液压系统伺服比例阀数字控制技术研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 20 1 5-t lF ．3 103期 d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 0 9 液压 系统伺服 比例 阀数字控制技术研究 须 民健 ， 李文锋， 廖 强， - -j 燕 招商局 重庆交通科研设计 院有限公司， 重庆4 0 0 0 6 7 摘 要 介绍了液压系统 中伺服 比例阀的功能及特性 ， 对几种常用的比例阀数字控制芯片进行了分析和对比， 采用了基于A R M内核 L P C 1 l 1 2 处理器和T L E 7 2 4 2 控制芯片的硬件设计方案， 进行了电路设计及驱动软件设计， 完成对比例电磁铁的数字控制和精密控制 ， 进一步提高了液压系统的智能化程度。 关键词 液压系统； 比例阀； 数字控制； T L E 7 2 4 2 ； 比例电磁铁 中图分类号 T H1 3 7 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 3 0 0 3 2 0 3 Re s e a r c h o f Pr o p o r t i o na l Va l v e s Di g i t a l l y Co n t r o l T e c h no l o g y f o r Hy d r a ul i c S y s t e m XUMi n - j i a n , L I W e n - f e n g , L I A O Q i a n g , x 1 Y a h C h i n a Me r c h a n t s C h o n g q i n g C o mmu n i c a t i o n s R e s e r c h D e s i g n I n s t i t u t e C o ． ， L t d ． ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 6 7 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t r o d u c e t h e f u n c t i o n s a n d f e a t u r e s o f s e r v o p r o p o r t i o n a l v a l v e f o r h y d r a u l i c s y s t e m ， a n a l y z e d a n d c o mp e d f o r s e v e r a l c o mmo n d i g i t a l c o n t r o l c h i p o f p r o p o r t i o n a l v a l v e ， u s i n g t h e LP C1 1 1 2 ARM c o r e b a s e d p r o c e s s o r a n d T LE 7 2 4 2， ma k e t h e d e s i g n o f h a r d wa r e c i r c u i t a n d c o n d u c t d r i v e r s o f t wa r e ， t o c o mp l e t e d i g i t a l c o n t r o l a n d p r e c i s e c o n t r o l o f t h e p r o p o rti o n a l s o l e n o i d ， a n d f u r t h e r i mp r o v e t h e i n t e l l i g e n c e o f t he h yd r a ul i c s ys t e m ． Ke y wo r d s h y dra u l i c s y s t e m ； p r o p o rti o n a l v a l v e ； d i g i t a l c o n tr o l ； T LE 7 2 4 2 ； p r o p o rti o n e l e c tro - ma gn e t O 引言 在采用伺服 比例控制的液压 系统中 ， 力值 的精确 控制是衡 量系统性能最重要 的技术指标 ， 控制 的基本 原理是通 过调节伺服 比例 阀线圈电流控制 阀芯开 口 ， 以达到流量及压力 的控制 。而对伺服 比例 阀线圈电流 的控制 ， 目前有模拟控制和数字控制两种方式 。模拟 控制 以V ／ I 转换电路 、 运算放大 电路 、 功率放大电路 、 可 调电位器为主组成控制放大器 ， 控制比例阀比例电磁铁 线圈电流和衔铁推力 的大小 ， 从 而改变其 阀 口大小- - 。 由于模拟器件 自身固有的缺点 ， 如元件温漂大、 分散性 大、 对外围阻容元件参数依赖性大等， 使得模拟控制的 功能较为单一 、 控制参数难 以灵活调整和量化处理 ， 此 外， 模拟控制器与计算机之间无法实时通信， 不能实现 力 值的闭环控 制 ， 严重影响 了设备 的 自动化与智能化 的水平 。所 以 ， 本文介绍 了一种伺 服 比例 阀的数字控 制技术 ， 采用微型处理器与 比例阀控 制芯片实现 比例 电磁铁线圈电流的数字控制与精密控制 ， 具有 响应快 、 控制灵活、 集成度高、 稳定性好、 易于扩展应用等特点。 1 比例阀特性与控制芯片选择 1 ． 1比例 阀特性 比例阀是液压控制系统中关键控制部件之一 ， 其 收稿 E t 期 2 0 1 4 1 2 0 8 作者简介 须民健 1 9 8 4 一 ， 男 ， 重庆人， 工程师， 硕士 ， 研究方向 智能工 程机械设备 、 智能交通 。 3 2 电一 机械转换装置采用 比例电磁铁 ， 它把来 自比例控制 放大器的电流信号转换成力或位移。其工作原理是将 两端的等效电压转换成正比的电流信号， 进而产生与 电流成正 比例 的阀心位移 1 。比例 阀的特性及工作可 靠性 ， 对电液比例控制系统和组件具有十分重要的影 响， 比例电磁铁产生的推力大， 结构简单 ， 对油质要求 不高， 维护方便， 成本低廉 。为研究需要， 本文采用德 国 H a v e 公司的 P wV P型 比例 阀进行研究与实验 ， 压力 控制范 围为 07 0 0 b a r ， 与电气控制相关的主要技术参 数 如表 1 表 1比例阀电气参数表 由于比例阀线圈磁铁的磁滞特性和运动 的摩擦 ， 会导致 比例阀的稳态特性存在滞环现象 ， 影响阀的动 态响应性能， 减小滞环的有效方法是在比例阀电流信 号中叠加一定频率的颤振信号， 给电磁铁一个间断的 脉冲电流 ， 使阀芯一直处 于非常小的运动状态 ， 可防止 阀芯卡死。颤振频率一般取值为 6 0～1 5 0 Hz ， 颤振幅值 不宜太大 ， 过大易引起输 出电流及负载特性 的变化 ， 一 般取 值 为冷 态 电流 的 3 0 ％。当额 定 电压 为 2 4 V时 ， P WV P型比例阀实际的控制电流范围为 0 ． 1 0 ． 6 3 A， 其 Hvd r a ul i c s P ne u ma t i c s S e al s ／ No． 03 ． 201 5 0～0 ． 1 A为 比例阀最低压力工作 区， 即比例阀控制 电流 值 在 0 ． 1 0 ． 6 3 A范 围时 ， 压力值 与电流值呈近似线 性 关系 。 1 ． 2 控制芯片选择 根据 比例 阀的特性 ， 其控制 的关键参 数为线圈额 定电流 、 颤振频率及颤振信号 ， 即比例 阀控制器的正常 运行需要连续可调而稳定 的电流信号及 固定的颤振频 率 和颤振 信 号 。根据 需求 ， 英 飞凌 公 司相继 推 出 了 T L E 7 2 4 1 、 T L E 7 2 4 2 等专用控制芯片。作为汽车电子级 I C芯片 ， 具有很好 的抗干扰性 和较大 的电压裕度 。内 部集成了恒流控制单元、 P WM调制控制、 颤振信号发 生单元 、 S P I 总线控制单元 、 P I 调节和外部 电流采样等 功能 ， 可实现外部 比例 电磁铁 的驱动控制 。在减少 了 外围模拟器件的同时， 提高了整个 系统的数字化水平。 由表 2 可 知 ， T L E 7 2 4 1 E及 T L E 8 2 4 5 3 S A的最 大控 制 电流及 采样 电阻 固定 ， 其 内部 集成 了MO S F E T驱动 电路 ， 用户可直接连接外部 电磁铁进行操作 ， 但采样 电 阻值直接决定 了电流控制精度 ， 如 T L E 7 2 4 1 E对 于0 ． 2 4 欧姆的采用 电阻 ， 其控制精度为 1 ． 5 m A ／ b i t ， 所 以对于控 制精度 、 最大控制 电流值及操作 电压范 围满足应用要 求 的情 况下 ， 可选用前述两种芯片。在本设计中 ， 由于 采用2 4 V比例阀， 控制精度要求满足小于0 ． 5 m A ／ b i t ， 所 以采用 T L E 7 2 4 2 2 G作为控制芯片 ， 通过外接 MO S F E T 及采样 电阻的方式 ， 实现对电磁铁的高精度控制。 表 2 几 种常用控制芯 片参 数一览表 T LE7 2 41 E 2 1 ． 2 5 ． 51 8 0 ． 2 4 41 1 0 0 0 0 1 ．2 T L E 7 2 4 2 2 G 4 可调 5 ． 54 O 可配置可配置 可配置 T L E 8 2 4 2 - 2 G 8 可调 5 ． 54 O 可配置可配 置 可配置 T L E 8 2 4 5 3 S A 3 1 ． 5 5 ．54 O O ． 2 5 可配 置 O 一 1 ．5 2 比例阀驱动接 口设计 比例阀驱动及控制系统结构示意图如图 1 所示 。 图 1比例阀控制系统结构图 图 1 所 示 以 A RM处 理 器 构 建 的 控 制 系 统 中 ， L P C 1 1 1 2通 过 S P I 接 口实 现 与 T L E 7 2 4 2通 讯 控 制 ， T L E 7 2 4 2 通过功率模块驱动 比例 电磁铁工作 。 L P C 1 1 1 2 是基 于AR M C o a e x M0 的 3 2 位微 型处理 器 ， 提供高性能 、 低功率 、 简单指令集和 内存 寻址 ， 与现 有 8 位／ 1 6位 架构 相 比 ， 代 码 尺 寸更 小 。L P C 1 1 1 2的 C P U工作频率最高可达 5 0 M H z ， 内部包括 1 6 k B的闪 存 、 4 k B的数 据存储 器 、 I c总线 接 口、 R S - 4 8 5 ／ 2 3 2 接 口、 S S P ／ S P I 接 口、 通用计数／ 定时器 、 1 0 位 A D C以及最 多 2 2 个通用 I ／ O引脚 。TI L E 7 2 4 2 有4 个完整 的独立 的 比例 电磁铁驱动通道 ， 芯片 内部集 成了数据寄存器组 模块 、 P WM模块 、 颤振信 号发生器模块 、 A ／ D模块 、 P I 调节模块 、 S P I 总线模块 ， 实现可编程的控制电流输 出 和颤振信号信号叠加输出。 所 以通过本 L P C 1 1 1 2 T L E 7 2 4 2 便可构建一个完整 的比例阀伺服控制 系统 ， 实现 比例 阀控制的数字化 、 小 型化与智能化 。其控制系统及驱动电路如图2 所示 。 如图2 所示 ， 当采样 电阻值为 0 ． 5 欧姆时 ， 输出电流 的范围为 0 ～6 4 0 mA， 且输 出电流与二进制值呈 比例关 系 ， 其 比例 系数 为 0 ． 3 1 2 5 mA ／ b i t ， 即最 小 控 制 电流 为 0 ． 3 1 2 5 mA， 满足系统高精度 的要求 。当需要更 大的 电 流输出范围时， 可调整采用电阻R s e n s o r 图2 中R 1 值 阻值 ， 其关系满足式 1 最大电流值 瓦3 2 0 图 2中， 控制器可通过 R S 2 3 2 接 口与 P c机及 其他 控制设备实时通信。在控制器 内部 ， 微处理器通过 S P I 接 口与 T L E 7 2 4 2 G进行通信 ， 实现控 制命令 、 寄存 器状 态等数字信息的接收与发送。S P I 总线系统接口使用3 线制 串行时钟线 S C K 1 、 主人 ／从出数据线 MI S O 和主 出 ／从人数据线 MO S I [ ， 故可以大大地简化硬件 电路 设计及获取串行外围设备接 口。 T L E 7 2 4 2 是从机型器件 ， 主控制器需要通过 3 2 位 的 S P I 接 口发送指定数据的帧结构来实现控制功能㈦ 。 由于 L P C 1 l l 2中 内 置 l 6位 高 速 S P I 接 口 ， 不 满 足 T L E 7 2 4 2 的3 2 位 S P I 接 口要求 ， 所以在本设计中采用 C P U普通 I ／ O口模 拟 3 2 位 S P I 接 口协议 的方式实现 S P I 通信 ， 由于T L E 7 2 4 2 在收到命令字 时， 总是要发送一帧 诊断信息， 所以C P U访问T L E 7 2 4 2 内部寄存器时， 应连 续发送 2 帧相 同的S P I 命令字。 3 驱动软件设计 比例电磁铁的驱动程序使用 C 语言进行底层软件 开发， 其整体流程如图3 所示。 控制 系统上 电后 ， 首先对 L P C 1 1 1 2和 T L E 7 2 4 2 两 个芯片进行初始化 ， 其 中L P C1 l 1 2 包括芯片 内部寄存 器、 时钟、 中断、 串行通信接 口、 模拟S P I 接口和普通I ／ 0 口等 的初始化 工作 ； T L E 7 2 4 2 主要是对 内部寄存 器进 33 液 压 气 动 与 密 d - ／20 1 5年 第 03期 R 丌 R lN 8 Ⅵ I ，N 1 l0 7 立 j 3 1 2 B 丁 2 O U T 可 _ o ＼ 。 R I K 1N 5822 曼 卜 朴 一 卜 _ l常 R l Jr R lIN 一o T】 T lO U r I5 JI } I 8 -O C 2 一 GND l u 昌 o o山 Z Z 0 0z 2O 荔 2 i l i l C 2 V ． T - - --O L C l一 Ⅵ L ／ C l l{V C C ∞ 0 l u F M AX 3 2 3 2 E S ； [ V 一 C 3 3 I R l 如￡ 蓖l l l 一 [ 二 二 二 }_ 一 IK 、 5 ． n f堂 高 ≈ l 焉 0 l u F ,5 0 V r r ， IK 一 一 、 、 拜 b E f、 c ∞ ， r∞ R 匕 D Ⅵ 牛_ _亡圆 cl9 ～t I 0 ． 1 F 4 l P l 1 8 ， Ml , O0 ／ ．T 1 6 B 0 M AT 0 P H 0 撇’ I J 3 P l o0 9 ， M s l 0 C T 1 6 B 0 M ATl P l 0 S E “ l 6 B0 G～ P O 4 S 、 v f l K， P l o o } K岍I 6 B O M A1 P r O0 l ， CU “X丌 1 2 l j 0 M A ． T 喃I 主 。 5 R，Pl0o 1 I，A∞c132B。MAT3 REsE1 00 0 6 PlO0 DA VSS 7 PloO 6SCKO VDI3V3 8 R，Plo J讲AD J硼 2Bl CApO XT_ALIN 9 R，Plol 1 2Bl MATo xTAL0UT R，Pl01 AD3gCT32Bl MAT1 PlOl 7FfXD∞ 28O MATl 1 SWD 0，PIo1 3AD4KT3嬲l MA Plol酗王∞，C132Bo M 图 2 控制 系统 驱动电路图 行初始化， 除电流设置寄存器外， 其他寄存器仅需上电 时初始化一次 ， 在运行过程 中不需要进行操作 。由于 Ha v e 公 司的P WV P 型 比例阀工作在线性 区前需要一定 的初始 电流 ， 所 以在初始化完成后 ， 应使 T L E 7 2 4 2 输出 l O O mA的 电流值 ， 使 其 比例 阀处于线性 工作状态 ， 对 S P I Me s s a g e 3 寄存 器 即电流设 置与颤振 幅值设 置寄 存器 写入相应数字量 ， 即可改变输出电流值 ， 实现对 比 例阀电流的精确控制及整个液压系统压力的精确控制。 P C l 1 l 2 启动初始I I I L E 7 2 4 2 G内部寄 化及I ／ 0l___l 初始化I l 存器初始化 没置比例阀襁始 流值 图 3 驱动 程序流 程图 4 总结 由于采用 了数字化设 计 ， 控制器可实 时获取 比例 3 4 阀运行状态 ， 并可与其他控制设备和远程控制设备进 行信息交互 ， 便于系统的集成应用。随着移动通信网 络不断发展 ， 物联网与工程机械设备的结合将更加紧 密 ， 这就要求位于工地现场 的机械设备具有高的数字 化和智能化程度 ， 以满足工程机械实现智能化识别 、 定 位 、 跟踪、 监控和管理以及远程设备故障诊断等要求 ， 实现异地 、 远程 、 动态 、 全天候 的“ 物物相连 、 人人相连 、 物人相联” 。 参考文献 【 1 】 刘国平， 夏五星， 齐大伟． 电液比例阀独立颤振的叠加方法研 究[ J ] ．机床与液压， 2 0 1 4 ， 5 4 9 5 1 ． 【 2 】 周东杰， 肖昌炎， 彭楚武． 基于T L E 7 2 4 2 G数字式比例阀驱动 设计【 J 】 ．计算机系统应用， 2 0 0 9 ， 1 7 6 - 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