劉宇剛,蘇 明

(1.貴州師范大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院,貴州 貴陽 550014;2.貴州師范大學(xué) 機(jī)械與控制仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽550014)

高速電磁開關(guān)閥是電液控制系統(tǒng)的新型元件，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的運(yùn)用。但其動(dòng)、靜態(tài)特性容易受材料、結(jié)構(gòu)、工作壓力等因素的影響。對于高速電磁開關(guān)閥的使用者來說，通常從控制角度改善高速電磁開關(guān)閥控制性能的方法是自適應(yīng)雙電壓法，在開啟階段，要使高速電磁開關(guān)閥快速吸合必須使電磁線圈中電流快速上升到吸合要求的電流值，吸合以后只需維持在保持吸合的維持電流值。但由于供油壓力的變化，其需要的吸合電流值和保持電流值不同。如果不改變相應(yīng)的吸合的維持電流值，高速電磁開關(guān)閥的動(dòng)、靜態(tài)特性將會(huì)發(fā)生較大的變化[1]。因此，為適應(yīng)供油口壓力變化，必須提高高速電磁開關(guān)閥控制性能，增大其有效的占空比調(diào)節(jié)范圍，這對于高速電磁開關(guān)閥的應(yīng)用具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 自適應(yīng)雙電壓法對開關(guān)閥控制特性的改善

自適應(yīng)雙電法就是使驅(qū)動(dòng)電壓成為一個(gè)變形的PWM信號(hào)，其波形如圖1所示。在圖1中，Th為高電壓時(shí)間，設(shè)定為定值；Tw為PWM脈沖寬度；T為PWM脈沖周期；τ=Tw/T為 PWM脈沖占空比；V1為高驅(qū)動(dòng)電壓值，決定了電流波形的上升速率；V2為維持驅(qū)動(dòng)電壓值，決定了電流波形下降的起點(diǎn)和速率。如果能夠根據(jù)供油壓力變化，調(diào)整相應(yīng)的電流波形，使其適應(yīng)供油壓力變化，就可以使開關(guān)閥的工作特性基本保持與額定供油壓力時(shí)一致，提高開關(guān)閥的控制特性[2]。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本系統(tǒng)采用以下技術(shù)方案：根據(jù)供油口壓力變化、按照脈寬調(diào)制的方法，利用公式V1′=V1-Af1（P）和V2′=V2-Bf2（P）對高速電磁開關(guān)閥的開啟電壓和維持電壓進(jìn)行調(diào)整，使高速電磁開關(guān)閥的電流特性和位移特性接近理想曲線形狀，使高速電磁開關(guān)閥的空載流量特性和空載壓力特性與額定供油口壓力情況下的空載流量特性和空載壓力特性盡可能保持一致。實(shí)現(xiàn)此方案的技術(shù)路線是采用自適應(yīng)雙電壓法適應(yīng)供油口壓力變化的高速電磁開關(guān)閥，在AMESim中建立仿真模型，設(shè)定fPWM=50 Hz，供油壓力為 5 MPa、15 MPa，對模型進(jìn)行仿真，得到圖2、圖3所示的特性曲線[3]。

圖2為電磁高速開關(guān)閥動(dòng)態(tài)特性。從圖2中可看出采用自適應(yīng)雙電壓法后，電流波形適應(yīng)供油壓力變化，閥芯位移波形趨于一致，動(dòng)態(tài)性能在不同供油壓力時(shí)的一致性明顯改善。

圖3電磁高速開關(guān)閥靜態(tài)特性采用自適應(yīng)雙電壓法后，空載流量特性趨于一致，空載壓力特性趨于一致，靜態(tài)性能在不同供油壓力時(shí)的一致性明顯改善。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用自適應(yīng)雙電壓法的思路,以DSP為核心,設(shè)計(jì)了適應(yīng)供油口壓力變化的高速電磁開關(guān)閥控制系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。本系統(tǒng)包括傳感器和控制器。傳感器有壓力傳感器和角位移傳感器，所轉(zhuǎn)換的信號(hào)通過電壓跟隨器與DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器連接，DSP所輸出的四路PWM信號(hào)依次通過光電隔離器、驅(qū)動(dòng)器與高速電磁開關(guān)閥連接，DSP還設(shè)有編程接口和上位機(jī)接口。該系統(tǒng)能根據(jù)供油口壓力變化情況調(diào)節(jié)數(shù)控電源的電壓值和電子開關(guān)的開斷時(shí)間。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 電壓跟隨器設(shè)計(jì)

傳感器輸出信號(hào)一般為交流雙向信號(hào)，而TMS320LF2407A的A/D只能檢測 0～5 V的單向信號(hào)，故須對傳感器檢測的電流信號(hào)進(jìn)行電壓提升后，通過RC濾波后再進(jìn)入TMS320LF2407A的A/D接口，其電路如圖5所示。

2.2.2 DSP 接口電路設(shè)計(jì)

DSP具體接口電路如圖6所示。

液壓缸的數(shù)字控制是其發(fā)展趨勢，DSP已逐漸成為實(shí)現(xiàn)液壓缸全數(shù)字實(shí)時(shí)控制的最有力的工具。本系統(tǒng)以TMS320LF2407A為主處理器,其本身具有16通道模擬輸入高速10位A/D轉(zhuǎn)換器、多個(gè)功能豐富的通用計(jì)時(shí)器、多路可編程脈寬調(diào)制 (PWM)、多路信號(hào)輸入捕捉（CAP）、事件管理模塊 EVA和 EVB，以及業(yè)界通用的異步串行接口（SCI）、串行（同步）外設(shè)接口（SPI）和 CAN總線接口。本系統(tǒng)充分運(yùn)用了DSP豐富的控制資源和各種通信接口資源。

2.2.3 雙電壓驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的數(shù)控調(diào)壓電路采用線性電源，穩(wěn)壓精度高,輸出紋波電壓也較低。其工作原理是通過DSP輸出的PWM控制信號(hào)(高、低壓調(diào)壓信號(hào))PWM3、PWM4的占空比情況實(shí)現(xiàn)電壓的數(shù)字調(diào)節(jié)，其方法是調(diào)節(jié)三端穩(wěn)壓器LM317調(diào)整端，改變?nèi)朔€(wěn)壓器基準(zhǔn)端電位，從而改變輸出電壓，PWM1、PWM2分別為高壓數(shù)控 PWM控制信號(hào)和開關(guān)閥PWM控制信號(hào)，分別控制兩個(gè)電子開關(guān)Q5、Q6的開斷,利用閉環(huán)調(diào)節(jié)來達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的,實(shí)現(xiàn)雙電壓驅(qū)動(dòng)的數(shù)字精確控制。如圖7所示，D2、DWZ、Rx三個(gè)元件構(gòu)成高速電磁開關(guān)閥的能量釋放回路。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置的油源采用了貴州紅林車用電控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HLYKQ-2油源系統(tǒng)，在實(shí)際工作過程中供油壓力不斷變化，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)適應(yīng)供油壓力變化的軟件，使雙電壓驅(qū)動(dòng)的高電壓值和低電壓值隨供油壓力變化。在試驗(yàn)中調(diào)整參數(shù)，設(shè)定PWM=50 Hz，得到在不同供油壓力時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，如圖8所示。通過比較發(fā)現(xiàn)，供油口壓力變化和高速電磁開關(guān)閥的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)基本保持不變[2]。

3.2 系統(tǒng)測試結(jié)論

設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的主程序、工作周期定時(shí)中斷采樣程序、PWM處理中斷程序及串口中斷程序，運(yùn)用Protel99se制作PCB板，并進(jìn)行相應(yīng)的硬件和軟件調(diào)試，通過DSP給定高速電磁開關(guān)閥控制系統(tǒng)的4個(gè)PWM信號(hào)，選擇工作頻率，采集傳感器數(shù)據(jù)，得到輸出波形如圖9所示。

從圖中可得出,該波形的高電壓和低電壓連續(xù)可調(diào)，滿足設(shè)計(jì)要求。

本文以 DSP（TMS320LF2407A）為控制系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)、可靠、高效的信號(hào)處理與控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)中的復(fù)雜的控制算法，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和控制精度。提出了提高高速電磁開關(guān)閥性能的自適應(yīng)雙電壓法，設(shè)計(jì)了適應(yīng)供油口壓力變化的高速電磁開關(guān)閥控制系統(tǒng)，通過高速電磁開關(guān)閥的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)結(jié)果和系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果驗(yàn)證了本系統(tǒng)對于提高高速電磁開關(guān)閥控缸控制性能有明顯作用，所設(shè)計(jì)的適應(yīng)供油口壓力變化的高速電磁開關(guān)閥控制系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)控制。

[1]蘇明,陳倫軍.基于AMESim的高速電磁開關(guān)閥動(dòng)靜態(tài)特性研究[J].液壓與氣動(dòng),2010（2）：68-72.

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