CN116878371A - 一种电液控制阀用阀芯位移测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电液控制阀用阀芯位移测量系统。所述系统由电压处理模块、PWM功率驱动电路模块、信号滤波模块、模拟量输入电路模块、算法处理模块、数字量输出电路模块组成。由ARM的一个D/A通道产生激励信号，经过所述PWM功率驱动电路模块放大后激励LVDT初级线圈，得到的LVDT次级线圈输出信号通过所述信号滤波模块，之后正弦信号用两路A/D通道以激励信号3倍的采样频率进行采样，所得数字信号在ARM中根据编写好的三点算法处理程序进行信号处理，计算出位置后转为模拟量输出。本发明中的LVDT数字信号处理电路在达到要求的激励频率下，能够较好地反映阀芯位移信息，且电路的处理时间短，电路的响应快。
Description
技术领域
本发明涉及本发明涉及比例伺服阀位移测量领域，尤其涉及一种电液控制阀用阀芯位移测量系统。
背景技术
线性可变差动变压器式位移传感器(linear variable differentialtransformer,LVDT)是一种利用线圈互感的变化实现测量的高精度电感式位移传感器。这种位移传感器包含一个初级线圈、两个次级线圈、可动镍铁合金铁芯、线圈骨架、连杆及壳体。其中两个次级线圈反向串接，三个线圈同时缠绕在铁芯上。当初级线圈接入交流电压时，通过互感作用，在次级线圈中将产生电压，次级线圈中产生的电压大小与铁芯的位置线性相关，其输出为两个次级线圈的电压差值，也就是说，两个次级线圈的输出包含着比例伺服阀的阀芯位置信息。因此，通过对LVDT输出端信号进行解调，可以得到对应的比例伺服阀的阀芯位置信息。另外，LVDT铁芯的结构设计不与三个线圈接触，可以有效减小传感器摩擦阻力，位移测量滞环很小，非常适用于比例伺服阀的高精度阀芯位移测量工作。
影响LVDT反馈信号精度的因素不仅是传感器本身，其信号处理电路对其也有着重要的影响，由于LVDT位移传感器的输入需要交流激励，输出交流电压，同时还包含零点残余电压，故在实际处理电路中需要对零点残余电压进行补偿，其信号处理通常包括了检测、整流、放大、滤波，还需要对输入信号进行直流转交流等过程。目前广泛使用的信号处理电路通常由振荡器、差动变压器、相敏解调器和滤波器、放大器等部分组成。LVDT的信号处理方法主要分为模拟信号处理及数字信号处理两类。其中模拟信号处理电路中分立元件数目较多，容易受温度影响，难以实现高度集成化，而数字信号处理电路中元件数目较少，能够通过算法的方式实现非线性补偿和温度补偿，易于系统的集成化。
现有广泛使用的AD598、AD698等芯片是专门用于LVDT信号处理的集成芯片，使用方便，精度较高，但缺点是发热量较大，加之比例伺服阀在工作的过程中需要的驱动电流较大，温度升高非常明显，容易导致电路稳定性变差，且不具备非线性校正的能力。因此为获得更高精度的LVDT信号解调结果，更准确地得出比例伺服阀阀芯的位置，进行高精度的数字解调已经成为了热门的发展方向。目前国内外研究的LVDT数字信号处理方法从理论上讲已经能够获得满意的效果，但是实现这些算法往往需要消耗很多的硬件资源，对CPU的采样和运算速度有极高的要求，这就造成实际形成产品时造价过高的问题。并且，在比例伺服阀的工作过程中通常需要非常快速的响应速度，因此快速精准地获取阀芯位移，即在LVDT信号的数字解调上实现很强的实时性和高精度是很有必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电液控制阀用阀芯位移测量系统，重点在于仅采用三点估值的算法实现了LVDT高精度解调，而无需更复杂的数字解调方式，可以有效提高解调效率，节省计算成本。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电液控制阀用阀芯位移测量系统，该系统包括电压处理模块、PWM功率驱动电路模块、信号滤波模块、模拟量输入电路模块、算法处理模块和数字量输出电路模块；
所述电压处理模块包括一个直流电源模块和一个电源管理芯片，用于为整个电路提供所需电压信号；
所述PWM功率驱动电路模块用于基于ARM给出的PWM信号，经过处理后输出三角波信号用于LVDT初级线圈的激励；具体为：根据ARM输出的PWM波的高低电平，采用一个PNP型三极管与一个NPN型三极管在PWM波的作用下交替开启，获得功率放大后的正反向电压，经过一个积分电路得到LVDT初级线圈所需的三角波激励信号，进而在LVDT的两个次级线圈中产生与LVDT铁芯的位置线性相关的电压，得到两个次级线圈的电压差值输出信号；
所述信号滤波模块输入端接到LVDT次级线圈的输出信号，修改滤波带宽，得到滤出高次谐波分量后的正弦基波信号，输入模拟量输入电路模块；
所述模拟量输入电路模块采用若干个运算放大器，实现电压跟随以及对正弦基波信号进行滤波和放大，输入算法处理模块；
所述算法处理模块采用三点估值算法进行LVDT次级线圈输出信号处理，获得LVDT次级线圈输出信号的幅值；
所述数字量输出电路模块采用DA转化芯片，提高经算法处理模块最终输出信号的分辨率，通过对LVDT输出端输出信号进行解调，得到对应的比例伺服阀的阀芯位置信息。
进一步地，直流电源模块U1的GND端与钽电容EC2负极相连，EC2负极与钽电容EC1负极相连，一起接到AGND端。直流电源模块U1的Vin端与钽电容EC2正极相连，并和电感L1一端相连，EC1正极与电感L1的另一端相连，并与自恢复保险丝F1的一端相连，自恢复保险丝F1的另一端接24VCC。直流电源模块U1的+Vo端与电感L2一端相接，L2另一端与电容C1一端相连，并与钽电容EC3正极相接，之后作为15VCC输出。直流电源模块U1的0V端与电容C1另一端、电容C2一端、钽电容EC3负极、钽电容EC4正极相连，连接到AGND。直流电源模块U1的-Vo端与电感L3一端相连，L3另一端与电容C2另一端相连，并与钽电容EC4负极相接，之后的电压作为15VEE输出。
进一步地，电源管理芯片LM2674的CB端接到电容C3的一端，电容C3另一端与电源管理芯片LM2674的Vsw端相连。电源管理芯片LM2674的第一FB端、第二FB端、第三FB端均与AGND相连。电源管理芯片LM2674的ON/OF端断开，GND端与AGND相连，电源管理芯片LM2674的Vin端与自恢复保险丝F2一端相连，F2另一端与钽电容EC5的正极相连，并与电容C4的一端相连，一起接到24VCC上，电容C4的另一端与钽电容EC5的负极相连，并一起与电源管理芯片LM2674的GND端相连。电源管理芯片LM2674的Vsw端与电感L4的一端相连，并与肖特基二极管D4阴极相连。电感L4的另一端与钽电容EC6的正极相连，并与电容C5的一端和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端作为5VDD输出，电容C5的另一端与钽电容EC6的负极、二极管D4的阳极相连，并一起与AGND相连。
进一步地，PWM功率驱动电路模块中ARM给出的PWM信号即PWM_LVDT分成两路，一路经由电容C17连接到电阻R39和电阻R38的一端，R39的另一端连接到PNP型三极管Q5的基极，R38的另一端连接到一个肖特基二极管D14的正极，D14的负极与三极管Q5的发射极相连；另一路经电容C18连接到电阻R40的一端，并与肖特基二极管D13的负极相连，电阻R40的另一端与NPN型三极管Q6的基极相接，D13的正极经由一个电阻R41与Q6的发射极连接，Q6的发射极同时连接一个电阻R45，一起接到AGND。三极管Q6的集电极经过电阻R43、R42与三极管Q5的集电极相连，R43远离三极管Q5的一端同时与电阻R45的另一端相连，并与电阻R44的一端相连，R44的另一端与电阻R46的一端连接，同时与三极管Q5的发射极相连，同时连接到一个运算放大器U7C的输出端，U7C作为一个电压跟随器的形式，其同相输入端经由一个分压电阻R36接到15VCC上，同时经由一个分压电阻R37接到AGND。U7C的反相输入端与输出端相连。电阻R46的另一端与电阻R48和电容C20相连，并连接到运算放大器U7B的反相输入端，R48的另一端和C20的另一端相连，并连接到U7B的输出端。U7B的同相输入端经过一个电阻R47连接到一个电容C19和R45远离AGND的一端，同时C19的另一端与AGND相连。U7B的输出端经过一个电阻R49连接到运算放大器U7A的反相输入端，同时连接电阻R50和电容C21，R50和C21的另一端相连，连接到U7A的输出端，最终信号作为LVDT初级线圈的激励信号。运算放大器U7A的同相输入段与AGND相连。
进一步地，信号滤波模块中设有运算放大器U3A的同相输入端与电容C8的一端相连，并与电阻R17的一端相连，R17的另一端与AGND相连。电容C8的另一端与电阻R15的一端、电阻R17的一端、电容C7的一端相连，电阻R14的另一端与LVDT次级线圈A的输出信号相连。电容C7的另一端与AGND相连。电阻R15的另一端与运算放大器U3A的输出端相连，同时运算放大器U3A的反相输入端经由电阻R18也与其输出端相连。运算放大器U3A的反相输入端还经由电阻R16与AGND相连，电阻R16和R18有一端相连。运算放大器U3A的输出经过了R18和R17的连接结点之后的信号即为LVDT次级线圈A滤波后的信号LVDT-FA。LVDT次级线圈B的信号也做相同处理，得到信号LVDT-FB。
进一步地，模拟量输入电路模块中运算放大器U4A的同相输入端经由一个电阻R6与上一级信号滤波模块的输出信号LVDT-FA相连。运算放大器U4A的反相输入端与U4A输出相连，并接到电阻R7的一端，R7另一端与电阻R9的一端一起与运算放大器U4B的同相输入端相连，R9另一端接VREF参考电压，VREF应不超过3.3V，以防ARM的AD管脚被烧坏。运算放大器U4B的反相输入端经由电阻R8与运算放大器U4C的输出端相连，运算放大器U4C的同相输入端与AGND相连，反相输入端与输出端相连。运算放大器U4B的反相输入端还经由一个电阻R10与VREF相连，还经由一个电阻R11与运算放大器U4B的输出端相连。运算放大器U4B的最终输出信号作为运算放大器U4D的同相输入信号，U4D的反相输入端经由电阻R12、R13与U4D输出端相连，电阻R12与电容C6、稳压二极管D5并联，且D5的正极与运算放大器U4D的反相输入端相连，D5的负极与稳压二极管D6的负极相连，D6的正极与AGND连接。电阻R13远离运算放大器U4D的一端的信号作为ARM的AD管脚的输入信号LVDT-AIN。信号LVDT-FB也做相同处理，得到信号LVDT-BIN。
进一步地，算法处理模块中，三点估值法的使用如下所述：
对于正弦波信号：y(t)＝Asin(2πft+ψ)+c，其中，t为时间，y(t)则为t时刻下正弦波幅值，A为正弦波最大幅值，f为正弦信号频率，v为正弦信号的相位，c为直流偏置。采用三倍频率对其采样，设采样中连续的三个点为y1＝y(t0)，y2＝y(t0+1/(3f))，y3＝y(t0+2/(3f))，其中t0为设定的某一时刻。经过处理后，得到所采样正弦波的幅值为
进一步地，数字量输出电路模块包括一个DA转化芯片U8，VREF接到U8的VREF脚，同时经过一个电容R26接到AGND。5VDD接到芯片的VDD脚上，同时经过一个电容C25接AGND。SPI2_MOSI接U8的DIN脚，SPI2_SCK接U8的SCLK脚，DAC_NCS接U8的SYNC脚，同时经过一个电阻R51接到5VDD上。U8的CLR脚接到DAC_CLR上，同时经过一个电阻R52接到AGND，LDAC脚接到DAC_LDAC上，GND脚接到AGND，VOUTA脚和VOUTB脚分别作为通道的输出CH1OUT和通道的输出CH2OUT。
本发明的有益效果：采用LVDT三点估值数字处理算法，一方面有效避免了集成芯片如AD598、AD698使用过程中发热量大的问题，也避免了温度升高对芯片精度的影响，提高了LVDT信号解调的稳定性；另一方面该算法计算量小，在高精度数字信号处理方面节约计算成本，进而节约产品成本。另外，ARM中的数字量可以方便地在程序中进行调整校准，可操作性较强，对于阀芯位置的测量更加准确。
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做简单地介绍，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前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明的实现原理结构框架图及LVDT传感器的接线方案。
图2为本发明的电压处理模块。
图3为本发明的PWM功率驱动电路模块。
图4为本发明的信号滤波模块。
图5为本发明的模拟量输入电路模块。
图6为本发明的数字量输出电路模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方案进行详细阐述，以便于更易于被比例伺服阀领域、LVDT解调领域的技术人员使用，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。
如图1所示，本发明的LVDT解调方案设计了一系列信号处理电路，从ARM产生PWM方波，进而进行功率放大用于LVDT初级线圈的激励，此处功率驱动电路无需采用驱动芯片，可以有效节省成本。次级线圈产生三角波输出信号，经过信号滤波模块的带通滤波后可以获得可供三点估值算法处理的基波信号，在信号输入单片机的AD管脚前需要进行限幅以避免烧坏管脚，因此设计了一个模拟量输入电路模块进行限幅处理。单片机对该信号进行了模数转换，之后通过编写的三点估值算法程序进行了信号处理，最后通过一个数字量输出电路模块进行数模转换得到了最终的LVDT处理信号。
为了实现上述本发明的技术目标和技术优势，本发明包含：
电压处理模块，用于产生15VCC、15VEE和5VCC，为整个电路提供所需电压信号。进一步来说，该部分包括一个直流电源模块和一个电源管理芯片。直流电源模块U1负责输出15VCC和15VEE。电源管理芯片U2则负责5VDD的产生。具体电路如下：
如图2所示，直流电源模块U1的GND端1与钽电容EC2负极相连，EC2负极与钽电容EC1负极相连，一起接到AGND端。直流电源模块U1的Vin端2与钽电容EC2正极相连，并和电感L1一端相连，EC1正极与电感L1的另一端相连，并与自恢复保险丝F1的一端相连，自恢复保险丝F1的另一端接24VCC。直流电源模块U1的+Vo端6与电感L2一端相接，L2另一端与电容C1一端相连，并与钽电容EC3正极相接，之后作为15VCC输出。直流电源模块U1的0V端7与电容C1另一端、电容C2一端、钽电容EC3负极、钽电容EC4正极相连，连接到AGND。直流电源模块U1的-Vo端8与电感L3一端相连，L3另一端与电容C2另一端相连，并与钽电容EC4负极相接，之后的电压作为15VEE输出。
如图2所示，电源管理芯片LM2674的CB端1接到电容C3的一端，电容C3另一端与电源管理芯片LM2674的Vsw端8相连。电源管理芯片LM2674的第一FB端2、第二FB端3、第三FB端4均与AGND相连。电源管理芯片LM2674的ON/OF端5断开，GND端6与AGND相连，电源管理芯片LM2674的Vin端7与自恢复保险丝F2一端相连，F2另一端与钽电容EC5的正极相连，并与电容C4的一端相连，一起接到24VCC上，电容C4的另一端与钽电容EC5的负极相连，并一起与电源管理芯片LM2674的GND端6相连。电源管理芯片LM2674的Vsw端8与电感L4的一端相连，并与肖特基二极管D4阴极相连。电感L4的另一端与钽电容EC6的正极相连，并与电容C5的一端和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端作为5VDD输出，电容C5的另一端与钽电容EC6的负极、二极管D4的阳极相连，并一起与AGND相连。
PWM功率驱动电路模块，其输入端为ARM给出的PWM信号，经过处理后输出三角波信号用于LVDT初级线圈的激励。进一步来说，对于不同的LVDT传感器所需要的激励电压不同，本发明中的PWM功率驱动电路能够适配不同激励功率的LVDT传感器，可以通过调节分压电阻R36、R37可以改变电路的输入电压。进一步来说，模块中采用的一个PNP型三极管Q5与一个NPN型三极管Q6在PWM波的作用下交替开启：当ARM输出的PWM波为高电平时，三极管Q5打开，三极管Q6处于关闭状态，此时15VCC分压电压将与运放U7B同相输入端的电压相同，根据运放虚短原理，最终运放U7B输出也为此电压；当ARM输出的PWM波为低电平时，三极管Q6打开，三极管Q5处于关闭状态，此时由于Q6一端直接与AGND相连，则运放U7B同相输入端电压为0，根据运放虚短原理，此时电阻R46与R48之间的电压也为0，在R46与R48阻值相同的情况下，可以得出运放U7B的输出为与15VCC分压电压相同大小的反向电压。由于PWM波高低电平交替进行，因此交替获得功率放大后的正反向电压，此即为所述PWM功率驱动电路模块得到的方波激励信号，之后经过一个积分电路得到LVDT初级线圈所需的三角波激励信号，进而在LVDT的两个次级线圈中产生与LVDT铁芯的位置线性相关的电压，得到两个次级线圈的电压差值输出信号。
如图3所示，PWM功率驱动电路模块中ARM给出的PWM信号即PWM_LVDT分成两路，一路经由电容C17连接到电阻R39和电阻R38的一端，R39的另一端连接到PNP型三极管Q5的基极，R38的另一端连接到一个肖特基二极管D14的正极，D14的负极与三极管Q5的发射极相连；另一路经电容C18连接到电阻R40的一端，并与肖特基二极管D13的负极相连，电阻R40的另一端与NPN型三极管Q6的基极相接，D13的正极经由一个电阻R41与Q6的发射极连接，Q6的发射极同时连接一个电阻R45，一起接到AGND。三极管Q6的集电极经过电阻R43、R42与三极管Q5的集电极相连，R43远离三极管Q5的一端同时与电阻R45的另一端相连，并与电阻R44的一端相连，R44的另一端与电阻R46的一端连接，同时与三极管Q5的发射极相连，同时连接到一个运算放大器U7C的输出端，U7C作为一个电压跟随器的形式，其同相输入端经由一个分压电阻R36接到15VCC上，同时经由一个分压电阻R37接到AGND。U7C的反相输入端与输出端相连。电阻R46的另一端与电阻R48和电容C20相连，并连接到运算放大器U7B的反相输入端，R48的另一端和C20的另一端相连，并连接到U7B的输出端。U7B的同相输入端经过一个电阻R47连接到一个电容C19和R45远离AGND的一端，同时C19的另一端与AGND相连。U7B的输出端经过一个电阻R49连接到运算放大器U7A的反相输入端，同时连接电阻R50和电容C21，R50和C21的另一端相连，连接到U7A的输出端，最终信号作为LVDT初级线圈的激励信号。运算放大器U7A的同相输入段与AGND相连。
信号滤波模块，采用带通滤波器。输入端接到LVDT次级线圈的输出信号，目的在于将输出信号进行初步处理，通过修改阻值R16和R18可以修改滤波带宽，最终为了得到滤出高次谐波分量后的正弦基波信号，输入模拟量输入电路模块，方便后续的单片机内的三点估值算法处理。进一步来说，运算放大器U3A的同相输入端串联了一个低通滤波电路和一个高通滤波电路，并通过R15将输出端连接到两个滤波电路中间，反相输入端经过一个电阻R16与地相连，同时通过一个电阻R18与输出端相连，这样形成了一个带通滤波器。
如图4所示，信号滤波模块中设有运算放大器U3A的同相输入端与电容C8的一端相连，并与电阻R17的一端相连，R17的另一端与AGND相连。电容C8的另一端与电阻R15的一端、电阻R17的一端、电容C7的一端相连，电阻R14的另一端与LVDT次级线圈A的输出信号相连。电容C7的另一端与AGND相连。电阻R15的另一端与运算放大器U3A的输出端相连，同时运算放大器U3A的反相输入端经由电阻R18也与其输出端相连。运算放大器U3A的反相输入端还经由电阻R16与AGND相连，电阻R16和R18有一端相连。运算放大器U3A的输出经过了R18和R17的连接结点之后的信号即为LVDT次级线圈A滤波后的信号LVDT-FA。LVDT次级线圈B的信号也做相同处理，得到信号LVDT-FB。
模拟量输入电路模块，采用了几个运算放大器，有的起到电压跟随器作用，用来保证其工作特性，有的用来进行滤波和放大作用。该模块主要目的在于获得不超过VREF幅值的LVDT信号，输入算法处理模块，最终输出信号要输入单片机的AD管脚，因此需要限制幅值，避免烧坏管脚。
如图5所示，模拟量输入电路模块中运算放大器U4A的同相输入端经由一个电阻R6与上一级信号滤波模块的输出信号LVDT-FA相连。运算放大器U4A的反相输入端与U4A输出相连，并接到电阻R7的一端，R7另一端与电阻R9的一端一起与运算放大器U4B的同相输入端相连，R9另一端接VREF参考电压，VREF应不超过3.3V，以防ARM的AD管脚被烧坏。运算放大器U4B的反相输入端经由电阻R8与运算放大器U4C的输出端相连，运算放大器U4C的同相输入端与AGND相连，反相输入端与输出端相连。运算放大器U4B的反相输入端还经由一个电阻R10与VREF相连，还经由一个电阻R11与运算放大器U4B的输出端相连。运算放大器U4B的最终输出信号作为运算放大器U4D的同相输入信号，U4D的反相输入端经由电阻R12、R13与U4D输出端相连，电阻R12与电容C6、稳压二极管D5并联，且D5的正极与运算放大器U4D的反相输入端相连，D5的负极与稳压二极管D6的负极相连，D6的正极与AGND连接。电阻R13远离运算放大器U4D的一端的信号作为ARM的AD管脚的输入信号LVDT-AIN。信号LVDT-FB也做相同处理，得到信号LVDT-BIN。
算法处理模块，采用三点估值算法进行LVDT次级线圈输出信号处理。三点估值算法在LVDT次级线圈输出信号处理上的使用。三点估值法适用于频率已知的正弦波估值，精度高、响应快、无需大量计算，适合LVDT信号处理的要求。三点估值法的使用如下所述。
对于正弦波信号：y(t)＝Asin(2πft+ψ)+c，其中，t为时间，y(t)则为t时刻下正弦波幅值，A为正弦波最大幅值，f为正弦信号频率，ψ为正弦信号的相位，c为直流偏置。采用三倍频率对其采样，设采样中连续的三个点为y1＝y(t0)，y2＝y(t0+1/(3f))，y3＝y(t0+2/(3f))，其中t0为设定的某一时刻。经过处理后，得到所采样正弦波的幅值为(此处所提算法参考浙江大学刘志才《LVDT位移传感器数字信号处理算法及电路研究》)。即使对于存在高次谐波分量的信号，三点估值的方法也可以有效地过滤这些分量的影响。另外，在采样频率有一定变化的情况下，三点估值法也可以比较准确地获得LVDT次级线圈输出信号的幅值。
数字量输出电路模块，采用了一个DA转化芯片U8，没有采用单片机自带的DA转换器，而是采用了一个外扩DA转换器，是为了提高经LVDT数字信号处理电路最终输出信号的分辨率，改善传感器的精度，通过对LVDT输出端输出信号进行解调，得到对应的比例伺服阀的阀芯位置信息。
如图6所示，数字量输出电路模块包括一个DA转化芯片U8，VREF接到U8的VREF脚1，同时经过一个电容R26接到AGND。5VDD接到芯片的VDD脚2上，同时经过一个电容C25接AGND。SPI2_MOSI接U8的DIN脚3，SPI2_SCK接U8的SCLK脚4，DAC_NCS接U8的SYNC脚5，同时经过一个电阻R51接到5VDD上。U8的CLR脚10接到DAC_CLR上，同时经过一个电阻R52接到AGND，LDAC脚9接到DAC_LDAC上，GND脚8接到AGND，VOUTA脚6和VOUTB脚7分别作为通道1的输出CH1OUT和通道2的输出CH2OUT。
实施例：
本发明设计了一种电液控制阀用阀芯位移测量系统，该方案需要结合具有一定计算能力且具有模数转换功能的单片机使用。
本实例中电源为24V，经过电压转换模块产生15伏和5伏电压供整个电路使用，VREF参考电压则为单片机的常用参考电压，其生成方案有很多，本实例不做阐述。
PWM功率驱动电路模块，其用于生成LVDT传感器的激励信号源，信号源输出类型是三角波信号。通过单片机可以修改PWM波的占空比，进而调整LVDT的激励信号，通过改变R36和R37的比值，可以改变激励信号的强度。
信号滤波模块，本实例中输入信号经过一个带通滤波器滤波后由输出端连接到下一个模块，通过改变该模块R16和R18的阻值可以改变带宽而不影响中心频率。
模拟量输入电路模块，本实例中模拟量输入电路模块主要用于对上一级滤波后的LVDT信号进行限幅处理，防止因幅值过大而导致单片机AD转换管脚烧坏。
算法处理部分，本实例中算法处理部分是整个解调方案的关键部分。该部分主要是通过在单片机中编写三点估值法处理程序，经过AD转换后的LVDT数字信号进行处理，计算得出幅值，用于后续的进一步处理，来得到比例伺服阀阀芯的位移信号，在这一部分，LVDT次级线圈的输出信号已经处理完毕得到数字量，接下来输出到下一模块。
数字量输出电路模块，这一部分将单片机处理过的信号进行数模转换得到模拟量输出，方便进行下一步的处理。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种电液控制阀用阀芯位移测量系统，其特征在于，该系统包括电压处理模块、PWM功率驱动电路模块、信号滤波模块、模拟量输入电路模块、算法处理模块和数字量输出电路模块；
所述电压处理模块包括一个直流电源模块和一个电源管理芯片，用于为整个电路提供所需电压信号；
所述PWM功率驱动电路模块用于基于ARM给出的PWM信号，经过处理后输出三角波信号用于LVDT初级线圈的激励；具体为：根据ARM输出的PWM波的高低电平，采用一个PNP型三极管与一个NPN型三极管在PWM波的作用下交替开启，获得功率放大后的正反向电压，经过一个积分电路得到LVDT初级线圈所需的三角波激励信号，进而在LVDT的两个次级线圈中产生与LVDT铁芯的位置线性相关的电压，得到两个次级线圈的电压差值输出信号；
所述信号滤波模块输入端接到LVDT次级线圈的输出信号，修改滤波带宽，得到滤出高次谐波分量后的正弦基波信号，输入模拟量输入电路模块；
所述模拟量输入电路模块采用若干个运算放大器，实现电压跟随以及对正弦基波信号进行滤波和放大，输入算法处理模块；
所述算法处理模块采用三点估值算法进行LVDT次级线圈输出信号处理，获得LVDT次级线圈输出信号的幅值；
所述数字量输出电路模块采用DA转化芯片，提高经算法处理模块最终输出信号的分辨率，通过对LVDT输出端输出信号进行解调，得到对应的比例伺服阀的阀芯位置信息。
2.根据权利要求1所述的电液控制阀用阀芯位移测量系统，其特征在于，直流电源模块U1的GND端与钽电容EC2负极相连，EC2负极与钽电容EC1负极相连，一起接到AGND端。直流电源模块U1的Vin端与钽电容EC2正极相连，并和电感L1一端相连，EC1正极与电感L1的另一端相连，并与自恢复保险丝F1的一端相连，自恢复保险丝F1的另一端接24VCC。直流电源模块U1的+Vo端与电感L2一端相接，L2另一端与电容C1一端相连，并与钽电容EC3正极相接，之后作为15VCC输出。直流电源模块U1的0V端与电容C1另一端、电容C2一端、钽电容EC3负极、钽电容EC4正极相连，连接到AGND。直流电源模块U1的-Vo端与电感L3一端相连，L3另一端与电容C2另一端相连，并与钽电容EC4负极相接，之后的电压作为15VEE输出。
3.根据权利要求1所述的电液控制阀用阀芯位移测量系统，其特征在于，电源管理芯片LM2674的CB端接到电容C3的一端，电容C3另一端与电源管理芯片LM2674的Vsw端相连。电源管理芯片LM2674的第一FB端、第二FB端、第三FB端均与AGND相连。电源管理芯片LM2674的ON/OF端断开，GND端与AGND相连，电源管理芯片LM2674的Vin端与自恢复保险丝F2一端相连，F2另一端与钽电容EC5的正极相连，并与电容C4的一端相连，一起接到24VCC上，电容C4的另一端与钽电容EC5的负极相连，并一起与电源管理芯片LM2674的GND端相连。电源管理芯片LM2674的Vsw端与电感L4的一端相连，并与肖特基二极管D4阴极相连。电感L4的另一端与钽电容EC6的正极相连，并与电容C5的一端和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端作为5VDD输出，电容C5的另一端与钽电容EC6的负极、二极管D4的阳极相连，并一起与AGND相连。
4.根据权利要求1所述的电液控制阀用阀芯位移测量系统，其特征在于，PWM功率驱动电路模块中ARM给出的PWM信号即PWM_LVDT分成两路，一路经由电容C17连接到电阻R39和电阻R38的一端，R39的另一端连接到PNP型三极管Q5的基极，R38的另一端连接到一个肖特基二极管D14的正极，D14的负极与三极管Q5的发射极相连；另一路经电容C18连接到电阻R40的一端，并与肖特基二极管D13的负极相连，电阻R40的另一端与NPN型三极管Q6的基极相接，D13的正极经由一个电阻R41与Q6的发射极连接，Q6的发射极同时连接一个电阻R45，一起接到AGND。三极管Q6的集电极经过电阻R43、R42与三极管Q5的集电极相连，R43远离三极管Q5的一端同时与电阻R45的另一端相连，并与电阻R44的一端相连，R44的另一端与电阻R46的一端连接，同时与三极管Q5的发射极相连，同时连接到一个运算放大器U7C的输出端，U7C作为一个电压跟随器的形式，其同相输入端经由一个分压电阻R36接到15VCC上，同时经由一个分压电阻R37接到AGND。U7C的反相输入端与输出端相连。电阻R46的另一端与电阻R48和电容C20相连，并连接到运算放大器U7B的反相输入端，R48的另一端和C20的另一端相连，并连接到U7B的输出端。U7B的同相输入端经过一个电阻R47连接到一个电容C19和R45远离AGND的一端，同时C19的另一端与AGND相连。U7B的输出端经过一个电阻R49连接到运算放大器U7A的反相输入端，同时连接电阻R50和电容C21，R50和C21的另一端相连，连接到U7A的输出端，最终信号作为LVDT初级线圈的激励信号。运算放大器U7A的同相输入段与AGND相连。
5.根据权利要求1所述的电液控制阀用阀芯位移测量系统，其特征在于，信号滤波模块中设有运算放大器U3A的同相输入端与电容C8的一端相连，并与电阻R17的一端相连，R17的另一端与AGND相连。电容C8的另一端与电阻R15的一端、电阻R17的一端、电容C7的一端相连，电阻R14的另一端与LVDT次级线圈A的输出信号相连。电容C7的另一端与AGND相连。电阻R15的另一端与运算放大器U3A的输出端相连，同时运算放大器U3A的反相输入端经由电阻R18也与其输出端相连。运算放大器U3A的反相输入端还经由电阻R16与AGND相连，电阻R16和R18有一端相连。运算放大器U3A的输出经过了R18和R17的连接结点之后的信号即为LVDT次级线圈A滤波后的信号LVDT-FA。LVDT次级线圈B的信号也做相同处理，得到信号LVDT-FB。
6.根据权利要求5所述的电液控制阀用阀芯位移测量系统，其特征在于，模拟量输入电路模块中运算放大器U4A的同相输入端经由一个电阻R6与上一级信号滤波模块的输出信号LVDT-FA相连。运算放大器U4A的反相输入端与U4A输出相连，并接到电阻R7的一端，R7另一端与电阻R9的一端一起与运算放大器U4B的同相输入端相连，R9另一端接VREF参考电压，VREF应不超过3.3V，以防ARM的AD管脚被烧坏。运算放大器U4B的反相输入端经由电阻R8与运算放大器U4C的输出端相连，运算放大器U4C的同相输入端与AGND相连，反相输入端与输出端相连。运算放大器U4B的反相输入端还经由一个电阻R10与VREF相连，还经由一个电阻R11与运算放大器U4B的输出端相连。运算放大器U4B的最终输出信号作为运算放大器U4D的同相输入信号，U4D的反相输入端经由电阻R12、R13与U4D输出端相连，电阻R12与电容C6、稳压二极管D5并联，且D5的正极与运算放大器U4D的反相输入端相连，D5的负极与稳压二极管D6的负极相连，D6的正极与AGND连接。电阻R13远离运算放大器U4D的一端的信号作为ARM的AD管脚的输入信号LVDT-AIN。信号LVDT-FB也做相同处理，得到信号LVDT-BIN。
7.根据权利要求1所述的电液控制阀用阀芯位移测量系统，其特征在于，算法处理模块中，三点估值法的使用如下所述：
对于正弦波信号：y(t)＝A sin(2πft+ψ)+c，其中，t为时间，y(t)则为t时刻下正弦波幅值，A为正弦波最大幅值，f为正弦信号频率，ψ为正弦信号的相位，c为直流偏置。采用三倍频率对其采样，设采样中连续的三个点为y1＝y(t0)，y2＝y(t0+1/(3f))，y3＝y(t0+2/(3f))，其中t0为设定的某一时刻。经过处理后，得到所采样正弦波的幅值为
8.根据权利要求1所述的电液控制阀用阀芯位移测量系统，其特征在于，数字量输出电路模块包括一个DA转化芯片U8，VREF接到U8的VREF脚，同时经过一个电容R26接到AGND。5VDD接到芯片的VDD脚上，同时经过一个电容C25接AGND。SPI2_MOSI接U8的DIN脚，SPI2_SCK接U8的SCLK脚，DAC_NCS接U8的SYNC脚，同时经过一个电阻R51接到5VDD上。U8的CLR脚接到DAC_CLR上，同时经过一个电阻R52接到AGND，LDAC脚接到DAC_LDAC上，GND脚接到AGND，VOUTA脚和VOUTB脚分别作为通道的输出CH1OUT和通道的输出CH2OUT。
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|---|---|---|---|---|
| CN118009865A (zh) * | 2024-04-09 | 2024-05-10 | 浙江大学 | 一种电液控制阀用可编程的位移信号调理方法及系统 |
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- 2023-08-10 CN CN202311004248.0A patent/CN116878371A/zh active Pending
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