基于ARM的数字式比例多路阀控制器设计.pdf

精密制造与自动化 2017年第2期 35 基于 ARM 的数字式比例多路阀控制器设计 黄柳儒1 任德均1 陈 崑1 欧 彬1 李金泽2（1.四川大学 制造科学与工程学院 成都 610065；2.泸州众大科技液压件有限公司 泸州 646003）摘 要 根据工程机械中对“手动、自动”一体控制、远程控制、环保节能的需求，在多路阀原有手动控制的基础上，增加了以高速开关电磁阀为先导阀的数字式控制，设计出一种基于 ARM-Cortex-M3 内核的控制器，可以根据需求实现手动控制、自动控制、远程控制的切换。该控制器采用闭环控制，以 PID 调节结果确定输出 PWM 信号周期的个数和占空比，PWM 信号驱动高速电磁阀实现对多路阀阀芯的快速精准控制，同时实现对液压系统流量和执行机构的速度控制，减少多路阀功耗，达到环保节能的效果。关键词 高速电磁阀 多路阀 ARM PWM PID 随着工程机械及其它各类液压机械对高效、精准、节能、低碳、环保要求的日益提高，原开关式二通阀结构的多路换向阀在高压小流量工况下或行程到位后压力骤升使溢流阀开启，高压油液通过溢流口返回油箱，既损耗功率，又加热油液，使整个液压系统品质恶化。因此负荷敏感多路阀作为节能型液压控制技术已逐步成为大中型工程机械的首选，并有全面推广之势。国内 95%以上的组合式负荷敏感多路阀均采用德国 Rexroth、美国 Husco、Danfoss、荷兰 Amca 等国外著名液压厂商产品，因国内各类液压机械规格品种繁多要求各异，且国外产品价格居高，供货周期长，且负荷敏感多路阀维护难度大，因此在推广应用上遇到较大困难。基于高速开关电磁阀作为先导控制的数字式多路阀，具备易于实现远程化、无人化操纵、结构简单、操作维护容易、抗污染能力强、节能环保等优点，将弥补电液比例阀响应速度慢、控制精度低、维护成本高等缺陷。本文结合模糊自适应整定 PID算法和 PWM 信号驱动高速开关电磁阀1，设计出一种基于 ARM-Cortex-M3 内核的数字式多路阀控制器。1 1 基于高速电磁阀先导控制原理基于高速电磁阀先导控制原理 基于高速开关电磁阀的先导控制系统原理简图如图 1 所示。在二通阀结构多路换向阀基础上添加基于高速电磁阀的先导控制，多路换向阀将被改进成为数字式比例多路换向阀2，如图 2 所示。控制器通过位移传感器采集多路阀阀芯位移信号，并计算出偏差信号，如果偏差信号在误差允许范围内，则不进行 PID 调节；如果偏差信号超过误差范围，控制器调用 PID 函数对偏差信号进行处理，并根据处理结果输出 PWM 信号驱动高速电磁阀工作，使多路阀阀芯到达指定位置。最终多路阀输出与阀芯位移成正比的流量，实现比例多路阀的数字控制。图图 1 先导控制原理图先导控制原理图 图图 2 数字式比例多路阀剖面图数字式比例多路阀剖面图制造业信息化 万方数据 精密制造与自动化 2017年第2期 36 2 2 控制器硬件设计控制器硬件设计 2.1 2.1 控制器整体设计控制器整体设计 本文设计的数字式比例多路阀控制器 MPU 采用 ARM-cortex-M3 内 核 的 STM32 单 片 机。Cortex-M3 内核的 STM32 单片机是 ARM 公司为了满足嵌入式领域高性能、低功耗、具有市场竞争价格等需求而专门设计的一款单片机。本文设计的控制器的功能范围主要包括：定时器，用于输出 PWM 信号驱动高速开关电磁阀；用SPI 总线扩展 2.4G 无线模块，实现远程控制；通用串口不仅能实现与上位机通信，方便调试，而且还能与串口屏进行 485 通信，显示多路阀阀芯位移以及工作油路压力情况；STM32 自带的 AD 模块能完成对传感器信号的采集；丰富的 I/O 口可用于控制器工作模式的切换以及工作状态的显示。控制器总体框图如图 3 所示。图图 3 控制器硬件设计框图控制器硬件设计框图 2.22.2 驱动电路设计驱动电路设计 STM32微控制器定时器输出的PWM信号幅值为3.3V，选用的高速开关电磁阀的额定电压为24V，额定功率为 36W，选用达林顿管（BDX53）将 PWM信号放大之后驱动电磁阀工作。而且，电磁阀所需要的电压和功率远高于微控制器所需的电压和功率，因此，为了防止外部电路对微控制器电路的干扰和破坏，本文选用数字光耦 D207 将内部电路和外部电路进行隔离，最终的隔离驱动电路如图 4 所示。3 3 控制器软件设计控制器软件设计 数字式比例多路阀控制器软件设计主要包括系统、A/D 模块、串口、定时器 I/O 口等初始化配置；扫描 I/O 口，获得控制信息和工作模式信息；模糊自适应整定 PI 算法；PWM 控制信号输出。软件设计整体结构如图 5 所示。图图 4 电磁器隔离驱动电路图电磁器隔离驱动电路图 图图 5 软件整体设计结构图软件整体设计