CN204628738U - 高开关频率的数字化比例阀控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高开关频率的数字化比例阀控制器，包括微处理器、通讯端口、驱动电路、功率放大电路、位置检测电路和电流检测电路，通讯端口与微处理器双向通讯连接，位置检测电路和电流检测电路分别与微处理器的模数转换接口连接；微处理器通过驱动电路连接功率放大电路，功率放大电路与比例阀电磁线圈电连接；本实用新型还公开了一种高开关频率的数字化比例阀控制器的控制方法：微处理器通过通讯端口接收位置给定信号和电流给定信号，通过选择开关判断比例阀控制器采用位置闭环及电流闭环控制或仅采用电流闭环控制，本实用新型方法可根据实际工作需要选择工作模式，具有较好的灵活性和适应性。

Description

高开关频率的数字化比例阀控制器

技术领域

本实用新型涉及一种高开关频率的数字化比例阀控制器，属于比例阀技术领域。

背景技术

电液比例阀控制技术广泛应用于机械加工、工程机械、冶金等行业，比例阀控制的基本原理是利用电磁铁行程力的大小与流过它的电流大小成正比，通过控制流过比例阀电磁铁电流的大小，实现对液压压力、流量等控制。

比例阀控制技术目前主要存在两种控制方式、即模拟电路的控制和数字化控制方式。

目前比例阀控制器的主要发展趋势是采用脉宽调制技术控制比例阀的电磁线圈电流，模拟电路控制方式由于其调试过程复杂，成本较高等因素而逐渐被数字化控制方式所取代。利用脉宽调制的方法自然产生克服比例阀的滞环效应的振颤电流，这种方法难以实现振颤电流的振颤频率和幅值的分别调整，适应性较差，在工程实践中难以达到较高的控制精度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高开关频率的数字化比例阀控制器，解决现有技术中比例阀控制精度不高的技术问题。

为解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种高开关频率的数字化比例阀控制器，包括微处理器、通讯端口、驱动电路、功率放大电路、用于检测比例阀位置信息的位置检测电路和用于检测通过比例阀电磁线圈L1电流的电流检测电路，通讯端口与微处理器双向通讯连接，位置检测电路和电流检测电路分别与微处理器的模数转换接口的输入端连接；微处理器通过驱动电路连接功率放大电路，功率放大电路的输出端与比例阀电磁线圈电连接；微处理器通过通讯端口接收位置给定信号和电流给定信号；驱动电路接收微处理器输出的脉宽调制信号，控制功率放大电路，实现比例阀的位置控制或者比例阀电磁线圈L1的电流控制。

所述微处理器包括：

位置控制器：用于实现比例阀位置控制，与位置检测电路形成比例阀位置控制闭环控制系统；

选择开关：输入端分别连接位置控制器的输出端和通讯端口的电流给定信号输出端，用于设定比例阀控制器采用位置闭环及电流闭环控制或仅采用电流闭环控制；

数字振荡器：与选择开关的输出端通过加法器连接，用于产生频率和幅值可调的振颤电流；

电流限制环节：输入端与加法器的输出端连接，输出端通过减法器与电流检测电路的输出端连接，用于限制比例阀控制器输出的最大电流；

电流控制器：输入端与减法器的输出端连接，用于控制通过比例阀电磁线圈L1的电流，与电流检测电路形成比例阀电流控制闭环控制系统；

脉宽调制环节：与电流控制器的输出端连接，用于产生控制脉冲信号；

参数配置模块；输入端与通讯端口连接，输出端分别与位置控制器、选择开关、数字振荡器、电流限制环节和电流控制器连接，用于参数配置。

所述功率放大电路包括MOS管Q1和三极管Q2，所述驱动电路包括用于驱动MOS管Q1的驱动电阻R1、驱动电阻R2和用于驱动三极管Q2的驱动电阻R3、驱动电阻R4；微处理器的脉宽调制环节输出端串联驱动电阻R3后与三极管Q2的基极连接，串联驱动电阻R4后与三极管Q2的射极连接，三极管Q2的射极还通过导线接地，三极管Q2的源极串联驱动电阻R2后与MOS管Q1的栅极连接；MOS管Q1的栅极与源极之间串联有驱动电阻R1，MOS管Q1的漏极串联比例阀电磁线圈L1后与电流检测电路连接。

所述比例阀电磁线圈L1的两端还并联有续流二极管V1。

所述电流检测电路包括运算放大器Y1B、采样电阻R7、电阻R5、电阻R6和电阻R8；电阻R5与电阻R6通过电节点A电连接，采样电阻R7与电阻R5通过电节点B电连接，电阻R8与采样电阻R7通过电节点C电连接，电节点A与运算放大器Y1B的同相输入端电连接，电节点B与比例阀电磁线圈L1电连接，电节点C接地，同时电节点C通过电阻R8与运算放大器Y1B的反相输入端电连接；运算放大器Y1B的反相输入端与输出端之间还连接有滤波电路，所述滤波电路由并联连接的滤波电容C1和滤波电阻R9组成；采样电阻R7为电流采样电阻，阻值取0.05Ω<R7<0.5Ω，R5、R6、R7、R8、R9的阻值选取满足式(1)：

${\mathrm{feed}}_i=\frac{R_6(R_8+R_9)}{R_8(R_5+R_6)}\&times;i\&times;R_7---\left(1\right)$

即当比例阀电磁线圈L1中电流i＝比例阀控制器最大电流I_max时，feed_i＝3.3V。

所述通讯端口为CAN总线或异步串口。

所述微处理器、通讯端口、驱动电路、功率放大电路、位置检测电路和电流检测电路设置于同一印刷电路板上，并通过所述印刷电路板连接。设于同一印刷电路板上，增加系统集成度、减小体积。

与现有技术相比，本实用新型所产生的有益效果是：设置了位置检测电路，形成比例阀的位置闭环控制系统，同时设置了电流检测电路，形成比例阀电磁线圈的闭环控制系统，能够显著提高比例阀的控制精度；参数可以根据需要随意调整，重复精度高，减少了外围器件，节约设计成本；设置了电流限制环节，可以通过设置不同的最大电流用来适应不同的比例阀，使比例阀控制器的适应范围广，通用性好；设置了数字振荡器，用于产生消除比例阀滞环效应的振颤电流，与电流给定信号进行叠加，可分别调整振颤幅值和振颤频率，提高比例控制精度及灵敏性。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理框图。

图2是本实用新型的控制方法的原理框图。

图3是驱动电路、功率放大电路和电流检测电流的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，一种高开关频率的数字化比例阀控制器，包括微处理器、通讯端口、驱动电路、功率放大电路、用于检测比例阀位置信息的位置检测电路和用于检测通过比例阀电磁线圈L1电流的电流检测电路，通讯端口与微处理器双向通讯连接，位置检测电路和电流检测电路分别与微处理器的模数转换接口的输入端连接；微处理器通过驱动电路连接功率放大电路，功率放大电路的输出端与比例阀电磁线圈电连接；微处理器通过通讯端口接收位置给定信号和电流给定信号；驱动电路接收微处理器输出的脉宽调制信号，控制功率放大电路，实现比例阀的位置控制或者比例阀电磁线圈L1的电流控制。通讯端口可以为CAN总线或异步串口。

微处理器可选择德州仪器公司的TMS320F28035型微处理器，如图2所示，微处理器包括：

位置控制器：用于实现比例阀位置控制，与位置检测电路形成比例阀位置控制闭环控制系统。

选择开关：输入端分别连接位置控制器的输出端和通讯端口的电流给定信号输出端，用于设定比例阀控制器采用位置闭环及电流闭环控制或仅采用电流闭环控制。

数字振荡器：与选择开关的输出端通过加法器连接，用于产生频率和幅值可调的振颤电流。

电流限制环节：输入端与加法器的输出端连接，输出端通过减法器与电流检测电路的输出端连接，用于限制比例阀控制器输出的最大电流。

电流控制器：输入端与减法器的输出端连接，用于控制通过比例阀电磁线圈L1的电流，与电流检测电路形成比例阀电流控制闭环控制系统。

脉宽调制环节：与电流控制器的输出端连接，用于产生控制脉冲信号。

参数配置模块；输入端与通讯端口连接，输出端分别与位置控制器、选择开关、数字振荡器、电流限制环节和电流控制器连接，参数配置模块的数据来自通讯端口，并存储在微处理器中，用于参数配置。

如图3所示，功率放大电路包括MOS管Q1和三极管Q2，驱动电路包括用于驱动MOS管Q1的驱动电阻R1、驱动电阻R2和用于驱动三极管Q2的驱动电阻R3、驱动电阻R4。

微处理器的脉宽调制环节输出端串联驱动电阻R3后与三极管Q2的基极连接，串联驱动电阻R4后与三极管Q2的射极连接，三极管Q2的射极还通过导线接地，三极管Q2的源极串联驱动电阻R2后与MOS管Q1的栅极连接；MOS管Q1的栅极与源极之间串联有驱动电阻R1，MOS管Q1的漏极串联比例阀电磁线圈L1后与电流检测电路连接。

比例阀电磁线圈L1的两端还并联有续流二极管V1。

电流检测电路包括运算放大器Y1B、采样电阻R7、电阻R5、电阻R6和电阻R8。

电阻R5与电阻R6通过电节点A电连接，采样电阻R7与电阻R5通过电节点B电连接，电阻R8与采样电阻R7通过电节点C电连接，电节点A与运算放大器Y1B的同相输入端电连接，电节点B与比例阀电磁线圈L1电连接，电节点C接地，同时电节点C通过电阻R8与运算放大器Y1B的反相输入端电连接；运算放大器Y1B的反相输入端与输出端之间还连接有滤波电路，滤波电路由并联连接的滤波电容C1和滤波电阻R9组成。

电阻R7是电流采样电阻，阻值一般取0.05Ω<R7<0.5Ω，R5、R6、R7、R8、R9的阻值选取满足式(1)：

${\mathrm{feed}}_i=\frac{R_6(R_8+R_9)}{R_8(R_5+R_6)}\&times;i\&times;R_7---\left(1\right)$

即当比例阀电磁线圈L1中电流i＝I_max(I_max设为比例阀控制器最大电流)时，feed_i＝3.3V。

微处理器、通讯端口、驱动电路、功率放大电路、位置检测电路和电流检测电路设置于同一印刷电路板上，并通过印刷电路板连接。设于同一印刷电路板上，增加系统集成度、减小体积。

如图2所示，是高开关频率的数字化比例阀控制器的控制方法的原理框图，包括如下步骤：

步骤一：参数配置：通讯端口通过配置模块进行参数配置，包括：对电流限制环节配置比例阀控制器输出的最大电流、对数字振荡器配置振颤电流频率和幅值、对选择开关配置工作模式设定值、对位置控制器和电流控制器配置控制参数。

步骤二：工作模式判断：微处理器通过选择开关判断比例阀控制器采用位置闭环及电流闭环控制或仅采用电流闭环控制：若采用位置闭环及电流闭环控制，则跳转至步骤三；若仅采用电流闭环控制，则跳转至步骤四。

步骤三：微处理器通过位置检测电路获得比例阀的实际位置信息，比较位置给定信息和实际位置信息，位置控制器通过计算得出比例阀控制所需电流，然后与数字振荡器产生的产生频率和幅值可调的振颤电流叠加，经过电流限制环节限幅，与电流检测电路输出的电流值相比较，电流控制器通过计算产生比例阀控制电流，最后经脉宽调制环节产生脉宽调制信号，通过驱动电路，控制功率放大电路，实现比例阀的位置控制。

步骤四：数字振荡器产生的产生频率和幅值可调的振颤电流与给定电流相叠加，经过电流限制环节限幅，与电流检测电路输出的电流值相比较，电流控制器通过计算产生比例阀控制电流，最后经脉宽调制环节产生脉宽调制信号，通过驱动电路，控制功率放大电路，实现比例阀电磁线圈L1的电流控制。

数字振荡器的幅值计算依据电流检测的数据与实际的电流关系得出，设比例阀控制器最大电流为I_max，对应的数字模拟变换的位数为n，则电流的分辨率I_1sb计算如式(2)：

$I_{1\mathrm{sb}}=\frac{I_{\max }}{2^n-1}---\left(2\right)$

设所需的振颤电流幅值为I_ref、数字振荡器的输出振荡幅值Data_ref的计算如式(3)：

${\mathrm{Data}}_{\mathrm{ref}}=\frac{I_{\mathrm{ref}}}{I_{1\mathrm{sb}}}---\left(3\right)$

数字振荡器的幅值计算依据电流控制器的采样频率和振颤频率的关系得出，设电流控制器的采样频率为F₁，振颤频率F₂，数字振荡器输出采用三角波输出方式，每个电流控制的采样周期的斜波步距Δdata的计算如式(4)：

$\mathrm{\&Delta;data}=\frac{F_2}{F_1}\&times;\frac{{\mathrm{Data}}_{\mathrm{ref}}}{4}---\left(4\right).$

数字振荡器输出三角波data_k计算如式(5)：

${\mathrm{data}}_k=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{data}}_{k-1}+\mathrm{\&Delta;data}& \mathrm{direction}=1\\ {\mathrm{data}}_{k-1}-\mathrm{\&Delta;data}& \mathrm{direction}=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

式(5)中，k为电流控制的采样序号，k∈(1,2...)，data_k初始值为0，当data_k>Data_ref时，direction＝0；当data_k<-Data_ref时，direction＝1。

脉宽调制环节的开关频率为10000Hz～20000Hz。过低的开关频率可能导致比例阀中电流因脉宽调制控制而自然形成的振颤电流与设定的振颤电流相互耦合；过高的开关频率导致功率电路开关损耗大。开关频率为10000Hz～20000Hz，脉宽调制的控制方法而引起的电流脉动较小，可以忽略不计，因而，比例阀中的振颤电流频率和幅值完全由数字振荡器控制。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.高开关频率的数字化比例阀控制器，其特征在于，包括微处理器、通讯端口、驱动电路、功率放大电路、用于检测比例阀位置信息的位置检测电路和用于检测通过比例阀电磁线圈L1电流的电流检测电路，通讯端口与微处理器双向通讯连接，位置检测电路和电流检测电路分别与微处理器的模数转换接口的输入端连接；微处理器通过驱动电路连接功率放大电路，功率放大电路的输出端与比例阀电磁线圈电连接；

微处理器通过通讯端口接收位置给定信号和电流给定信号；驱动电路接收微处理器输出的脉宽调制信号，控制功率放大电路，实现比例阀的位置控制或者比例阀电磁线圈L1的电流控制。

2.根据权利要求1所述的高开关频率的数字化比例阀控制器，其特征在于，所述微处理器包括：

位置控制器：用于实现比例阀位置控制，与位置检测电路形成比例阀位置控制闭环控制系统；

选择开关：输入端分别连接位置控制器的输出端和通讯端口的电流给定信号输出端，用于设定比例阀控制器采用位置闭环及电流闭环控制或仅采用电流闭环控制；

数字振荡器：与选择开关的输出端通过加法器连接，用于产生频率和幅值可调的振颤电流；

电流限制环节：输入端与加法器的输出端连接，输出端通过减法器与电流检测电路的输出端连接，用于限制比例阀控制器输出的最大电流；

电流控制器：输入端与减法器的输出端连接，用于控制通过比例阀电磁线圈L1的电流，与电流检测电路形成比例阀电流控制闭环控制系统；

脉宽调制环节：与电流控制器的输出端连接，用于产生控制脉冲信号；

参数配置模块；输入端与通讯端口连接，输出端分别与位置控制器、选择开关、数字振荡器、电流限制环节和电流控制器连接，用于参数配置。

3.根据权利要求1所述的高开关频率的数字化比例阀控制器，其特征在于，所述功率放大电路包括MOS管Q1和三极管Q2，所述驱动电路包括用于驱动MOS管Q1的驱动电阻R1、驱动电阻R2和用于驱动三极管Q2的驱动电阻R3、驱动电阻R4；

微处理器的脉宽调制环节输出端串联驱动电阻R3后与三极管Q2的基极连接，串联驱动电阻R4后与三极管Q2的射极连接，三极管Q2的射极还通过导线接地，三极管Q2的源极串联驱动电阻R2后与MOS管Q1的栅极连接；MOS管Q1的栅极与源极之间串联有驱动电阻R1，MOS管Q1的漏极串联比例阀电磁线圈L1后与电流检测电路连接。

4.根据权利要求1所述的高开关频率的数字化比例阀控制器，其特征在于，所述比例阀电磁线圈L1的两端还并联有续流二极管V1。

5.根据权利要求1所述的高开关频率的数字化比例阀控制器，其特征在于，所述电流检测电路包括运算放大器Y1B、采样电阻R7、电阻R5、电阻R6和电阻R8；

电阻R5与电阻R6通过电节点A电连接，采样电阻R7与电阻R5通过电节点B电连接，电阻R8与采样电阻R7通过电节点C电连接，电节点A与运算放大器Y1B的同相输入端电连接，电节点B与比例阀电磁线圈L1电连接，电节点C接地，同时电节点C通过电阻R8与运算放大器Y1B的反相输入端电连接；运算放大器Y1B的反相输入端与输出端之间还连接有滤波电路，所述滤波电路由并联连接的滤波电容C1和滤波电阻R9组成；

采样电阻R7为电流采样电阻，阻值取0.05Ω<R7<0.5Ω，R5、R6、R7、R8、R9的阻值选取满足式(1)：

${\mathrm{feed}}_i=\frac{R_6(R_8+R_9)}{R_8(R_5+R_6)}\&times;i\&times;R_7---\left(1\right)$

即当比例阀电磁线圈L1中电流i＝比例阀控制器最大电流I_max时，feed_i＝3.3V。

6.根据权利要求1所述的高开关频率的数字化比例阀控制器，其特征在于，所述通讯端口为CAN总线或异步串口。

7.根据权利要求1所述的高开关频率的数字化比例阀控制器，其特征在于，所述微处理器、通讯端口、驱动电路、功率放大电路、位置检测电路和电流检测电路设置于同一印刷电路板上，并通过所述印刷电路板连接。