基于PWM控制的电液比例阀控制系统的设计

　　0　引言

　　电液比例阀控制系统广泛应用于机械加工、冶金等行业,传统的控制方式多数采用PID控制技术,虽然该方式具有简单、可靠、参数整定方便等优点,但由于液压系统受温度、负载等参数变化的影响较大,在控制性能要求高的场合往往不能满足要求。针对上述问题,本文采用PWM调节器改善电液比例阀控制系统的控制质量,使系统能实现所要求的目标。

　　1　PWM控制介绍

　　PWM控制系统是非线性、非连续控制系统,其控制原理:先给被控参数设定一个期望值,接着该参数与测得的实际值经比较环节得出误差信号,误差信号再与一个三角波信号经比较器进行比较,当误差信号大于三角波信号时,就输出脉冲,反之不输出,因此,比较器输出一系列等振幅不等宽的矩形波,其脉冲宽度与误差信号成线性关系。根据该原理,采用PWM控制器输出的脉冲去触发开关,开关再去触发执行机构,执行机构按脉冲宽度的时间动作,从而达到自动控制参数的目的。

　　图1中,PWM控制器的输出[1]u(t)为

　　式中:M为PWM波的幅值;T为PWM的脉冲周期;Tk为PWM波的采样时间,k=0,1,2,3,…;b为比例系数。

　　2　电液比例阀控制电路设计

　　基于PWM控制的电液比例阀控制系统的设计主要是电液比例阀控制电路的设计,其电路框图如图2所示。

　　(1)单片机设计

　　该系统采用的是美国Cygnal公司生产的C8051F010单片机[2]。C8051F010是集成在1块芯片上的混合信号系统级单片机,该芯片上有1个10位多通道ADC、1个可编程增益放大器、1个电压基准、2个12位DAC、2个电压比较器、1个具有32 KB的FLASH存储器、与8051兼容的微控制器内核、硬件实现的SMBus/I2C、UART、SPI串行接口及1个可编程计数器/定时器阵列(PCA)。PCA有5个捕捉/比较模块,还有4个通用的16位定时器和4 B的通用数字I/O端口。C8051F010有256 B的RAM,执行速度可达20 MIPS,其供电电压为2.7~3.6 V。

　　(2)电源设计

　　该系统提供24 V直流电源,通过两级稳压分别转换成5 V和3.3 V电压,给控制电路供电。将外部24 V直流电压转换成5 V可以采用常用的三端稳压器LM7805, LT1086可以完成5 V到3.3 V的电压转换。

　　(3)光电隔离

　　为了增强系统的抗干扰能力,在C8051F010的PWM输出端与功率驱动放大电路之间加入高速光电隔离器6N137[3]。

　　(4)功率驱动放大电路[4]

　　PWM控制功率输出级为开关型结构,功耗小。在功率驱动放大电路中需要将PWM输出的电压信号转换为比例电磁铁的电流控制信号,因此,笔者采用了大功率场效应晶体管IRL3803,它能够提供足够大的电流驱动电液比例阀的比例电磁铁等效线圈。