新型2D电液比例换向阀比例控制器的设计_严恺

第6期（总期61期）2013年11月Fluid Power Transmission and Control No.6(Serial No.61) Nov.,2013新型2D电液比例换向阀比例控制器的设计严恺阮健傅莹龙李朋（特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室（浙江工业大学）浙江杭州310014）摘要：介绍了一种专门用于控制全桥式2D电液比例换向阀的比例控制器，叙述了其电源电路、模拟量输入接口电路、数字量输入接口电路、PWM功率放大电路及电流检测电路等硬件电路的设计，论述了其软件系统的主要工作流程，并对该比例控制器的输入输出特性进行了测试。

测试结果表明，该比例控制器具有良好的稳态控制性能。

关键词：2D电液比例换向阀；比例控制器；电流反馈中图分类号：TH137文献标志码：A文章编号：1672-8904-（2013）06-0017-005电液比例阀是电液比例控制技术的关键器件和功率元件。

电液比例阀根据输入的指令电信号，连续成比例控制液压系统的压力、流量和位移等输出量。

由于具有良好的控制精度和稳定性，电液比例阀在液压系统中得到了广泛的应用，并逐渐取代传统控制阀。

目前电液比例阀上采用的电-机械转换器主要是比例电磁铁，其功能主要是将输入的控制电流信号转换成位移或力信号输出。

电液比例控制器是电液比例控制元件及系统的控制和驱动装置，能够根据元件及系统的控制需要对控制信号进行处理、放大[1]。

目前电液比例控制器主要可分为带电反馈和不带电反馈的比例控制器[2]，以及模拟式和开关式的比例控制器[3]。

而在比例控制器功率驱动输出电路方面，目前应用比较多的是“反接卸荷”式功率驱动电路，其基本原理是，在电流衰减时，控制线路将比例电磁铁供电电源反接到线圈两端，加快电流衰减速度。

这种反接卸荷式功率驱动电路，在未对供电电源、大功率整流元件及大功率功放管提出特殊要求的前提下，显著提高了比例电磁铁线圈电流的衰减速度，从而提高了比例电磁铁的动态频宽。

本文设计了一种针对预拉-预扭型简化全桥式2D电液比例换向阀（2D电液比例换向阀的一种类型）的比例控制器，采用“反接卸荷”式功率驱动电路，为比例电磁铁提供特定的控制电流信号，进而实现对预拉-预扭型简化全桥式2D电液比例换向阀的阀芯运动的有效控制。

收稿日期：2013-06-19作者简介：严恺（1988-），男，硕士研究生，主要从事流体传动与控制方面的研究。

1基本工作原理预拉-预扭型简化全桥式2D电液比例换向阀的结构如图1所示，主要由2D阀、两端的比例电磁铁、处于它们之间的压扭联轴器以及弹簧6等构成。

2D 阀主要由阀芯4和阀体5组成，阀芯在阀体中具有旋转和滑动两运动自由度（故此得名“2D阀”）。

在阀芯两端台肩上各开设有一高压孔（a和d），均与P口相通；在阀体内孔壁上两端各开设有一阻尼槽（b和e），分别与左右敏感腔（c和f）以及T口相通。

当阀芯安装于阀芯孔中，阀芯两端台肩上的高压孔与阻尼槽相交，形成两个微小的开口面积，串联构成液压阻力半桥。

两端敏感腔的压力分别受控于两端的液压阻力半桥。

在静态时，若不考虑摩擦力及阀口液动力的影响，两端的阻力半桥对应的高压孔与阻尼槽相交的开口面积相等，阀两端敏感腔的压力相等，阀芯处于平衡位置；若阀芯转动，则2D阀两端台肩上高压孔与阻尼槽相交的面积发生变化，阀两端敏感腔的压力差动变化，阀芯轴向力失去平衡而发生轴向移动。

压扭联轴器由滑楔7、固定在一根穿过阀芯端部的销轴1端部上的两只滚动轴承2、安装于滑楔上的直线轴承3、限制滑楔转动的销钉8等构成，主要功能是将比例电磁铁产生的轴向推力转换为驱动阀芯旋转的切向力，并加以放大。

弹簧6安装在阀体与滑楔之间，其预压缩量略大于阀芯行程，其起到消除间隙、零位对中（比例电磁铁不通电时，导控桥路自动转动对中，左右敏感腔的压力平衡，主阀轴向开口处于零位）以及比例电磁铁的输出力与位移的转换作用。

基于预拉-预扭型简化全桥式2D电液比例换向阀的这一工作原理，本文设计了适用于这种电液比例换向阀的比例控制器。

该比例控制器输出两路控制电流，分别控制位于阀两端的两个比例电磁铁，使比例电磁铁输出与输入控制电流成比例的推力，此推力作用于压扭联轴器并由压扭联轴器转换为驱动阀芯旋转的切向力，进而实现阀芯的轴向运动。

1-销轴；2-滚动轴承；3-直线轴承；4-阀芯；5-阀体；6-弹簧；7-滑楔；8-销钉；a,d-高压孔；b,e-阻尼槽；c,f-敏感腔图1预拉-预扭型简化全桥式2D电液比例换向阀结构示意图2比例控制器的硬件设计2.1比例控制器的硬件组成预拉-预扭型简化全桥式2D电液比例换向阀比例控制器的硬件电路组成框图如图2所示，主要由电源电路、模拟量输入接口电路、数字量输入接口电路、按键输入电路、串口通信电路、微处理器最小系统电路、PWM功率输出电路和电流检测电路等组成。

该比例控制器设计有两路PWM功率放大电路，分别控制输入到两个比例电磁铁线圈中的电流的大小，以实现阀芯的双向运动。

本控制器各部分电路的设计概述如下。

图2比例控制器硬件组成框图2.2硬件电路设计2.2.1电源电路本设计中，比例控制器的电源电路主要是将+12V的开关电源电压变换为控制器各部分电路中所用芯片的工作电压。

电源电路所提供的电压主要有以下几种：集成运放、场效应管驱动芯片等芯片工作所需的±15V电压，微处理器、光耦等工作所需的+5V电压，A/D转换电路需要+5V的精确参考电压，施加在负载回路两端的+24V电压等。

2.2.2模拟量、数字量输入接口电路模拟量输入接口电路主要实现快速、准确地将外部输入的-10V~+10V的电压信号或4mA~20mA 的电流信号转换成微控制器内集成的A/D转换器所要求的0V~+5V的电压信号。

对于模拟电压输入信号的转换，可以通过两级运算放大电路来实现。

第一级运算放大电路将输入的-10V~+10V的电压信号转换为+5V~-5V的电压信号输出到第二级运算放大电路的输入端。

第二级运算放大电路将第一级运算放大电路输入的+5V~-5V的电压信号变换为原来的-1/2倍，再抬升2.5V，就得到最终输入到微控制器内A/D转换器的输入引脚上的0V~+5V的电压信号。

对于模拟电流信号的转换，可以通过如RCV420之类的电流-电压转换芯片将输入的4mA~20mA的电流信号转换为0V~+5V的电压信号输入到微控制器内A/D转换器的输入引脚上。

在将模拟输入电压信号或模拟输入电流信号转换为0V~+5V的电压信号输入到微控制器内A/D转换器的输入引脚上后，可将0V~+2.5V范围的信号作为比例电磁铁B的控制输入信号，选通相应的一路PWM功率放大输出电路，输出电流至比例电磁铁B 的线圈；而将+2.5V~+5V范围的信号作为比例电磁铁A的控制输入信号，选通相应的一路PWM功率放大输出电路，输出电流至比例电磁铁B的线圈。

数字量输入接口电路主要是将输入的数字量控制信号读入到微控制器的I/O引脚上，这些数字量控制信号主要是控制器工作状态的选择信号以及预先存储在存储器中的过程控制参数组的选择信号。

该数字量输入接口的设置，为比例阀控制器的控制提供了比较大的灵活性，既可满足目前已知的控制需求，也便于进一步扩展控制器的功能。

2.2.3微控制器最小系统电路本次设计所采用的微控制器为宏晶公司的一款高速/低功耗/超强抗干扰的新一代单片机STC12C5A60S2，其指令代码完全兼容传统8051，但速度快8~12倍，内部资源比较丰富，集成了专用复位电路、2路PWM和8路高速10位A/D转换，适合应用于强干扰场合[4]。

片上集成1280字节RAM，60K字节的Flash程序存储器，1K字节的EEPROM，内部存储空间充裕，基本满足本系统设计需求。

单片机最小2013年第6期页第182.2.5电流检测电路电流反馈检测电路构成线圈电流的反馈通道，实现线圈电流的闭环调节。

此闭环有利于削弱前向放大环节非线性、增益变化、负载阻抗变化以及电源电压波动对输出电流的影响。

下面以与图3所示那一路PWM 功率放大电路相连的电流检测电路为例，来说明电流检测电路的电路原理。

采样电阻R66、R67对比例电磁铁的线圈电流进行采样，再经运放U22放大、滤波后接到单片机内A/D 转换器的输入引脚上，以实现线圈电流的闭环控制。

电流检测电路的原理图见图4所示。

2.2.6串口通信电路和按键、显示电路本比例控制器设计有RS232接口电路，用以完成和上位机的连接，主要用于将程序下载至单片机的程序存储器中。

图4电流检测电路通过按键输入接口电路，用户可以调整与比控制器相关的设置初始值、参量、目标值等参数，比如上升斜坡时间调整、控制器最小输出电流调整等。

显示电路的加入主要是可以显示比例控制器的系统电路是单片机正常工作所必需的最基本电路，主要包括电源电路、复位电路和晶振电路等电路。

电源电路主要为单片机提供正常工作所需的电源；晶振电路主要为单片机提供了一个基准时钟，本电路决定了单片机的工作速度；复位电路产生复位信号，使单片机从固定的起始状态开始工作，完成单片机的“重启”过程。

2.2.4PWM 功率放大电路本控制器包含了两路硬件结构上完全相同的PWM 功率放大电路，可分别控制输入到两个比例电磁铁线圈中的控制电流大小，而PWM 信号则由STC12C5A60S2单片机的PWM 信号输出引脚输出。

下面以其中一路PWM 功率放大电路为例，简要说明其工作原理，其电路原理图如图3所示。

该电路由两个MOSFET （Q1、Q2为IRF640N ）和两个肖特基二极管（D15、D16为SB360）组成“H ”桥电路，对比例电磁铁线圈两端电压进行调制，从而控制输出电流大小。

隔离电路由两个高速光隔（6N137）组成。

本次设计中，采用常用的MOSFET 驱动芯片IR2110S 驱动Q1、Q2，将单片机输出的较小功率的PWM 信号进行功率放大。

由图3可见，芯片IR2110S 的HIN 、LIN 引脚相连，再通过光耦6N137与STC12C5A60S2的PWM 输出引脚相连，因此，Q1与Q2同时导通、同时关断。

当Ql 、Q2导通时，D1、D2截止，比例电磁铁线圈两端电压为正，比例电磁铁线圈电流迅速增加；当Ql 、Q2关断时，D1、D2导通，此时相当于在比例电磁铁线圈两端加上了一个与电流方向相反的负电压，因而线圈电流将迅速减少。

这种结构的功率驱动电路称为“反接卸荷”式功率驱动电路[5]。

图3中的D14、C59分别为自举二极管和自举电容，二者的值需要进行计算选择[6]，并通过实验进行调整。

电阻R62、R65主要用于减缓Q1、Q2的开断速度，降低开关引起的冲击电流[7]。

图3PWM 功率放大电路2013年11月严恺，等：新型2D 电液比例换向阀比例控制器的设计页第19实时工作状态以及其他一些系统信息，同时也方便用户对比例放大器各项参数进行设置。