CN205318156U - 一种气体流量的比例阀可控电流源驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种气体流量的比例阀可控电流源驱动系统，第一级采用数模转换器产生模拟控制信号，第二级采用负反馈放大器产生恒流源，第三级通过恒流源驱动比例阀输出固定气体流量，第四级采用流量传感器和模数转换器组成的气体流量采集电路，采集比例阀输出气体的实际流量值并馈送到主控器，经PID数字算法及时调整数字信号值，进而调整恒流源值，最终使得气体流量实际值与气体流量设定值相同。本实用新型的有益效果是通过负反馈形成精密恒流源驱动比例阀输出固定的气体流量，再经气体流量采集电路将采集到的气体实际流量值送到主控器，主控器把实际流量值与设定流量值比较，经PID数字算法及时调整数字输出信号值来稳定输出气体流量，输出的气体流量具有精度可调，调整速度快等优点。

Description

一种气体流量的比例阀可控电流源驱动系统

技术领域

本实用新型涉及气体流量控制领域，尤其是涉及一种气体流量的比例阀驱动系统。

背景技术

气体流量的控制通常是利用调节比例阀两端的电压值来控制输出的气体流量，但是一般情况下，比例阀的驱动电流较大，于是电源电压稳定性变差，因而比例阀两端的电压受电源电压的波动影响较大，最终输出气体流量的精度受到供电电源稳定性的限制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，为了提高输出气体流量的精度，提供一种气体流量的比例阀可控电流源驱动系统。

为达到上述实用新型目的，提供一种气体流量的比例阀可控电流源驱动系统，包括四级电路结构，

第一级为模拟信号电路，主控器U₄通过第一连接器J₁连接数模转换器U₁产生模拟控制信号；

第二级为恒流源电路，采用负反馈放大电路产生恒流源，第一级输出的模拟信号输送到第二级电路输出数控恒流源；

第三级为输出电路，包括比例阀U₅，第二级输出的恒定电流驱动比例阀输出固定气体流量；

第四级为气体流量采集电路，由流量传感器U₆和模数转换器U₃组成，采集第三级比例阀实际输出的气体的流量，并将采集到的流量信号反馈给主控器U₄，主控器U₄将实际输出流量与预设流量进行比较，进而调整数字信号值输出来调整恒流源值。

优选的，所述的第一级中，主控器U₄以SPI接口形式通过第一连接器J₁和数模转换器U₁输出模拟信号到第二级；

所述的第二级中，由第一集成运算放大器U_2A、场效应功率管Q₁及第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第九电容C₉、第十二电容C₁₂和第十三电容C₁₃组成，其中第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃及场效应管Q₁组成负反馈支路；

所述的第三级中，第三连接器J₃连接比例阀U₅，场效应功率管Q₁输出恒定电流驱动比例阀输出固定气体流量；

所述的第四级中，第四连接器J₄连接流量传感器U₆，流量传感器U₆输出信号经模数转换器U₃以SPI接口形式通过第一连接器J₁馈送到主控器U₄。

优选的，所述的数模转换器U₁为12位数模转换器。

优选的，所述的模数转换器U₃为12位模数转换器。

本实用新型的气体流量的比例阀可控电流源驱动系统，采用数字信号控制产生精密电流源来驱动比例阀输出气体固定流量值。第一级输入端采用12位数模转换器产生模拟控制信号，第二级采用集成运算放大器和场效应功率管为主要元件组成的负反馈放大器产生恒流源，第三级采用恒流源驱动比例阀输出固定气体流量，第四级采用流量传感器和12位模数转换器组成的气体流量采集电路，采集比例阀输出气体的实际流量值并馈送到主控器，主控器将气体流量的实际值与设定值进行比较，经PID数字算法及时调整数字信号值，进而调整恒流源值，最终使气体流量实际值与气体流量设定值相同。

所述比例阀驱动电路采用数控恒流源结构。

如果仪器设备中含有多路气体流量控制，其每路气体流量控制部分均采用类似比例阀可控电流源驱动系统。

本实用新型的有益效果是通过负反馈形成精密恒流源驱动比例阀输出固定的气体流量，再经气体流量采集电路将采集到的气体实际流量值馈送到主控器，主控器把流量实际值与设定值进行比较，经PID数字算法及时调整数字输出信号来稳定输出气体流量，输出的气体流量具有精度可调，调整速度快等优点。

附图说明

图1为背景技术中传统的气体流量的比例阀电压源驱动部分结构示意图；

图2为一种气体流量的比例阀可控电流源驱动系统结构示意图；

图3为PID控制系统原理结构示意图；

图4为气体流量的比例阀可控电流源驱动系统的PCB线路板顶层结构示意图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本实用新型做进一步说明。

根据图2至图4所示的气体流量的比例阀可控电流源驱动系统，包括四级电路结构，第一级为模拟信号电路，主控器U₄通过连接数模转换器U₁产生模拟控制信号；第二级为恒流源电路，采用负反馈放大电路产生恒流源，第一级输出的模拟信号输送到第二级电路输出数控恒流源；第三级为输出电路，包括比例阀U₅，第二级输出的恒流源驱动比例阀U₅输出固定气体流量；第四级为气体流量采集电路，由流量传感器U₆和模数转换器U₃组成，采集第三级比例阀U₅实际输出的气体的流量，并将采集到的流量信号反馈给主控器U₄，主控器U₄将实际输出流量与预设流量进行比较，进而调整数字输出信号值来调整恒流源值。

比例阀驱动电路采用数控恒流源结构，第一级采用12位数模转换器U₁产生模拟控制信号，第二级采用集成运算放大器和场效应功率管为主要元件组成的负反馈放大器产生恒流源，第三级采用恒流源驱动比例阀U₅输出固定气体流量，第四级采用流量传感器U₆和12位模数转换器U₃组成的气体流量采集电路，采集比例阀输出气体的实际流量值并馈送到主控器U₄，主控器U₄将气体流量的实际值与设定值进行比较，经PID数字算法及时调整数字信号值，进而调整恒流源值，最终使得气体流量实际值与设定值相同。

参见图2，本部分为气体流量的比例阀可控电流源驱动电路，电路原理分析如下：

在第一级(输入端)，主控器U₄以SPI接口形式通过第一连接器J₁和数模转换器U₁输出模拟信号U_DA送到恒流源电路。

下面分析一下如何实现恒流源：

在第二级，第一集成放大器U_2A、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄及场效应管Q₁(NMOS:30N02)组成恒流源，第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃及场效应管Q₁组成负反馈支路，以稳定恒流源，恒流源电流I_constant＝U_DA/R₂(U_DA为数模转换器的输出模拟电压)，其中第二电阻R₂选精密电阻，由于U_DA的大小受主控器控制，所以电流I_constant为数控恒流源。

在第三级，第三连接器J₃外接比例阀U₅，数控稳恒电流I_constant通过NMOS管Q₁为比例阀U₅供电。第一二极管D₁的作用是为比例阀U₅提供续流通路,当场效应管Q₁由导通转变到截止时，由于比例阀中的初始电流I_initial≠0,且比例阀内部为线圈结构，线圈含有电感成分，而电感中的电流不能突变，I_initial可通过第一二极管D₁泄放掉，以免比例阀两端由于自感而产生瞬时高压与电源电压一起同向叠加施加在NMOS管Q₁上，可以避免Q₁被击穿。

在第四级，第四连接器J₄外接流量传感器U₆，流量传感器U₆输出信号U_AIRFLOW(即气体流量的实际值)经12位模数转换器U₃(ADC121S051)以SPI接口形式通过第一连接器J₁馈送到主控器U₄，主控器U₄将气体流量的实际值与气体流量的设定值比较后，经PID数字算法及时调整数字信号值，进而调整恒流源值，最终使得气体流量实际值与气体流量设定值(通过气体流量标定得到气体流量设定值)相同。下面分析一下数字PID算法：

PID控制系统原理框图参见图3，其中r(t)为设定值，y(t)为实际输出值，e(t)＝r(t)-y(t)。在连续时间域中，PID控制器算法的表达式如下：

$u_t=k_p\[e\left(t\right)+\frac{1}{T}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)+T_d\frac{de\left(t\right)}{dt}\]---\left(1.1\right)$

式中：K_p为比例系数；T_i为积分时间常数；T_d为微分时间常数。数字控制系统中作如下近似变换：

t≈kT(k＝0,1,2,…)(1.2)

${\∫}_0^{t}e\left(t\right)\≈T\underset{j=0}{\overset{k}{\Σ}}e\left(jT\right)=T\underset{j=0}{\overset{k}{\Σ}}e\left(j\right)--\left(1.3\right)$

$\frac{de\left(t\right)}{dt}\≈\frac{e\left(kT\right)-e\left(\right(k-1\left)T\right)}{T}=\frac{e\left(k\right)-e\left(\right(k-1\left)t\right)}{T}---\left(1.4\right)$

为书写方便，将e(kT)简化e(k)，即省去T。于是可得离散的PID表达式:

$u\left(k\right)=k_{p}e\left(k\right)+k_i\underset{j=0}{\overset{k}{\Σ}}e\left(j\right)T+k_d\frac{e\left(k\right)-e(k-1)}{T}---\left(1.5\right)$

式中：k_p为比例系数；k_i为积分系数，k_i＝k_p/T_i；k_d为微分系数，k_d＝k_pT_d；

u(k)为第k次采样时刻控制器的输出值；e(k)为第k次采样时刻输入控制系统的偏差值；e(k-1)为第(k-1)次采样时刻输入控制系统的偏差值；T为采样周期。(1.5)式为位置型PID算法。

根据递推原理及加减运算可得：

Δu(k)＝(k_p+k_i+k_d)e(k)-(k_p+2k_d)e(k-1)+k_de(k-2)(1.6)

式(1.6)为增量式PID控制算法，实际控制量或

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)通过执行软件来完成。

上面所述的气体流量的比例阀可控电流源驱动系统的PCB线路板顶层结构示意图如图4所示。

以上已对本实用新型创造的较佳实施例进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述的实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型创造精神的前提下还可以作出种种的等同的变型或替换，这些等同变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种气体流量的比例阀可控电流源驱动系统，其特征在于，包括四级电路结构，

第一级为模拟信号电路，主控器U₄通过第一连接器J₁连接数模转换器U₁产生模拟控制信号；

第二级为恒流源电路，采用负反馈放大电路产生恒流源，第一级输出的模拟信号输送到第二级电路输出数控恒流源；

第三级为输出电路，包括比例阀U₅，第二级输出的恒定电流驱动比例阀输出固定气体流量；

第四级为气体流量采集电路，由流量传感器U₆和模数转换器U₃组成，采集第三级比例阀实际输出的气体的流量，并将采集到的流量信号反馈给主控器U₄，主控器U₄将实际输出流量与预设流量进行比较，进而调整数字信号值输出来调整恒流源值。

2.根据权利要求1所述的气体流量的比例阀可控电流源驱动系统，其特征在于，

所述的第一级中，主控器U₄以SPI接口形式通过第一连接器J₁和数模转换器U₁输出模拟信号到第二级；

所述的第二级中，由第一集成运算放大器U_2A、场效应功率管Q₁及第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第九电容C₉、第十二电容C₁₂和第十三电容C₁₃组成，其中第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃及场效应管Q₁组成负反馈支路；

所述的第三级中，第三连接器J₃连接比例阀U₅，场效应功率管Q₁输出恒定电流驱动比例阀输出固定气体流量；

所述的第四级中，第四连接器J₄连接流量传感器U₆，流量传感器U₆输出信号经模数转换器U₃以SPI接口形式通过第一连接器J₁馈送到主控器U₄。

3.根据权利要求1或2所述的气体流量的比例阀可控电流源驱动系统，其特征在于，所述的数模转换器U₁为12位数模转换器。

4.根据权利要求1或2所述的气体流量的比例阀可控电流源驱动系统，其特征在于，所述的模数转换器U₃为12位模数转换器。