态接受单片机发送的开阀信号的控制。也就是说，只有开关电路导通时，比例阀开度调节控制电路才有作用，可以起到安全保护的作用。

如图5所示，开关电路包括第一NPN三极管N1和第一PNP三极管P1，第一NPN三极管N1的基极与单片机连接，第一NPN三极管N1的集电极与第一PNP三极管P1的基极连接，第一PNP三极管P1的发射极与电压转电流电路的输出端连接，第一PNP三极管P1的发射极与比例阀连接。单片机向开关电路输出低电平时，也即J点输入低电平，比例阀关闭，此时第一NPN三极管N1截止，因此第一PNP三极管P1截止，从而关闭比例阀。单片机向开关电路输出高电平时，也即J点输入高电平，比例阀开启，此时第一NPN三极管N1和第一PNP三极管P1导通，因此电压转电流电路的输出的电压控制信号可以加载在比例阀上。

由于一颗晶体管的放大能力有限，本实施例中优选采用两级放大实现，也即如图5所示的电压转电流电路包括第三NPN三极管N3以及第二PNP三极管P2，第三NPN三极管N3的基极与所述控制信号生成电路的输出端连接，也即与比较器358B的输出端连接，第三NPN三极管N3的发射极连接地，第三NPN三极管N3的集电极与第二PNP三极管P2的基极连接，所述第二PNP三极管P2的发射极连接第二直流电源VDD。

为了防止比例阀电流异常造成安全事故，本实施例的电路还包括比例阀电流采样电路，用于采样比例阀的电流并反馈至单片机，单片机能够及时检测到电流异常，以进行关阀以及报警处理，避免安全事故发生。如图5所示，比例阀采样电路采用电阻R17、R18实现，其还包括滤波电容C4以及C5，用于对采样电流进行滤波。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，其特征在于，包括分压电路、比较电路、控制信号生成电路、电压转电流电路以及比例阀电流采样电路，自单片机发送的PWM控制信号经过所述分压电路分压后输出至所述比较电路的同向端，所述比较电路的反向端与所述比例阀电流采样电路连接，所述比例阀电流采样电路用于对比例阀的电流采样并发送至所述比较电路的反向端，所述比较电路对输入信号滤波输出直流电压至所述控制信号生成电路，所述控制信号生成电路的另外一输入端输入锯齿波信号，所述控制信号生成电路输出与所述锯齿波信号频率相同的方波信号至所述电压转电流电路进行放大，放大后的控制电压加载在所述比例阀上。

2.根据权利要求1所述的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，其特征在于，所述比较电路包括一运算放大器，所述运算放大器的同向端与所述分压电路连接，所述运算放大器的反向端其中一路与所述比例阀电流采样电路连接，另外一路通过电容与所述运算放大器的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，其特征在于，所述控制信号生成电路包括一比较器，所述比较器的正相输入端与所述比较电路的输出端连接，所述比较器的反相输入端输入锯齿波信号。

4.根据权利要求3所述的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，其特征在于，还包括整形电路，单片机输出占空比为50%的方波信号至所述整形电路，所述整形电路将输入信号整形生成锯齿波信号发送至所述比较器的反相输入端。

5.根据权利要求4所述的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，其特征在于，所述整形电路包括与第一直流电源连接的上拉电阻和滤波电路，所述滤波电路包括第五电阻以及第三电容，所述第五电阻一端与所述上拉电阻连接，另外一端与所述第三电容连接后接地。

6.根据权利要求1所述的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，其特征在于，所述电压转电流电路与所述比例阀之间还设置有开关电路，所述开关电路的通断状态接受单片机发送的开阀信号的控制。

7.根据权利要求6所述的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，其特征在于，所述开关电路包括第一NPN三极管和第一PNP三极管，所述第一NPN三极管的基极与单片机连接，所述第一NPN三极管的集电极与所述第一PNP三极管的基极连接，所述第一PNP三极管的发射极与所述电压转电流电路的输出端连接，所述第一PNP三极管的发射极与所述比例阀连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，其特征在于，所述电压转电流电路包括第二NPN三极管，所述第二NPN三极管的集电极与第二直流电源连接，基极与所述控制信号生成电路的输出端连接，发射极连接所述比例阀电流采样电路后与地连接。

9.根据权利要求1-7任一项所述的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，其特征在于，所述电压转电流电路包括第三NPN三极管以及第二PNP三极管，所述第三NPN三极管的基极与所述控制信号生成电路的输出端连接，第三NPN三极管的发射极连接地，第三NPN三极管的集电极与所述第二PNP三极管的基极连接，所述第二PNP三极管的发射极连接第二直流电源VDD。

10.根据权利要求1-7任一项所述的恒开度控制的比例阀开度调节控制电路，其特征在于，还包括比例阀电流采样电路，用于采样比例阀的电流并反馈至单片机。