CAN總線型電磁閥控制器設計與運行特性分析

李 順, 王 洋, 臧其亮

(1.江蘇建筑職業技術學院 交通工程學院, 江蘇 徐州 221100; 2.徐州重型機械有限公司, 江蘇 徐州 221000)

引言

工程機械PLC能夠在-40～75 ℃極度惡劣的工作環境下可靠運行并具備IP65的防護等級及至少1路CAN總線接口。目前工程機械PLC控制輸出點數根據不同品牌及型號有所區別,具備電流采集功能的PLC價格相對高昂,尤其是近幾年芯片價格成倍上漲,國產及進口工程機械PLC的整體價格都在呈幾何倍數增長, 對工程機械車輛的電氣成本控制造成了極大的挑戰。隨著工程機械的產業升級, 產品功能也隨之增強,在滿足原有產品功能的基礎上PLC控制點數也隨之增加,在這種環境下,其中一種方案就是對原有PLC進行升級,選用控制點更多、價格更高的PLC,另一種方案在保留原有PLC的基礎上增加電磁閥控制器來實現控制點數的擴展。本研究設計一款電磁閥控制器,能夠滿足在保留原有PLC的基礎上增加對開關量電磁閥、電比例電磁閥、電壓型模擬量電磁閥的控制點數,同時具備電流采集功能,能夠根據電流反饋值實時監測電氣系統的電磁閥工作狀態。該控制器采用CAN總線對電磁閥進行控制及電流采集,其價格低廉、實用性強、安裝方便,長距離安裝過程中只需要一根CAN總線線束就能夠對電磁閥進行有效控制。

翁之旦等[1]提出一種以多功能數據采集卡為硬件控制核心的比例電磁鐵特性測試系統,采用步進電機與滾珠絲杠構成精密進給裝置,并結合基于LabVIEW開發的上位機軟件實現針對電比例電磁閥的自動化測試;毛尾等[2]提出基于模糊PID的電比例控制方法,提高了電磁閥電流的控制精度。結合上述理論成果,本研究采用擴充曲線響應法整定PID參數,設計基于LabVIEW的電磁閥測控系統,實現了比例電磁閥電流的自動化測試,目前工程機械常用電磁閥如圖1所示。

圖1 工程機械用電磁閥分類

1 電磁閥控制器方案設計

電磁閥控制器具備2路CAN總線接口,能夠根據作業環境設置控制器CAN總線波特率及CAN總線ID,工程機械PLC通過CAN總線對電磁閥控制器發送控制指令并采集電磁閥電流信號,電磁閥控制器如圖2所示。

圖2 電磁閥控制器外形及PCB電路

1.1 電磁閥控制器CAN總線網絡構建

PC主機通過CAN總線網絡實現對電磁閥控制器的配置,主要配置功能為CAN總線波特率配置、控制CAN_ID配置、電流反饋CAN_ID配置以及端口功能配置,CAN總線網絡結構如圖3所示,CAN總線配置如圖4所示[3]。

圖3 電磁閥控制器網絡結構圖

圖4 電磁閥控制器CAN總線配置設置

1.2 電磁閥控制器接口設計

工程機械常用電磁閥主要為開關量電磁閥(DO控制)、電比例電磁閥(PWM控制)及電壓型模擬量電磁閥(0～5 V電壓控制)。當端口配置為開關電磁閥控制模式時設置端口1控制指令為1時端口1輸出高電平,設置端口1控制指令為0時端口1輸出低電平;當端口配置為電比例電磁閥控制模式時,設置端口1控制指令為600時,端口1輸出600 mA電流,電比例與開關量輸出共用端口且具備電流采集功能;當端口1配置為電壓輸出模式時設置控制指令為5000,對應端口1輸出電壓為5 V[4],硬件接口如圖5所示。

圖5 電磁閥控制器端口說明

2 電磁閥控制器硬件設計

電磁閥控制器以STM32為控制核心,硬件構成主要包括電源設計、DO/PWM輸出設計、AO設計、CAN總線電路設計,其中CAN總線采用CANopen通訊協議,輸出端口設計指示燈,實現故障、運行狀態的顯示。

2.1 電源硬件設計

供電電源采用直流24 V供電,采用電源轉換芯片實現24～5 V的電壓轉換,同時采用LM1117實現5～3.3 V的電壓轉換,電源輸入線路內置TVS管實現對輸入電源的過壓保護[5],供電轉換硬件原理如圖6所示。

2.2 DO/PWM硬件設計

DO/PWM控制采用BTS5215L芯片實現對開關量電磁閥、電比例電磁閥的控制,單個芯片具備2路控制輸出,根據輸入端DIN1的電平變化實現DO或PWM輸出信號的轉換。當DIN1為3.3 V高電平時輸出OUT1為24 V高電平;當DIN1為0 V低電平時, 輸出OUT1為0 V;當DIN1為頻率信號時,OUT1輸出為DIN1頻率相同的PWM信號,硬件如圖7所示。OUT1輸出線路串聯0.1 Ω高精度電阻,實現對電流信號的采集[6]。

圖7 DO/PWM控制硬件原理圖

2.3 AO硬件設計

STM32只具備2路12位模擬量輸出端口,為了滿足至少8路模擬量的電壓信號輸出,本研究采用SPI通訊實現STM32單片機與MCP4822的數據通訊,該芯片能夠實現0～5 V的可調電壓,電氣原理如圖8所示。

圖8 電壓型模擬量輸出設計

2.4 CAN總線硬件設計

CAN總線收發器采用TJA1042芯片,輸出端口采用電感與TVS管實現輸出端口的過壓保護,電氣原理如圖9所示。

圖9 CAN總線硬件設計

2.5 電流反饋硬件設計

采用電流感應放大器LMP8601實現0.1 Ω高精度電阻的電壓采集,放大倍數為20,STM32單片機模擬量輸入信號電壓范圍為0～3.3 V,該電流反饋設計能夠滿足0～1650 mA范圍內的電流采集,完全滿足工程機械對開關量電磁閥及電比例電磁閥的控制要求[7],電路如圖10所示。

圖10 電流反饋信號采集

3 基于PID的電比例控制策略設計

3.1 電流反饋信號處理

示波器測試0.1 Ω高精度電阻反饋電壓CH2與比例閥控制電壓CH1的關系,如圖11所示,CH1與CH2為頻率相同的PWM信號。為了獲得控制電磁閥的電流平均值,本研究對反饋的電壓信號CH2進行數據處理,從而計算電流反饋的平均值。

圖11 電流反饋與PWM輸出信號采集數據對比

STM32單片機模擬量輸入端口連續采集50組電壓反饋數據并保存在變量x1,x2,…,x50中,對采集的數據進行排序,消除采集數據的最大值及最小值,對剩下的48組數據進行處理,計算電壓反饋算術平均值y,根據電流反饋放大器(放大倍數為20)與比例閥電流放大關系求得電磁閥電流平均值iavg[8],如圖12所示。

圖12 STM32電流反饋處理程序

3.2 PID控制系統設計

1) 比例閥電流與占空比的對應關系

比例閥電阻會因為線圈的溫升而產生變化,隨著電磁閥工作時間延長及電流控制占空比逐漸升高,線圈溫度也逐漸升高,線圈電阻也隨之升高,從而造成工作電流減小,電磁力減小,行程變小,如圖13所示。為了保證比例電磁閥在長時間運行過程中電流穩定在設定值范圍內,本研究采用PID擴充曲線響應法實現對比例電磁閥的電流控制[9]。

圖13 比例閥電流與占空比的對應關系

2) 電比例PID控制原理

電比例控制PID控制原理圖如圖14所示,增量式PID控制算法如下所示[10]：

圖14 PID控制原理圖

(1)

由式(1)可知,增量式PID的輸出量為相鄰兩次采樣時刻的增量Δu(k)。

(2)

u(k)=u(k-1)+Δu(k)

(3)

Δu(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

(4)

式中,Kp—— 比例系數

Ti—— 積分時間常數

Td—— 微分時間常數

(5)

本研究采用擴充曲線響應法整定PID參數T,Kp,Ti,Td。該整定方法法簡單易行,不需要依賴控制對象的數學模型,所以在工程應用上使用較多,控制相應曲線如圖15所示[11],其整定的過程如下：

圖15 控制對象階躍響應曲線

(1) 控制系統工作在一個穩定且可調的工作狀態,測控系統改變電流設定值,即設定控制系統一個階躍的電流信號;

(2) 使用示波器測試電磁閥輸出電壓波形,記錄系統在階躍信號下的響應曲線;

(3) 根據示波器采集的電壓波形,在響應曲線拐點處作切線,得到時間τ、時間常數Tτ及其比值Tτ/τ;

(4) 根據τ和Tτ以及Tτ/τ進行查表1,求得PID控制器的控制參數T,Kp,Ti,Td。通過調節參數τ和Tτ以達到最優的性能,本研究采用的控制參數為控制度1.2,控制規律PID[12]。

表1 擴充響應曲線法整定T和Kp,Ti,TdTab.1 Extended response curve method is used to calibrate T and Kp,Ti,Td

3) 電比例電流控制STM32程序設計與實現

控制系統中DMA數據傳輸、TIM1的觸發功能、AD采集、PWM輸出在STM32處理器程序內部實現,在硬件電路中只需要完成驅動電路和電流反饋電路即可以實現PID控制,控制系統硬件結構如圖16所示[13]。

圖16 控制系統軟件設計結構圖

本研究采用恒定的采樣周期T,當確定了Kp、Ti、Td,STM32程序采集前后3次測量值的偏差,即可由式(4)求出PID的輸出控制值。

由式(3)、式(4)以及控制算法流程圖17可知,單片機程序實現PID控制所需要的控制變量有A,B,C,u(k-1),u(k),r(k),c(k),e(k),e(k-1),e(k-2)。PID控制算法不需要太多的RAM即可實現控制,本研究利用軟件的PID控制算法代替硬件電路的設計,不但簡化了硬件電路,而且通過算法的改進,優化PID控制的性能,提高控制效果[14]。

圖17 控制系統軟件設計結構圖

4 電磁閥控制器測控系統設計與運行特性分析

4.1 電流精度驗證

本研究采用德威創采集設備及測控系統驗證電磁閥控制器的電流精度,測控系統通過PCAN設備實現對比例電磁閥的電流控制及采集,比例閥控制電流驗證結構如圖18所示。測控系統采集的CAN總線電流數據與德威創測試的精確數據進行對比,如圖19所示,電流控制精度誤差在±1%范圍內。

圖18 比例閥控制電流驗證結構

圖19 測控系統與德威創測試電流數據對比

4.2 測控系統設計及電流信號采集

測控系統編輯表格主要包括電流控制時間段、電流起始值、電流最終值,電流編輯主要是在電流控制時間段內電磁閥電流從起始值線性變化為最終值,LabVIEW程序根據編輯表格數據將電流的變化值以10 ms為單位劃分為不同的電流值,并通過CAN總線發送給電磁閥控制器,LabVIEW程序如圖20所示。測控系統流程編輯界面如圖21所示,PWM1電流在0.8 s時間段內電流穩定在0 mA,2.2 s時間段內電流從0 mA線性上升到650 mA并保持1 s時間,之后在2.3 s 時間段內電流從650 mA下降到0 mA,測控系統采集電磁閥控制器電流反饋值如圖22所示[15],由圖22可知電流反饋值延時電流控制值12 ms,電流反饋值在6.3 s時間段內的實時曲線與電流控制設定曲線基本吻合,電流控制精度誤差在±1%以內。

圖20 電流流程編輯功能LabVIEW程序設計

圖21 LabVIEW編輯功能上位機畫面

圖22 CAN控制值與電流反饋值數據對比

5 結論

本研究介紹了基于STM32單片機的電磁閥控制器電氣硬件組成并通過擴充曲線響應PID算法實現了比例電磁閥電流的精確控制。同時設計電磁閥測控系統實現對電磁閥的電流控制及電流采集精度的驗證,實驗結果表明,電流控制精度誤差在±1%,滿足工程機械對電磁閥控制點數的擴展及控制精度的要求。