基于微處理器和CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的電液比例閥放大器設(shè)計(jì)

1、基于微處理器和CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的電液比例閥放大器設(shè)計(jì)DesignofanovelElectrohydraulicProportionalValveAmplifierforConstructionMachinery摘要：適應(yīng)現(xiàn)代工程機(jī)械向數(shù)字化、分布式控制方向發(fā)展的需求，提出一種基于微處理器和CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的電液比例閥放大器設(shè)計(jì)方案。該放大器采用高頻PWM驅(qū)動(dòng)方式，使線圈平均電流和顫振信號(hào)獨(dú)立可調(diào)；以微處理器為核心，軟硬件協(xié)同完成電流在線檢測(cè)和閉環(huán)控制；并擴(kuò)展CANopen接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、程序下載和信息反饋。具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、便于網(wǎng)絡(luò)集成等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：電液比

2、例控制；放大器；CANopen協(xié)議Abstract:Tomeettherequirementsofdigitalanddistributedcontrolforconstructionmachinery,wepresentadesignschemeforelectrohydraulicproportionalvalveamplifierbasedonmicrocontrollerandCANopentechniques.Inthescheme,ahighfrequencyPWMdriverischosentomakethedithersignalandtheaveragecurrentthro

3、ughthesolenoidcoiltunableindependently.thesoftwareandhardwarecanco-operatetogethertoachieveonlinedetectionandclose-loopcontrolofcoilcurrent.Furthermore,aCANopeninterfaceisimplemented,whichsupportsremoteparametersconfiguration,programdownloadingandinformationfeedback.Then,theamplifiermayenjoythemerit

4、sofsimplestructure,convenientdebugging,andeasynetworking.Keywords:Electro-hydraulicproportionalcontrol,Amplifier,CANopenprotocol伴隨著微電子、計(jì)算機(jī)和液壓傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和成熟，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、分布式控制已成為現(xiàn)代工程機(jī)械控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。電液比例閥作為電液機(jī)械轉(zhuǎn)換的核心部件，具有推力大、結(jié)構(gòu)簡單、對(duì)油質(zhì)要求不高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)1，在工程機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用。由于控制器產(chǎn)生的低功率信號(hào)無法直接驅(qū)動(dòng)閥心線圈，放大器成為電液比例控制系統(tǒng)中必不可少且非常重要的組成部分。傳統(tǒng)的

5、比例閥放大器一般以模擬電路為主，參數(shù)設(shè)置、控制算法調(diào)節(jié)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試比較困難，無法滿足當(dāng)前工程機(jī)械在線調(diào)試、網(wǎng)絡(luò)集成和分布控制的要求。為適應(yīng)這一需求，本文在分析影響比例閥控制特性因素的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有的PWM比例放大技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。以微處理器為核心，研究數(shù)字化的功率控制方法。同時(shí)擴(kuò)展CANopen總線接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、程序下載和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。1.比例放大器原理及相關(guān)因素應(yīng)用于工程機(jī)械的電液比例閥，按功能劃分有流量閥、方向閥和壓力閥等類型。其內(nèi)部大都采用一種具有固定行程的線性馬達(dá)，稱為螺旋管。在穩(wěn)定條件下，流過線圈的電流與閥芯位移直接相關(guān)。比例放大器正是通過改變線圈平均電流來間接調(diào)節(jié)閥芯位移。然而，作

6、為一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，比例閥放大器設(shè)計(jì)不僅要實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)放大，還要考慮諸多復(fù)雜因素。1.1高頻PWM與顫振工程機(jī)械電液比例閥一般采用直流電源供電。假設(shè)線圈內(nèi)阻恒定，通過PWM信號(hào)控制開關(guān)功率管的通斷時(shí)間，能實(shí)現(xiàn)線圈平均電流調(diào)節(jié)。電流大小與PWM波占空比成正比。PWM波頻率取值范圍為100Hz5kHz以上，一般將100400Hz稱為低頻，5kHz以上稱為高頻。與PWM波頻率緊密相關(guān)的是顫振現(xiàn)象。它表現(xiàn)為閥芯相對(duì)理想位置的快速、小幅往復(fù)移動(dòng)。顫振能有效消除摩擦阻力和回程誤差，是實(shí)際系統(tǒng)中必須考慮的一種有利因素。顫振設(shè)計(jì)要求幅值足夠大、頻率足夠低，使閥芯能正確響應(yīng)。通常，顫振幅值和頻率應(yīng)該針對(duì)不同類型、不

7、同工作環(huán)境的比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。從電氣角度分析，顫振本質(zhì)上是線圈電流的紋波。顫振信號(hào)的發(fā)生方式受PWM波頻率的制約。對(duì)低頻PWM波（典型值200300Hz）而言，由于線圈的電感特性，線圈電流在臨近周期過渡區(qū)域表現(xiàn)為一定幅值的下降和上升。這實(shí)際上是一種寄生的紋波，其幅值和頻率受PWM信號(hào)和線圈電感的共同影響。由于紋波與PWM信號(hào)耦合，該方法不能實(shí)現(xiàn)平均電流和顫振的獨(dú)立調(diào)節(jié)。目前，微電子技術(shù)的發(fā)展使得5kHz以上高頻PWM在電液比例控制中的應(yīng)用成為可能。高頻PWM作用于閥芯線圈時(shí)，其低通特性占主導(dǎo)地位，在單個(gè)控制周期中線圈電流相對(duì)平穩(wěn)，基本上消除了寄生紋波。此時(shí)需要外接紋波發(fā)生電路，與控制信號(hào)疊加共同

8、完成平均電流和紋波調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)了平均電流與紋波的解耦，兩者單獨(dú)可調(diào)。電流檢測(cè)和反饋在電源電壓和線圈內(nèi)阻恒定的條件下，線圈電流與PWM占空比成比例關(guān)系。但是，在工程機(jī)械運(yùn)行過程中，電源電壓波動(dòng)和線圈發(fā)熱引起內(nèi)阻變化是常見問題。此時(shí)，需要測(cè)量線圈電流，作為反饋、構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)（內(nèi)環(huán)）將平均電流調(diào)節(jié)到設(shè)定值3。線圈電流閉環(huán)控制可以用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)放大器大都采用硬件構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，但調(diào)試、參數(shù)設(shè)置和靈活性方面存在缺陷。軟件方法以MCU為基礎(chǔ)，通過嵌入式算法完成PID整定和在線測(cè)量參數(shù)反饋。比較適合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的電液比例控制系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試。電流檢測(cè)的另一個(gè)重要用途是用于間接測(cè)量閥芯位移。直接測(cè)量比例閥的

9、下游液壓參數(shù)往往比較困難、或者成本很高，比例閥外環(huán)控制的反饋常以閥芯位移代替。雖然內(nèi)置LVDT（線性可變差分變壓器）位移傳感器的比例閥產(chǎn)品已經(jīng)面市，但由于價(jià)格和體積等原因在工程機(jī)械領(lǐng)域難以普及。通過線圈電流間接測(cè)量閥芯位移是一種現(xiàn)實(shí)可行的選擇。因?yàn)闄C(jī)械負(fù)載施加在螺旋管上的力與磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例關(guān)系，而磁場(chǎng)強(qiáng)度與線圈電流成比例。然而，實(shí)際系統(tǒng)中比例閥的構(gòu)造、外部負(fù)載的變化、甚至不同工況都會(huì)影響螺旋管運(yùn)動(dòng)與線圈電流間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。此時(shí)必須依靠特性曲線進(jìn)行校正。斜坡控制、死區(qū)、增益及其它斜坡控制模塊主要用于延緩輸入命令信號(hào)的變化速度。不同控制周期間的輸入瞬變會(huì)造成比例閥輸出振蕩，長期作用會(huì)損害比例閥性能、

10、降低使用壽命。斜坡控制分上升沿調(diào)節(jié)和下降沿調(diào)節(jié)，一般要求單獨(dú)可調(diào)。閥芯類比例閥通常在起始或中心位置設(shè)置一定的死區(qū)（或交疊）。此時(shí)，線圈電流必須超過一定閾值，系統(tǒng)才能動(dòng)作。死區(qū)能消除零位置的閥芯泄漏，同時(shí)也為電源故障或緊急剎車等異常情況提供了更大的安全保障。放大器增益定義為輸出電流與輸入命令信號(hào)的比值。如果定義I-max為滿量程命令信號(hào)輸入時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大輸出電流，那么調(diào)節(jié)I-max就等效于調(diào)節(jié)增益。另外，工程機(jī)械用比例放大器通常要求提供“使能”控制引腳。它通過一定電平信號(hào)打開或關(guān)閉放大器，主要用于緊急剎車和安全互鎖?，F(xiàn)場(chǎng)總線與網(wǎng)絡(luò)接口以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的分布式控制系統(tǒng)是現(xiàn)代工程機(jī)械電子控制技術(shù)發(fā)展

11、的方向。作為汽車內(nèi)部ECU串行通信的標(biāo)準(zhǔn)，CAN總線在工程機(jī)械領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的CAN總線只包含數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的部分內(nèi)容。要解決不同廠商設(shè)備間信息互換和檢測(cè)、組態(tài)、操作節(jié)點(diǎn)等問題，尚需一種開放、標(biāo)準(zhǔn)化的高層（應(yīng)用層）協(xié)議。目前，由CiA（CANinAutomation）組織提出的CANopen協(xié)議，在汽車和工程機(jī)械領(lǐng)域處于主導(dǎo)地位，已成為事實(shí)上的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)2。比例閥放大器是工程機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)和分布式控制系統(tǒng)的典型節(jié)點(diǎn)。支持ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的CAN收發(fā)器和控制器芯片已相當(dāng)普及，因此放大器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)主要集中在CANopen協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。工程上主要有三種方法：?根據(jù)CiA的CA

12、Nopen協(xié)議和設(shè)備行規(guī)，自行開發(fā)應(yīng)用層軟件。?購買源碼（如：SysTec、Peak、Port等），針對(duì)特定的MCU進(jìn)行移植。?選擇帶協(xié)議固件（Firmware）的CANopen模塊，利用開發(fā)套件進(jìn)行參數(shù)配置和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。ffi次圖1比例閥放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖其中，自行開發(fā)的方法一般周期較長，而且存在協(xié)議不兼容的風(fēng)險(xiǎn)。模塊方法成本較高、且靈活性較差、難于擴(kuò)展。源碼移植方法難度介于兩者之間、批量成本低、且靈活性強(qiáng)，比較適合于OEM設(shè)備的開發(fā)。放大器CANopen接口產(chǎn)生的價(jià)值不僅限于分布式控制所帶有的可靠性增強(qiáng)、硬件成本降低和連線簡化。CANopen協(xié)議所提供的SDO（服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象）可用于遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)

13、置和程序下載（前提是微控制器具有在系統(tǒng)和在應(yīng)用編程功能），PDO（過程數(shù)據(jù)對(duì)象）能將過程參數(shù)實(shí)時(shí)傳送到組態(tài)、顯示終端。這使得比例放大器的在線和在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試成為可能，為產(chǎn)品開發(fā)、安裝、調(diào)試和維護(hù)帶來了方便。2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)比例放大器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，螺線管驅(qū)動(dòng)采用BB公司的PWM高端（High-Side）驅(qū)動(dòng)芯片DRV104。高端驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是允許負(fù)載接地，符合工程機(jī)械電氣設(shè)計(jì)的規(guī)范。DRV104芯片內(nèi)置PWM波發(fā)生器：振蕩頻率通過外接電阻設(shè)計(jì)，在500Hz100kHZ間可調(diào)，占空比可由控制引腳的外加電壓調(diào)節(jié)，輸入范圍為1.3V3.9V，對(duì)應(yīng)占空比為5%90%。PWM信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)片內(nèi)的D

14、MOS開關(guān)管，最大負(fù)載能力為1.2A。DRV104還具有滿量程啟動(dòng)、內(nèi)部過電流保護(hù)和過熱關(guān)斷功能。本設(shè)計(jì)中微處理器的DAC輸出經(jīng)斜坡調(diào)制、紋波疊加后與DRV104相連，實(shí)現(xiàn)線圈電流的數(shù)字調(diào)節(jié)。紋波發(fā)生器是比例閥顫振的實(shí)現(xiàn)方式。采用專用信號(hào)發(fā)生器芯片ICL8038構(gòu)成三角波發(fā)生器，信號(hào)頻率通過外接電阻調(diào)節(jié)，信號(hào)幅值通過增益電阻調(diào)節(jié)。顫振頻率和幅值需要針對(duì)特定的比例閥和負(fù)載設(shè)定，為方便調(diào)試，本設(shè)計(jì)中用數(shù)字電位器代替?zhèn)鹘y(tǒng)電位器，由微處理器完成參數(shù)設(shè)置。斜坡控制模塊本質(zhì)上是一階慣性環(huán)節(jié)，利用二極管的單項(xiàng)選擇功能，可實(shí)現(xiàn)上升、下降斜坡單獨(dú)可調(diào)。調(diào)試過程中，斜坡坡度設(shè)置也是通過數(shù)字電位器由微處理器完成。死

15、區(qū)和增益調(diào)節(jié)相對(duì)簡單，在微處理器軟件中對(duì)DAC輸出做相應(yīng)限制即可。與傳統(tǒng)比例放大器比較，分布式環(huán)境下的緊急剎車和安全互鎖實(shí)現(xiàn)方式差異較大。本設(shè)計(jì)利用DRV104的使能引腳實(shí)現(xiàn)。但控制量包括微處理器的看門狗復(fù)位、外接急停開關(guān)、網(wǎng)絡(luò)緊急報(bào)文和安全互鎖PDO綁定等，各控制量通過邏輯運(yùn)算、經(jīng)IO口與DRV104使能引腳相連。螺線管線圈電流檢測(cè)是比例放大器設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。從精度、成本、安裝尺寸等方面考慮，我們采用采樣電阻分壓的測(cè)量方法。電阻采樣的一個(gè)主要問題是電阻發(fā)熱引起的溫漂誤差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果電阻分壓值不超過100mV，在散熱良好的環(huán)境下溫漂誤差可限制在1%以下。另外，為檢測(cè)螺線管漏電電流，汽車行

16、業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制要求采用高端采樣（High-SideSense）。此時(shí)，采樣電阻安裝在螺線管之上、靠近電源端。為抑制高達(dá)24V的共模電壓，我們采用AD公司AD8202高共模電壓差分放大器進(jìn)行調(diào)理放大?？紤]到感興趣的是線圈平均電流，低通濾波是必需的，濾波器截止頻率要求足夠低以抑制紋波和線圈產(chǎn)生的噪聲，本設(shè)計(jì)中采用模擬濾波與數(shù)字濾波相結(jié)合的方法，模擬濾波截止頻率200Hz，數(shù)字濾波器根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。3.微處理器選型和CANopen移植作為現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，比例放大器不光要完成傳統(tǒng)的控制和檢測(cè)功能，還要求支持程序和組態(tài)參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)下載。ATMEL公司的增強(qiáng)8位MCU芯片AT89C51CC03，內(nèi)

17、置標(biāo)準(zhǔn)CAN控制器、64KFlash存儲(chǔ)器，更重要的是，它支持基于CAN總線的在系統(tǒng)和在應(yīng)用編程，這使得系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試和維護(hù)可以采用統(tǒng)一的總線接口。選用AT89C51CC03作為放大器微處理器，再加上TJA1050高速收發(fā)器，系統(tǒng)就具備了CANopen接口的硬件基礎(chǔ)。典型CANopen設(shè)備（節(jié)點(diǎn)）要求符合DS-301或DS-401標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)備模型如圖2所示，由“通信接口和協(xié)議軟件”、“對(duì)象字典”、“過程接口和應(yīng)用程序”三部分組成?？紤]成本、周期和存儲(chǔ)容量等因素，我們選用Esacademy公司的MicroCANopen源碼進(jìn)行移植。MicroCANopen是一種簡化版的CANopen協(xié)議實(shí)現(xiàn)，它支持基于SDO的對(duì)象字典訪問、心跳、最多4個(gè)發(fā)送和接受PDO、層設(shè)置服務(wù)（LSS）以及用戶回調(diào)函數(shù)等功能。對(duì)放大器而言，這些功能已經(jīng)可以滿足網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和分布式控制的要求。將MicroCANopen移植到AT89C51CC03后所占的存儲(chǔ)容量為8kbs左右，包括對(duì)象字典、對(duì)象映射和回調(diào)函數(shù)接口等。圖2CANopen設(shè)備模型系統(tǒng)調(diào)試平臺(tái)由安裝NI公司LabView軟件的PC機(jī)和SysTec公司的USB-CANmodul接口模塊組成，通過雙絞線與放大器遠(yuǎn)程連接。調(diào)試時(shí)無需修改目