適應供油口壓力變化的開關閥控制系統設計*

劉宇剛,蘇 明

(1.貴州師范大學 機械與電氣工程學院,貴州 貴陽 550014;2.貴州師范大學 機械與控制仿真重點實驗室,貴州 貴陽550014)

高速電磁開關閥是電液控制系統的新型元件，在計算機控制系統中得到了越來越廣泛的運用。但其動、靜態特性容易受材料、結構、工作壓力等因素的影響。對于高速電磁開關閥的使用者來說，通常從控制角度改善高速電磁開關閥控制性能的方法是自適應雙電壓法，在開啟階段，要使高速電磁開關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。如果不改變相應的吸合的維持電流值，高速電磁開關閥的動、靜態特性將會發生較大的變化[1]。因此，為適應供油口壓力變化，必須提高高速電磁開關閥控制性能，增大其有效的占空比調節范圍，這對于高速電磁開關閥的應用具有重要的實用價值。

1 自適應雙電壓法對開關閥控制特性的改善

自適應雙電法就是使驅動電壓成為一個變形的PWM信號，其波形如圖1所示。在圖1中，Th為高電壓時間，設定為定值；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為高驅動電壓值，決定了電流波形的上升速率；V2為維持驅動電壓值，決定了電流波形下降的起點和速率。如果能夠根據供油壓力變化，調整相應的電流波形，使其適應供油壓力變化，就可以使開關閥的工作特性基本保持與額定供油壓力時一致，提高開關閥的控制特性[2]。

為了實現上述目標，本系統采用以下技術方案：根據供油口壓力變化、按照脈寬調制的方法，利用公式V1′=V1-Af1（P）和V2′=V2-Bf2（P）對高速電磁開關閥的開啟電壓和維持電壓進行調整，使高速電磁開關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。實現此方案的技術路線是采用自適應雙電壓法適應供油口壓力變化的高速電磁開關閥，在AMESim中建立仿真模型，設定fPWM=50 Hz，供油壓力為 5 MPa、15 MPa，對模型進行仿真，得到圖2、圖3所示的特性曲線[3]。

圖2為電磁高速開關閥動態特性。從圖2中可看出采用自適應雙電壓法后，電流波形適應供油壓力變化，閥芯位移波形趨于一致，動態性能在不同供油壓力時的一致性明顯改善。

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

2 控制系統設計

本文采用自適應雙電壓法的思路,以DSP為核心,設計了適應供油口壓力變化的高速電磁開關閥控制系統。

2.1 系統構成

控制系統框圖如圖4所示。本系統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，所轉換的信號通過電壓跟隨器與DSP內部的A/D轉換器連接，DSP所輸出的四路PWM信號依次通過光電隔離器、驅動器與高速電磁開關閥連接，DSP還設有編程接口和上位機接口。該系統能根據供油口壓力變化情況調節數控電源的電壓值和電子開關的開斷時間。

2.2 硬件電路設計

2.2.1 電壓跟隨器設計

傳感器輸出信號一般為交流雙向信號，而TMS320LF2407A的A/D只能檢測 0～5 V的單向信號，故須對傳感器檢測的電流信號進行電壓提升后，通過RC濾波后再進入TMS320LF2407A的A/D接口，其電路如圖5所示。

2.2.2 DSP 接口電路設計

DSP具體接口電路如圖6所示。

液壓缸的數字控制是其發展趨勢，DSP已逐漸成為實現液壓缸全數字實時控制的最有力的工具。本系統以TMS320LF2407A為主處理器,其本身具有16通道模擬輸入高速10位A/D轉換器、多個功能豐富的通用計時器、多路可編程脈寬調制 (PWM)、多路信號輸入捕捉（CAP）、事件管理模塊 EVA和 EVB，以及業界通用的異步串行接口（SCI）、串行（同步）外設接口（SPI）和 CAN總線接口。本系統充分運用了DSP豐富的控制資源和各種通信接口資源。

2.2.3 雙電壓驅動電路設計

本系統中的數控調壓電路采用線性電源，穩壓精度高,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(高、低壓調壓信號)PWM3、PWM4的占空比情況實現電壓的數字調節，其方法是調節三端穩壓器LM317調整端，改變三端穩壓器基準端電位，從而改變輸出電壓，PWM1、PWM2分別為高壓數控 PWM控制信號和開關閥PWM控制信號，分別控制兩個電子開關Q5、Q6的開斷,利用閉環調節來達到穩定輸出電壓的目的,實現雙電壓驅動的數字精確控制。如圖7所示，D2、DWZ、Rx三個元件構成高速電磁開關閥的能量釋放回路。

3 實驗驗證

3.1 動態系統實驗

實驗裝置的油源采用了貴州紅林車用電控技術有限公司生產的HLYKQ-2油源系統，在實際工作過程中供油壓力不斷變化，本系統設計適應供油壓力變化的軟件，使雙電壓驅動的高電壓值和低電壓值隨供油壓力變化。在試驗中調整參數，設定PWM=50 Hz，得到在不同供油壓力時的動態特性，如圖8所示。通過比較發現，供油口壓力變化和高速電磁開關閥的動態特性指標基本保持不變[2]。

3.2 系統測試結論

設計本系統的主程序、工作周期定時中斷采樣程序、PWM處理中斷程序及串口中斷程序，運用Protel99se制作PCB板，并進行相應的硬件和軟件調試，通過DSP給定高速電磁開關閥控制系統的4個PWM信號，選擇工作頻率，采集傳感器數據，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可調，滿足設計要求。

本文以 DSP（TMS320LF2407A）為控制系統核心，實現了先進、可靠、高效的信號處理與控制平臺，實現了控制系統中的復雜的控制算法，提高了系統的實時性和控制精度。提出了提高高速電磁開關閥性能的自適應雙電壓法，設計了適應供油口壓力變化的高速電磁開關閥控制系統，通過高速電磁開關閥的動態特性試驗結果和系統調試結果驗證了本系統對于提高高速電磁開關閥控缸控制性能有明顯作用，所設計的適應供油口壓力變化的高速電磁開關閥控制系統能有效實現控制。

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

[2]蘇明.高速電磁開關閥控制特性及方法研究[D].貴陽：貴州大學，2010.

[3]孔曉武.高速開關閥動態性能試驗裝置及其應用研究[J].機電工程，2005，22（8）：38-40.

[4]陳維龍，王輝.高速電磁閥的驅動方法探討[J].中國機電工業，2001（22）：56-57.