摘 要： 針對傳統(tǒng)的采用PID控制技術(shù)的比例閥控制系統(tǒng)在控制性能要求較高的場合不能滿足要求的問題,，提出一種基于恒流模式控制的比例閥控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，分析了恒流模式的控制原理及其數(shù)學(xué)模型,，詳細介紹了系統(tǒng)控制電路的設(shè)計以及采用STM32F103VET6實現(xiàn)數(shù)據(jù)校正算法,。實際應(yīng)用表明，采用恒流模式對比例閥的壓力和流量進行控制具有價格低廉,、重復(fù)性好,、功耗小、抗干擾能力強等優(yōu)點,。
關(guān)鍵詞： 比例閥,；恒流模式；數(shù)據(jù)校正算法,；STM32F103
0 引言
比例閥控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機械技工,、冶金等行業(yè)，其能根據(jù)指令信號比例控制液壓系統(tǒng)的壓力,、流量,、位置及力矩等控制參數(shù)。它的精確控制是建立在閉環(huán)控制基礎(chǔ)上的,，傳統(tǒng)的控制方式多數(shù)采用PID控制技術(shù),。該方式具有簡單、可靠,、參數(shù)整定方便等優(yōu)點,，但由于液壓系統(tǒng)受溫度、負載等參數(shù)變化的影響較大,，在某些場合實際輸出與期望輸出誤差較大。本文采用的恒流控制方式可以避免這些問題,，輸出不隨負載變化而變化[1],。
1 恒流模式控制介紹
比例閥系統(tǒng)從電子角度可以簡單看作是一個電感串聯(lián)一個電阻以及機械轉(zhuǎn)動裝置，轉(zhuǎn)動角度受比例閥的電流值控制,，眾所周知,，電感充放電時間常數(shù)τ=L/R，充電電流i=Io*[1-e^（-t/τ）],，放電電流i=Io*[e^（-t/τ）],，L是比例閥的感值，R是整個環(huán)路的電阻值,，Io是比例閥的電流,，L無法改變，只能改變充放電時間來達到改變電流的目的,。一個恒流模式的思想是給負載設(shè)定一個電流值,，如果系統(tǒng)檢測到負載電流小于設(shè)定的值,，就會增加充電時間，減少放電時間,，反之,，減少充電時間，增加放電時間[2],。實現(xiàn)這些功能的框圖如圖1所示,。
通過r（t）設(shè)定值和y（t）實際值相減，得到誤差信號,，誤差信號再與一個三角波信號比較器進行比較,，當誤差信號大于三角波信號時，就輸出PWM脈沖,，反之,，不輸出。因此,，脈沖寬度與誤差信號成線性關(guān)系,，從而達到自動控制參數(shù)的目的。圖1中,，PWM控制器的輸出u（t）=m（e（t））=Msgn[（e（t））],，t∈[kT，kT+Tk]T,，t∈（kT+Tk,，kT+T）
式中：M為PWM波的幅值；T為PWM的脈沖周期,。在實際使用中,，可以直接比較設(shè)定值和實際值，比較器后面接一個觸發(fā)器,，實現(xiàn)同樣的功能,，u（t）可以簡化為0和1，方便電路設(shè)計,。
2 比例閥控制電路設(shè)計
基于恒流模式的比例閥控制系統(tǒng)的設(shè)計主要是比例閥控制電路的設(shè)計,，其中閉環(huán)部分是整個電路的核心，尤為重要,，其框圖如圖2所示,。
2.1 主控處理器
主控制器采用意法半導(dǎo)體的32位處理器STM32F103，其內(nèi)部資源很豐富,，本設(shè)計主要用到內(nèi)部定時器,、DAC、串口,、Flash,、GPIO口,，其中DAC用來設(shè)置比例閥的參考電流值，定時器用來設(shè)置最大PWM的占空比,，能夠經(jīng)過閉環(huán)電路自動調(diào)整到需要的脈沖寬度,，串口用來與上位機通信，實現(xiàn)友好的人機交互,，內(nèi)部Flash用來校正電流值,，由于芯片參數(shù)離散性不一樣，故需要在第一次上電的時候校正,，本設(shè)計中將校正值放在內(nèi)部Flash中,，GPIO驅(qū)動指示燈指示電流是否達到設(shè)定值。
2.2 閉環(huán)系統(tǒng)
閉環(huán)系統(tǒng)是決定這個系統(tǒng)能否正常工作的最關(guān)鍵部分,。為了達到最佳的效果,，減少分立元件的噪聲，選用了集成電路,，其中RS觸發(fā)器,、PWM驅(qū)動器、比較器集成在一塊芯片MCP1630V中,，MOS驅(qū)動器用的是電機全橋驅(qū)動芯片L6205,，電流采集采用的INA193，采樣電阻用高精度的100 M?贅電阻,。圖3是三款芯片的連接圖,。
圖3中L6205驅(qū)動芯片里面有8個NMOS，本設(shè)計用到其中4個,，充電是由電源向液壓比例閥充電,，慢放是由MOS管寄生的二極管進行釋放的，如果充電電流比較大,，放電就比較慢,，所以需要一個快放電路，如圖3的快放回路所示,，將電流續(xù)流到電源上，基本原理是：u=l*di/dt,，l是電感值,，u是電感兩端壓降，di/dt是放電速率,，l是固定值,，可以改變的是u，慢放的壓降是0,，理論上永遠放不完,，快放和充電的壓降都是電源電壓,，所以充放電時間一樣[3]。充放電回路如圖4所示,。
讓閉環(huán)系統(tǒng)進入快放模式有兩種方式,，一種是軟件檢測到電流達到某個值，主動開啟快放模式（控制L6205的端口）,，另一種方式是硬件自動開啟,。本設(shè)計用的是異步清零計數(shù)器實現(xiàn)，用計數(shù)器計數(shù)放電PWM脈沖的個數(shù),，達到設(shè)定計數(shù)值之前是慢放模式,，超過設(shè)定計數(shù)值之后打開快放模式，并且計數(shù)器清零,，為下次計數(shù)做準備,。
電流采集用的是TI的INA193芯片，這是一款高精度的電流監(jiān)控芯片,，共模輸入達到80 V,，放大倍數(shù)固定8倍。如果電流為2 A,，則輸出為2×100×8=1 600 mV,，在0~3.3 V范圍之內(nèi)，既可以通過ADC采集電壓,，又可以作為比較器的輸入端,。本設(shè)計是閉環(huán)，所以直接接到比較器的負輸入端,，作為負反饋,。
PWM控制器用的是Microchip公司的MCP1630V，內(nèi)部集成RS觸發(fā)器,、比較器,、PWM驅(qū)動器。RS觸發(fā)器和比較器是用來控制PWM占空比的,，當真實電流值達到設(shè)定電流值時,，比較器的輸出端產(chǎn)生低電平，讓RS觸發(fā)器復(fù)位,，達到設(shè)定占空比的目的,，PWM驅(qū)動器是一個非門，提高PWM的驅(qū)動能力,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本設(shè)計的主要任務(wù)在閉環(huán)部分,，軟件設(shè)計流程如圖5所示：（1）初始化校正數(shù)據(jù)；（2）命令收發(fā),；（3）PWM產(chǎn)生以及DAC輸出,。其中（2）和（3）是操作STM32F103內(nèi)部的串口,、定時器、DAC模塊,，就不多介紹,，主要介紹數(shù)據(jù)校正算法。
本設(shè)計用的是線性插值算法進行數(shù)據(jù)校正,。思路如下：將0~2 000 mA的數(shù)據(jù)分成0~255,，256~511，512~1 023,，1 024~1 279,，1 280~1 535，1 536~1 791,，1 792~2 000,，每段可以看成直線（理論上任意小段都可以看成直線）。
在[x0,，x1]區(qū)間上任意x校驗后的值為y+（x-x0）*B/256+（x1-x）*A/256,，其中y為x對應(yīng)的理論值（未校驗），A和B分別對應(yīng)x0和x1處的校驗值,，根據(jù)這個公式很容易寫出程序,，除以256可以用右移8位代替。
圖6是校驗后的理論和實際的誤差分布圖,。
從圖6測試結(jié)果（0~1 600 mA）看出,，誤差基本在 ±2%以內(nèi)，在電流值較少的時候,，由于相對誤差較大,，導(dǎo)致誤差百分比較大，因為delta=（i2-i1）×100/i1,，i1是理論值,，i2是實際值，delta是誤差百分比,，i1越小,，delta越大，所以這是合理的,。
4 結(jié)束語
本文介紹了恒流模式比例閥控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計以及系統(tǒng)軟件設(shè)計,，從理論分析到模型建立到搭建電路到數(shù)據(jù)校正，每個環(huán)節(jié)都詳細介紹,，最后誤差分布圖表明此系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較高。此系統(tǒng)在汽車油壓的控制,、測量等方面有重要應(yīng)用,。
參考文獻
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