CN109597331A - 一种基于电流自适应的先导式双电磁铁比例阀控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电流自适应的先导式双电磁铁比例阀控制器，包括控制单元、RS232转换电路、信号调理电路、功率驱动模块、电源转换模块、输入输出接口模块；RS‑232转换电路用于与上位机通讯，并对控制单元进行参数设置；信号调理电路用于闭环控制和反馈信号的采集调理，功率驱动模块用于接收控制单元发出的PWM指令信号，驱动比例电磁铁；电源转换模块实现双向比例阀控制器上各模块所需电压的转换，为双向比例阀控制器上的各功能模块供电。本发明具有经济性高、频响快、可靠性好、适用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电液控制技术领域，特别是一种基于电流自适应的先导式双电磁铁比例阀控制器。
背景技术
我国在高端比例阀控制器的研究方面处于起步阶段，在控制性能、可靠性等方面与国外同类产品比较还存在较大的差距，目前国内高端比例阀控制器市场基本被国外知名液压元器件企业垄断。
双向比例阀电流自适应模糊PID控制器(以下简称双向比例阀控制器)的控制性能接近伺服系统，流量大、抗污染性强、可靠性和经济性高。双向比例阀控制器是双向比例阀控制核心，具有调度控制、功率驱动、信号处理等功能，其性能优劣直接影响整个系统的控制性能。目前超高速的电液比例阀技术在国外一些著名的注塑机公司已得到了应用。
受比例阀控制系统小型化、集成化、网络化、智能化的发展趋势影响，市场对比例阀控制器的要求越来越高，提高比例阀控制器的性能是研究重点。目前，市场上使用的双向比例阀产品配套的控制器普遍存在响应速度不高、精度不够、一致性不好、寿命不长等情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电流自适应的先导式双电磁铁比例阀控制器。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于电流自适应的先导式双电磁铁比例阀控制器，包括控制单元、RS232转换电路、信号调理电路、功率驱动模块、电源转换模块、输入输出接口模块；所述控制单元分别与RS232转换电路、信号调理电路、功率驱动模块、电源转换模块、输入输出接口模块连接，所述功率驱动模块包括两路功率驱动电路；
RS-232转换电路用于与上位机通讯，并对控制单元进行参数设置；信号调理电路用于闭环控制和反馈信号的采集调理，一是接收阀芯位移传感器信号，调理后发送控制单元构成位置反馈闭环控制，二是检测电磁铁电流信号，调理后发送控制单元构成电流反馈闭环控制；功率驱动模块用于接收控制单元发出的PWM指令信号，驱动比例电磁铁；电源转换模块用于双向比例阀控制器上各模块所需电压的转换；
当双向比例阀控制器接收到正向指令信号时，位移传感器将主阀芯的位移反馈至控制单元，控制单元将得到的指令值和反馈值比较后通过模糊PID算法输出控制偏差，生成PWM信号，驱动内部功率电路，产生的电流输入到正向比例电磁铁，控制主阀芯正向运动，直到实际反馈值和给定指令值相等，阀芯保持在平衡位置；反之，反向电磁铁通电，阀芯向反向运动；当指令信号为零时，阀芯在对中弹簧的作用下保持在中位。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明的双向比例阀控制器专为控制双向比例方向阀而设计，可通过PID算法协同控制两个电磁铁工作，并可通过算法自适应输出匹配电流；(2)本发明的双向比例阀控制器具体经济性高、频响快、可靠性好、适用范围广等优点。
附图说明
图1为比例阀控制器组成框图。
图2为比例阀控制器工作原理框图。
图3为反接卸荷式功率驱动示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于电流自适应的先导式双电磁铁比例阀控制器，包括控制单元、RS232转换电路、信号调理电路、功率驱动模块、电源转换模块、输入输出接口模块；所述控制单元分别与RS232转换电路、信号调理电路、功率驱动模块、电源转换模块、输入输出接口模块连接，所述功率驱动模块包括两路功率驱动电路；
RS-232转换电路用于与上位机通讯，并对控制单元进行参数设置；信号调理电路用于闭环控制和反馈信号的采集调理，一是接收阀芯位移传感器信号，调理后发送控制单元构成位置反馈闭环控制，二是检测电磁铁电流信号，调理后发送控制单元构成电流反馈闭环控制；功率驱动模块用于接收控制单元发出的PWM指令信号，驱动比例电磁铁；电源转换模块用于双向比例阀控制器上各模块所需电压的转换；
当双向比例阀控制器接收到正向指令信号时，位移传感器将主阀芯的位移反馈至控制单元，控制单元将得到的指令值和反馈值比较后通过模糊PID算法输出控制偏差，生成PWM信号，驱动内部功率电路，产生的电流输入到正向比例电磁铁，控制主阀芯正向运动，直到实际反馈值和给定指令值相等，阀芯保持在平衡位置；反之，反向电磁铁通电，阀芯向反向运动；当指令信号为零时，阀芯在对中弹簧的作用下保持在中位。
控制单元芯片采用Microchip公司的dspic30F3013型号单片机。
RS232转换电路采用SIPEX公司的RS232协议芯片SP3232EE，SP3232EE芯片的T1IN、R1OUT引脚与控制单元的U1ATX、U1ART相连。
功率驱动电路采用反接卸荷式功率驱动。
电源转换电路用于将24V电源转换为±15V电源、+5V电源。
本发明能够通过串口RS232总线通讯实现上位机对双向比例阀控制器的参数配置和状态量监控。工作时，接收一路外部指令信号(0～±10V)同时输出两路驱动信号实现对先导阀两个电磁铁的控制，继而控制主阀阀芯的动作，同时采集阀芯位置反馈信号，使主阀阀芯按照控制指令运动至要求的位置，其搭配使用的比例阀最高动态可达60Hz。
控制器的输入端为外部控制信号与比例阀的位置反馈信号，内部使用模糊PID算法输出PWM信号作用到先导阀的电磁铁，通过电—液转换最终实现主阀的位置闭环控制。
本发明实现以下技术指标：
(1)供电电压：功率电24±1V；
(2)输入输出信号要求：输入信号为0～±10V，通道数1路；输出信号为电流，单通道0～2.7A可调，通道数2路；
(3)与上位机实现RS232总线通讯，波特率9600bps，实现参数设置和状态监控；
(4)实现比例阀位置环及电流环的两环闭环控制；
(5)可实现阀芯死区控制；
(6)发送PWM控制信号驱动比例电磁铁。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本实施例的一种双向比例阀控制器作为双向比例阀的控制器，响应控制指令，完成双向比例阀的电流环和位置环的实时闭环控制。双向比例阀控制器电路主要包括6个功能模块：控制单元、RS-232转换电路、信号调理电路、两路功率驱动电路、电源转换电路、输入输出接口模块，如图1所示。
外部信号包括模拟量信号与数字量信号，模拟量输入信号由控制单元自带的ADC转换接口实现，输出信号由驱动电路转换实现；信号调理电路实现闭环控制和反馈信号的采集调理，一是接收阀芯位移传感器信号调理后发送控制单元构成位置反馈闭环控制，二是检测电磁铁电流信号调理后发送控制单元构成电流反馈闭环控制；功率驱动模块用于接收控制单元发出的PWM指令信号，按要求驱动比例电磁铁；RS-232转换电路实现与上位机通讯及对控制单元的参数设置；电源模块实现双向比例阀控制器上各模块所需电压的调理，给双向比例阀控制器上的各功能模块供电；控制单元完成信号采集、信号处理、模糊PID调节和输出控制信号等功能。
双向比例阀控制器采用位置环和电流环结合的两环控制方法，工作原理如图2所示，工作原理如下：
双向比例阀使用前，双向比例阀控制器接通24V控制电源，完成各功能模块通电、控制单元初始化并自检；控制器通过RS232总线接收上位机指令，实现控制器参数的设置；控制器参数设置好后，当双向比例阀控制器接收到正向指令信号时，位移传感器将主阀芯的位移反馈至控制器，控制器将得到的指令值和反馈值比较后通过模糊PID算法输出控制偏差，生成PWM信号，驱动内部功率电路，产生的电流输入到正向比例电磁铁，控制主阀芯正向运动，直到实际反馈值和给定指令值相等，阀芯保持在平衡位置。反之，反向电磁铁通电，阀芯向反向运动。当信号为零时，阀芯在对中弹簧的作用下保持在中位。在阀芯运动的过程中，当电流超出设计值时采取保护措施，避免控制器损坏。
(1)控制单元
控制单元芯片的选用直接影响到整个控制器的性能，主要完成串口通讯、控制算法实现、数字信号处理以及控制电路各子模块的工作，根据技术要求及控制单元性能要求，控制单元芯片采用Microchip公司的dspic30F3013型号单片机，该芯片集成了单片机的控制功能和DSP的快速计算功能的芯片，采用5V供电，增强了抗噪性和稳键性，适用于各种恶劣环境。控制器外围电路图主要包括供电电路、复位电路、时钟电路组成。给系统设计一个上电复位电路，电路接入单片机的MCLR引脚，选用外部有源晶振为单片机提供时钟电路。
(2)RS232转换电路
上位机需要通过RS232总线与控制器进行通讯，实现参数的设置，选用SIPEX公司的RS232协议芯片SP3232EE，SP3232EE芯片的T1IN、R1OUT引脚与控制单元的U1ATX、U1ART相连，芯片供电+3.0V～+5.5V，工作温度0℃～+70℃。
(3)信号调理电路
在比例阀控制中，输入信号为0～±10V，外置阀芯位置传感器反馈信号为4～20mA，同时采集2路电磁铁的电流，而控制单元的模拟量输入电压要求不大于+5V，因此需要信号调理电路将需要采集的模拟信号转换至合适范围后，输入到控制单元进行运算处理。
为保证减少输入信号的共模干扰，输入信号将采用差分输入，同时采用滤波电路减少噪音的影响，此功能选用常规的运算控制器，考虑到电路板体积选用四运放。滤波后的信号再通过信号调理电路，调理到控制单元可接收的电压范围后，再输入控制单元进行运算处理，拟采用控制器LM2902D芯片，采用单端供电+5V，保证输入到控制单元的信号不为负值，对控制单元的输入接口也起到保护作用。
(4)功率驱动电路
在分析第一代单向比例阀控制器的基础上，选用适用于双向比例电磁铁的功率驱动结构，设计双比例电磁铁功率驱动的硬件电路，用全数字方式实现调制。双向比例阀控制器的驱动模块与单电磁铁比例阀控制器的最大不同在于驱动模块的结构，控制单元输出的两路功率驱动信号分别经过两路功率驱动电路实现两个电磁铁的驱动，相应的在双比例电磁铁电流环控制参数的自适应控制策略也有着本质的区别。
功率驱动是比例阀控制器的核心部分，直接影响比例阀控制器的稳态、动态性能、工作可靠性。比例阀控制器要求功率驱动满足以下条件：可输出足够大的电流驱动比例电磁铁的线圈；具有良好的静、动态特性；输出的控制电流足够稳定，能抵抗温度及电源电压变化等干扰。
为保证动态频响的速度，开关式功率驱动的电路实现形式采用“反接卸荷式”功率驱动，如图3所示。“反接卸荷式”功率驱动通过对Ql、Q2进行同步PWM调制实现比例电磁铁线圈电流控制，加快了电流下降的速度，但功率元件数量为“单管调制式”功率驱动的两倍，且两管同步通断时冲击电流大，纹波电流幅值较大，采用提高开关频率的方式降低纹波。
(5)电源转换电路
电源转换电路是整个硬件正常运行的保证，是整个硬件设计的重点之一。整个比例阀控制器系统由24V供电，分别需要产生以下电源：
1)±15V电源，为内部调理电路提供电源；
2)+15V电源，为MOS管驱动芯片提供电源，选用广州金升阳公司的工业级DC/DC电源模块VRA_YMD-6WR3实现+24V到±15V的转换；
3)+5V电源，为RS232芯片及内部调理电路提供直流电源，选用广州金升阳公司的工业级DC/DC电源模块F2405XT-2WR2实现+24V到+5V的转换，该模块外围连接器件少，效率高达84％；
4)高压驱动电路，为电磁铁提供24V的高压引导电源，直接取用外部供电；
5)+24V，为阀芯反馈传感器提供24V的直流电源，通过将外部供电滤波后取用。
(6)输入输出接口模块
控制器程序下载JTAG接口连接器为6脚排针；控制器RS232总线通讯接口连接器为4脚牛角座；控制器与位移传感器接口连接器为4脚牛角座；控制器与比例电磁铁接口连接器为2组2脚牛角座；控制器与外部信号接口连接器为10脚牛角座。
Claims (5)
1.一种基于电流自适应的先导式双电磁铁比例阀控制器，其特征在于，包括控制单元、RS232转换电路、信号调理电路、功率驱动模块、电源转换模块、输入输出接口模块；所述控制单元分别与RS232转换电路、信号调理电路、功率驱动模块、电源转换模块、输入输出接口模块连接，所述功率驱动模块包括两路功率驱动电路；
RS-232转换电路用于与上位机通讯，并对控制单元进行参数设置；信号调理电路用于闭环控制和反馈信号的采集调理，一是接收阀芯位移传感器信号，调理后发送控制单元构成位置反馈闭环控制，二是检测电磁铁电流信号，调理后发送控制单元构成电流反馈闭环控制；功率驱动模块用于接收控制单元发出的PWM指令信号，驱动比例电磁铁；电源转换模块用于双向比例阀控制器上各模块所需电压的转换；
当双向比例阀控制器接收到正向指令信号时，位移传感器将主阀芯的位移反馈至控制单元，控制单元将得到的指令值和反馈值比较后通过模糊PID算法输出控制偏差，生成PWM信号，驱动内部功率电路，产生的电流输入到正向比例电磁铁，控制主阀芯正向运动，直到实际反馈值和给定指令值相等，阀芯保持在平衡位置；反之，反向电磁铁通电，阀芯向反向运动；当指令信号为零时，阀芯在对中弹簧的作用下保持在中位。
2.根据权利要求1所述的基于电流自适应的先导式双电磁铁比例阀控制器，其特征在于，控制单元芯片采用Microchip公司的dspic30F3013型号单片机。
3.根据权利要求1所述的基于电流自适应的先导式双电磁铁比例阀控制器，其特征在于，RS232转换电路采用SIPEX公司的RS232协议芯片SP3232EE，SP3232EE芯片的T1IN、R1OUT引脚与控制单元的U1ATX、U1ART相连。
4.根据权利要求1所述的基于电流自适应的先导式双电磁铁比例阀控制器，其特征在于，功率驱动电路采用反接卸荷式功率驱动。
5.根据权利要求1所述的基于电流自适应的先导式双电磁铁比例阀控制器，其特征在于，电源转换电路用于将24V电源转换为±15V电源、+5V电源。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190409 |