蔡勝年， 王玉川， 龐寶麟

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110142)

基于電流跟蹤控制法的比例電磁閥驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

蔡勝年， 王玉川， 龐寶麟

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110142)

在分析電流跟蹤控制器參數(shù)變化對比例電磁閥流量滯環(huán)影響的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種簡單、可靠的比例電磁閥驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng).以比例電磁閥驅(qū)動(dòng)電流脈動(dòng)量作為控制目標(biāo)，通過改變電流跟蹤控制器的滯環(huán)寬度來精確地控制比例電磁閥的流量滯環(huán).以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心器件設(shè)計(jì)了比例電磁閥電流跟蹤PWM控制系統(tǒng)，并通過比對實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該控制算法應(yīng)用在比例電磁閥流量控制上的實(shí)用性.實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)具有控制精度高、價(jià)格低廉、操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn).

電流跟蹤； 比例電磁閥； 脈動(dòng)量； 脈沖調(diào)制

比例電磁閥[1]閥芯的靜摩擦力是引起流量(壓力)滯環(huán)的主要原因之一，脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)電壓作用在比例電磁閥線圈時(shí)將使驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生脈動(dòng)量，驅(qū)動(dòng)電流的脈動(dòng)量能夠使比例電磁閥的移動(dòng)鐵芯產(chǎn)生相應(yīng)的顫振效果，使移動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)時(shí)的靜摩擦變成動(dòng)摩擦，從而減小流量滯環(huán).比例電磁閥的開環(huán)PWM控制系統(tǒng)雖然能夠產(chǎn)生顫振效果，但是對顫振量的大小不能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，系統(tǒng)的控制精度低，抗干擾性能差，控制性能不能滿足系統(tǒng)要求.由電流、流量(或壓力)構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，雖然可以獲得較好的控制效果，但是需要增設(shè)流量傳感器構(gòu)成流量反饋環(huán)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故障率增加,成本高.本文采用電流跟蹤PWM單閉環(huán)控制方法，以滯環(huán)比較器的環(huán)寬作為主要控制參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和流量，優(yōu)化計(jì)算比例電磁閥驅(qū)動(dòng)電流脈動(dòng)量[2]所要求的滯環(huán)寬度，從而有效地控制流量滯環(huán)寬度，提高系統(tǒng)的動(dòng)、靜控制性能.本文設(shè)計(jì)的比例電磁閥電流跟蹤單閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠提高驅(qū)動(dòng)電流控制精度，而且具有操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、流量(壓力)滯環(huán)量小(滯環(huán)寬度可以控制在5 %以內(nèi))等優(yōu)點(diǎn).

1 比例電磁閥電流跟蹤控制

比例電磁閥的驅(qū)動(dòng)電流波形和PWM電壓波形如圖2所示.在比例電磁閥的電流跟蹤PWM控制系統(tǒng)中，給定電流為直流電流信號，滯環(huán)控制器的環(huán)寬根據(jù)比例電磁閥的入口、出口壓差Δp及流量Q及滯環(huán)控制函數(shù)f(Δp,Q)確定最優(yōu)滯環(huán)寬度，滯環(huán)控制函數(shù)是基于比例電磁閥在各工況下的實(shí)測數(shù)據(jù)建立的，事前經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算后，確定f(Δp,Q)，并存入單片機(jī)中.

圖1 電流滯環(huán)跟蹤控制原理圖

圖2 比例電磁閥線圈理想的電壓電流波形

2 電流跟蹤PWM控制系統(tǒng)

2.1 比例電磁閥基本控制方程

當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，電壓平衡方程：

(1)

當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，電壓平衡方程：

(2)

式中：U—直流電源電壓[V]；Ron(IGBT)—IGBT的電阻[Ω]；Ron(VT)—二極管的電阻[Ω].在公式(1)、(2)中，Ron(IGBT)和Ron(VT)相對于與R相比，可忽略不計(jì).

比例電磁閥的移動(dòng)鐵芯在運(yùn)動(dòng)過程中的受力過程比較復(fù)雜.在線圈電流i建立的磁場中，由經(jīng)典虛位移法，得電磁力計(jì)算公式：

(3)

當(dāng)比例電磁鐵在線性工作區(qū)時(shí)，具有良好的驅(qū)動(dòng)電流-電磁力特性關(guān)系，其數(shù)學(xué)模型可近似為如下線性表達(dá)式：

Fm=Ki·i

(4)

式中：Ki—比例電磁閥的電流增益；i—驅(qū)動(dòng)電流[A]；Fm—電磁鐵線圈在銜鐵上的作用力[N].

當(dāng)線圈電流產(chǎn)生如圖2所示的脈動(dòng)ΔI時(shí)，電磁力的變化量為：

ΔFm=Ki·ΔI

(5)

在比例電磁閥中流量方程主要與壓力P及閥口截流面積Av、流量系數(shù)Cq、流體密度ρ等因素有關(guān)，具體公式為：

(6)

電磁閥工作過程中的流體運(yùn)動(dòng)方程：

(7)

閥芯上升的運(yùn)動(dòng)方程：

(8)

閥芯下降的運(yùn)動(dòng)方程：

(9)

式中：m—?jiǎng)予F芯質(zhì)量[kg]；Fm—電磁力[N]；Fp—液壓力[N]；Fw—穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力[N]；f—摩擦力[N]；Fy—彈簧預(yù)緊力[N]；c—阻尼系數(shù)[N/(m·s-1)]；k—彈簧剛度[N/m]；x—彈簧位移[m](動(dòng)鐵芯位移).

由公式(4)、(5)可知隨著線圈電流的脈動(dòng)，電磁力也隨之脈動(dòng)，移動(dòng)鐵芯受力發(fā)生變化，從而使位移產(chǎn)生ΔS大小的顫振量.這個(gè)顫振量的大小對比例電磁閥流量(壓力)滯環(huán)產(chǎn)生較大的影響.由此，可以通過控制驅(qū)動(dòng)電流的脈動(dòng)量ΔI的大小來控制移動(dòng)鐵芯位移ΔS，從而得到不同的控制效果.

PWM控制能夠使移動(dòng)鐵芯產(chǎn)生位移顫振，顫振量的大小直接影響比例閥流量滯環(huán)特性，采用電流跟蹤控制方法，可以將驅(qū)動(dòng)電流脈動(dòng)量ΔI作為被控參數(shù)，通過改變滯環(huán)控制器的環(huán)寬h(即優(yōu)化計(jì)算得到的f(Δp,Q))，可以有效地控制驅(qū)動(dòng)電流脈動(dòng)量ΔI的大小，實(shí)現(xiàn)對移動(dòng)鐵芯位移顫振量ΔS精確控制，將輸出流量的滯環(huán)寬度控制在最小范圍內(nèi).

2.2 控制參數(shù)的設(shè)計(jì)

求解電壓方程可得驅(qū)動(dòng)電流脈動(dòng)量ΔI的公式如下[4]：

(10)

式中：D—占空比(D=ton/T)[%]；U—輸出電壓[V]；R—比例電磁閥的線圈電阻[Ω]；T—PWM驅(qū)動(dòng)電壓的開關(guān)周期[s]；τ—比例電磁閥時(shí)間常數(shù).

比例閥的驅(qū)動(dòng)電流脈動(dòng)量呈指數(shù)上升或指數(shù)下降的形式，如圖2所示，由于τ=L/R，比例閥的時(shí)間常數(shù)近似為定值，在不考慮功率器件內(nèi)阻及電路結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，同一個(gè)比例電磁閥驅(qū)動(dòng)電流脈動(dòng)量的上升、下降的斜率也是近似相同的.當(dāng)比例電磁閥的壓力、流量確定后，滯環(huán)控制器的環(huán)寬就確定了，作為被控對象的驅(qū)動(dòng)電流脈動(dòng)量的大小也就確定了，而PWM驅(qū)動(dòng)電壓的驅(qū)動(dòng)頻率f和占空比D由滯環(huán)比較器的環(huán)寬來自動(dòng)確定.

對實(shí)測值與建模得到的計(jì)算值的適合性進(jìn)行檢驗(yàn)，采用最大誤差emax及公式(11)、(12)計(jì)算估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差s及平均相對誤差絕對值emape.估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差值越小，表明實(shí)際值越緊靠估計(jì)值，得到結(jié)果越好；而平均相對誤差絕對值可以作為綜合度量所建模型對樣本觀測值的指標(biāo)，它的取值越小，所建立的模型越準(zhǔn)確.本文只考慮比例電磁閥主要工作區(qū)間的平均相對誤差絕對值.

(11)

(12)

2.3 電流跟蹤PWM控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

電流滯環(huán)跟蹤控制的控制精度高，響應(yīng)快，且易于實(shí)現(xiàn)[5].傳統(tǒng)的電流跟蹤系統(tǒng)大都采用硬件電路控制，對硬件電路和開關(guān)器件的開關(guān)頻率都有一定的要求，且成本較高.本文設(shè)計(jì)的電流跟蹤系統(tǒng)如圖3所示.

圖3 電流跟蹤系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，利用整數(shù)式滯環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)電流跟蹤控制，通過設(shè)置PCAPWM控制寄存器產(chǎn)生PWM波，對比例電磁閥驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行電流跟蹤控制.控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示.

由單片機(jī)輸出頻率、占空比可調(diào)的PWM信號，通過光耦的光電隔離之后，與驅(qū)動(dòng)電路相連，控制MOS管的導(dǎo)通、關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)比例電磁閥的電流跟蹤PWM控制[6].采用單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路結(jié)合的硬件電路可靠性好，性能高，成本低.

圖4 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件主要包括主程序和中斷程序兩部分.主程序首先是初始化，然后進(jìn)入系統(tǒng)主循環(huán)，完成電流跟蹤計(jì)算及PWM控制，并不斷刷新指示狀態(tài)、調(diào)用顯示和按鍵掃描子程序，并進(jìn)行報(bào)警識別(是否需要報(bào)警，若需要報(bào)警則調(diào)用報(bào)警及保護(hù)程序).在A/D中斷程序中完成驅(qū)動(dòng)電流采樣和濾波,見圖5.

圖5 主程序流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中所用比例電磁閥參數(shù)如表1所示，控制器參數(shù)如表2所示.

表1 比例電磁閥參數(shù)

表2 控制器參數(shù)

通過改變滯環(huán)控制器環(huán)寬h控制驅(qū)動(dòng)電流脈動(dòng)量的大小，測取流量滯環(huán)曲線，并與在直流電流驅(qū)動(dòng)、單閉環(huán)PI電壓驅(qū)動(dòng)進(jìn)行比對，在上述條件下的比對結(jié)果分別如圖6和圖7所示.

圖6 三種控制方式的滯環(huán)曲線

圖7 三種控制方式的滯環(huán)量

滯環(huán)比較：由圖6和圖7可以看出，比例電磁閥電流跟蹤PWM控制系統(tǒng)的流量滯環(huán)量(<5 %)明顯小于直流電流驅(qū)動(dòng)和單閉環(huán)PI電壓驅(qū)動(dòng)的流量滯環(huán)量，滯環(huán)量與平均滯環(huán)量均得到明顯減少.

線性度比較：電流跟蹤PWM控制系統(tǒng)流量滯環(huán)的線性度明顯優(yōu)于單閉環(huán)PI電壓驅(qū)動(dòng)流量滯環(huán)的線性度.

4 結(jié) 論

在不同的壓力和流量及流量滯環(huán)情況下，為了保證在不同壓力、不同流量下均能實(shí)現(xiàn)流量滯環(huán)最小，需要根據(jù)壓力和流量調(diào)整比較器的滯環(huán)寬度，以實(shí)現(xiàn)電流脈動(dòng)量的最優(yōu)控制效果.本文提出了一種把電流滯環(huán)跟蹤應(yīng)用在比例電磁閥PWM控制系統(tǒng)的新算法，這種算法能夠有效地減小比例電磁閥流量(壓力)滯環(huán)，明顯改善死區(qū)現(xiàn)象.通過實(shí)驗(yàn)證明，這種方法能夠提高流量滯環(huán)的線性度，死區(qū)情況有所改善，系統(tǒng)的魯棒性更強(qiáng).

[1] 吳勇，楊喜晶，劉廣治，等.伺服閥控非對稱缸的壓力躍變分析與仿真[J].液壓氣動(dòng)與密封,2011，31(7):30-33.

[2] CAI S N,YING Z,PANG B L,et al.Research on the Relationship between Drive Current Pulsating Quantity of Proportional Solenoid Valve and Flow Hysteresis[DB/OL](2012-12-08)[2015-07-03]http://ieeexplore. ieee.org/document/ 64289791.

[3] 王偉超,王銀河.基于反卷積計(jì)算的 BLDCM電流跟蹤控制器設(shè)計(jì)[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,27(4):81-84.

[4] 朱玉田,唐興華.脈寬調(diào)制中的顫振算法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009,45(4):214-218.

[5] 武迪,趙繼敏,蔣鵬.基于電流跟蹤型PWM技術(shù)的數(shù)字式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)[J].電工技術(shù)，2009(8):66-68.

[6] 陳斌,楊安平.電液比例閥控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012,31(7):82-84.

Abstract: In this paper,a simple and reliable proportional solenoid valve drive control system is designed,which is based on the analysis of the influence of the change of the current tracking controller parameters on proportional solenoid valve flow hysteresis.The current fluctuation of proportional solenoid valve is used as the control target,and the flow hysteresis width of the proportional solenoid valve can be controlled accurately by changing the current hysteresis width of the tracking controller.The proportional solenoid valve current tracking PWM control system was designed using STC12C5A60S2 microcontroller as the core component.The practicability of this control algorithm in the application of the proportional electromagnetic valve flow control was verified through the comparison of experiment.The experimental results showed that the control system has high precision,low price,simple operation,stable operation characteristics.

Keywords: current tracking; proportional electromagnetic valve; pulsating quantity; pulse modulation

TheDriveControlSystemofProportionalSolenoidValveBasedontheCurrentTrackingControlMethod

CAI Sheng-nian， WANG Yu-chuan， PANG Bao-lin

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.03.016

TP271

A

2015-07-14

蔡勝年(1957-),男，江西樂平人，教授，博士，主要從事電磁技術(shù)應(yīng)用方面的研究.

2095-2198(2017)03-0273-05