翁寅生

(中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西 西安710077)

電磁閥是一種將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電磁元件，被廣泛應(yīng)用到液壓控制系統(tǒng)中。如何很好地控制電磁閥是一個(gè)很重要的課題。當(dāng)前電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)主要采用三極管或功率MOSFET。為了保證電路的可靠性，外圍電路通常需要設(shè)計(jì)隔離和輔助保護(hù)電路。此方法的最大弊端是：如果需要進(jìn)行電磁閥故障檢測(cè)，則需要設(shè)計(jì)專門的自診斷回路，這無疑增加了成本，而MOSFET易壞的特性容易造成電路可靠性降低。基于此，本文采用ST公司基于ARM內(nèi)核的STM32F103系列控制專用集成驅(qū)動(dòng)芯片L9352B[1]來控制和監(jiān)測(cè)電磁閥，其優(yōu)點(diǎn)是：具有驅(qū)動(dòng)與監(jiān)測(cè)功能，成本低，可靠性高。

1 常見電磁閥的控制方法分析

常見的電磁閥可以分為開關(guān)型和比例型，開關(guān)型與比例型在控制方式上有所不同。

目前常見的電磁閥控制方法有如下幾種：

（1）由二極管、三極管集成電路或達(dá)林頓三極管控制的電路，其典型的電路有：

[2]為代表的電路全部由分立元件如：施密特觸發(fā)器、電阻、電容、三極管、繼電器等構(gòu)成的模擬電路。其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但由于其無法像數(shù)字電路那樣進(jìn)行準(zhǔn)確控制，只能控制而無法檢測(cè)電磁閥故障，這種電路當(dāng)前使用較少。

②參考文獻(xiàn)[3]為代表的電路，其泵和馬達(dá)的電磁閥都是采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作為主控制器再加達(dá)林頓三極管進(jìn)行控制。目前采用DSP、單片機(jī)或CPLD/FPGA等作為主控制器，通過PWM或數(shù)字輸入輸出接口控制電磁閥的方法也很常見。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是：能對(duì)大功率的電磁閥準(zhǔn)確控制；缺點(diǎn)是：如果需要檢測(cè)電磁閥的故障需要額外增加電路而且需要占用主控制器的AD資源。

（2）由MOSFET控制的典型電路可見參考文獻(xiàn)[4]為代表的電路，控制方法與（1）類似，區(qū)別在于 MOSFET管是電壓器件而三極管是電流器件，在控制方式上有區(qū)別。

（3）在工程機(jī)械領(lǐng)域，普遍采用專用控制器，專用控制器可以直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，詳見參考文獻(xiàn)[5]。這種方法雖然性能可靠、控制簡(jiǎn)單，但價(jià)格昂貴。

可見上述3種方法都不具備成本合理、電路簡(jiǎn)單、性能可靠并且具有檢測(cè)功能的要求。本文介紹的電磁閥控制電路框圖如圖1所示，以ARM為核心，通過磁隔離芯片實(shí)現(xiàn)主控芯片與專用驅(qū)動(dòng)芯片L9352B的隔離，ARM輸出的PWM或者數(shù)字輸出信號(hào)經(jīng)過隔離后控制L9352B，從而控制電磁閥；電磁閥的狀態(tài)通過L9352B輸出再經(jīng)隔離后輸入ARM，從而系統(tǒng)能實(shí)時(shí)了解電磁閥的狀態(tài)。

圖1 電磁閥控制電路框圖

2 電磁閥控制電路設(shè)計(jì)

開關(guān)型和比例型電磁閥都可采用集成驅(qū)動(dòng)芯片L9352B控制。

2.1 集成驅(qū)動(dòng)芯片L9352B的特性

L9352B是ST公司專門為感性負(fù)載（如電磁鐵、電磁閥）控制而設(shè)計(jì)的芯片，它將分立元件的驅(qū)動(dòng)和監(jiān)測(cè)功能集成在一個(gè)芯片中，可以控制2路比例電磁鐵和2路開關(guān)電磁鐵，允許對(duì)感性負(fù)載進(jìn)行調(diào)節(jié)。其主要特征是：輸出斜坡控制，短路保護(hù)，過溫關(guān)閉功能可選，開路負(fù)載監(jiān)測(cè)，掉電監(jiān)測(cè)，外部時(shí)鐘可控，再循環(huán)控制，調(diào)節(jié)器漂移監(jiān)測(cè)，調(diào)節(jié)器誤差控制，調(diào)節(jié)器校正電流 5 mA，狀態(tài)監(jiān)測(cè)，靜電監(jiān)測(cè)。每個(gè)通道各由一狀態(tài)輸出端口來監(jiān)測(cè)，各通道的推挽狀態(tài)輸出具有故障診斷功能。

2.2 電磁閥控制電路設(shè)計(jì)

主控ARM芯片STM32F103ZET6是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的ARM 32 bit CortexTM-M3內(nèi)核帶512 KB閃存的增強(qiáng)型微控制器，其工作頻率最高可達(dá)72 MHz，單周期乘法和硬件除法，具有 USB、CAN、11個(gè)定時(shí)器、3個(gè)DAC和13個(gè)通信接口，非常合適作控制應(yīng)用。電磁閥控制電路原理圖如圖2所示。

圖2中，STM32F103在控制L9352B時(shí)不能直接相連，因?yàn)镾TM32F103為3.3 V供電，L9352B為5 V供電，兩者間需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。四通道數(shù)字隔離器ADUM1402工作電壓可兼容3.3 V和5 V系統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，而且還可將輸入和輸出隔離，以避免驅(qū)動(dòng)電路對(duì)主控芯片產(chǎn)生影響。使能端VE1和VE2都接高電平，通道A和B的數(shù)據(jù)從ARM傳給L9352B用于ARM發(fā)出控制信號(hào)，通道C和D的數(shù)據(jù)從L9352B傳給ARM用于L9352B讀取狀態(tài)。

每片L9352B通道1和2驅(qū)動(dòng)開關(guān)電磁閥，通道3和4驅(qū)動(dòng)比例電磁閥。所有輸入引腳高電平有效，內(nèi)部由帶滯回特性的施密特觸發(fā)器構(gòu)成。其供電電壓VS通常接5 V或12 V，VCC和VDD都接5 V電源。電磁閥接到功率輸出通道Q端和PGND端，狀態(tài)輸出引腳ST狀態(tài)電壓范圍為-0.3 V～6 V。IN1和IN2端輸入開關(guān)量控制信號(hào)能控制2路開關(guān)電磁閥工作，Q1和Q2最大驅(qū)動(dòng)能力為2.5 A；IN3和IN4端輸入PWM控制信號(hào)時(shí)能方便控制2路比例電磁閥工作，Q3和Q4最大驅(qū)動(dòng)能力為5 A。EN為該芯片的使能端，ARM輸出的V_EN信號(hào)經(jīng)隔離后輸入到EN端，可控制L9352B是否工作。TEST引腳為漂移檢測(cè)使能輸入。外部時(shí)鐘U15經(jīng)過12 bit計(jì)數(shù)器74HC4040分頻后輸入到L9352B的CLK時(shí)鐘輸入引腳，J12跳線組可以選擇計(jì)數(shù)器分頻系數(shù)。ST1～ST4引腳保存電磁閥的故障狀態(tài)，經(jīng)過隔離后輸入給ARM以處理故障。

3 電磁閥控制電路測(cè)試分析

ARM根據(jù)輸入和輸出引腳的電平并結(jié)合STx電平可以確定電磁閥出現(xiàn)的是什么類型的故障，電磁閥驅(qū)動(dòng)故障診斷表如表1所示。

在實(shí)際電路測(cè)試中，各通道在開關(guān)狀態(tài)中均可以檢測(cè)負(fù)載是否開路。在關(guān)狀態(tài)時(shí)，負(fù)載開路檢測(cè)輸出引腳電壓低于0.33倍 VS，則 error寄存器被置位并延長(zhǎng)一定時(shí)間，當(dāng)EN為高且處于灌電流階段時(shí)輸出被拉低至地；當(dāng)EN為低時(shí)，如果負(fù)載開路則輸出浮空。當(dāng)為開狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流由非可調(diào)通道監(jiān)視，若它降低至指定閾值IQU時(shí)，則負(fù)載開路即被檢測(cè)到并且 error寄存器被置位，可調(diào)通道通過電流調(diào)節(jié)器故障檢測(cè)即可檢測(cè)到負(fù)載開路。若輸出PWM達(dá)到90%、且時(shí)間超過tRE，則沒有負(fù)載連接時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電阻率太高或電源電壓太低。當(dāng)頻率低于fCLK，min時(shí)，會(huì)檢測(cè)出丟失時(shí)鐘故障。當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤和功率輸出關(guān)閉時(shí)，狀態(tài)輸出將被置位，直到時(shí)鐘信號(hào)再次出現(xiàn)前狀態(tài)信號(hào)一直保留在它們的寄存器中。在VCC上電期間，時(shí)鐘故障僅會(huì)被可調(diào)節(jié)通道檢測(cè)到。在正常操作條件下狀態(tài)根據(jù)輸入信號(hào)變化，如果有錯(cuò)誤被檢測(cè)出來則狀態(tài)會(huì)改變。當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，EN拉低，可將感性負(fù)載的過壓箝位到52 V并將內(nèi)部下拉電流源關(guān)閉從而將負(fù)載開路，但開路比較器仍有效。通過改變2 kHz PWM占空比可改變通道3和通道4目標(biāo)電磁閥電流，其輸入PWM與輸出電流對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示，PWM輸出頻率和電流呈線性關(guān)系。PWM高電平時(shí)間由1 MHz時(shí)鐘測(cè)量，并與外部250 kHz始終同步。

表1 電磁閥驅(qū)動(dòng)故障診斷表

采用ARM及L9352B的電路在實(shí)際工程應(yīng)用中能實(shí)現(xiàn)比例電磁閥和開關(guān)電磁閥的驅(qū)動(dòng)控制和故障監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好。該電路具有可靠性高、成本低、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、故障監(jiān)測(cè)功能多的優(yōu)點(diǎn)，特別適合電磁閥數(shù)量多且有故障診斷的場(chǎng)合，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]L9352B datasheet:http://www.st.com.1980.

[2]段志軍，李長(zhǎng)莉，崔立輝，等.高空作業(yè)車比例電磁閥控制電路板的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國修船，2010，12(6)：20-23.

[3]翁寅生.基于DSP的履帶式攤鋪機(jī)行駛控制系統(tǒng)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2007：27-30.

[4]張奇，張科勛，李建秋，等.電控柴油機(jī)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]，2005，4(2)：1-4.

[5]張平均.路面破碎機(jī)電液比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2009(1)：75-77.