基于WiFi的电液伺服阀控制器硬件电路设计

基于WiFi的电液伺服阀控制器硬件电路设计

设计基于STM32F103RCT6 单片机的液压伺服控制系统，合理解决电液伺服阀在系统中的柔性化设计问题。给出了WiFi的电液伺服阀控制器硬件各单元的设计电路。

标签：控制；通讯；电路

电液伺服控制装置主要完成的功能是将控制中心发出的指令通过无线输入电压信号与反馈信号比较后的偏差信号加以放大和运算，输出一个与偏差信号电压成一定函数关系的控制电流，驱动电液伺服阀。该控制器的硬件电路包括WiFi 通讯模块、A＼＼D、D＼＼A、功率放大电路等模块，其电液伺服控制装置总体框图如图1。

1 电源单元

电源系统的稳定性会直接影响到了整个系统的稳定性。在本系统中，STM32芯片需要3.3V电源，外围器件均使用的±5V、10V、±12电源。为了使系统简化，整个系统输入电源采用10V直流线性电源。3.3V是在5V的基础上，使用LM1117三端固定电压3.3V芯片得到的。LM1117输出电流为1A，输入电压范围4.75V～12V，输出电压在3.267V～3.333V之间，在各种接口电路及开关电源中应用广泛，3.3V供电电路如图2所示。

2 处理器（MCU）

主控器选择STM32F103RCT6芯片，选择该芯片的原因是该处理器基于ARM32位的CortexTM-M3的内核，拥有48KB的SRAM和256KB的FLASH，2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器（共12个通道）、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口及51个通用IO口。本课题选用此芯片则不需要再扩展其它内存，大部分需求该芯片均可完成，因此选择该芯片作为主控器。要想使该芯片正常工作必须包含电源电路、晶振电路、复位电路、调试电路（JTAG），称之为STM32的最小工作系统。最小工作系统如图3。

（1）复位电路。

当系统在运行过程中，有时受到环境干扰出现程序异常时，可以按下复位按钮，将系统恢复到初始状态，让内部程序从头开始执行。其电路如图4。

（2）时钟电路。

时钟电路主要由系统时钟和RTC（实时时钟）。系统时钟主要作为CortexTM-M3处理器和STM32外设的驱动时钟，一般称为高速外部振荡器（HSE

OSC）。它可以来源于石英/陶瓷共振体提供。RTC实际上就是一个独立的定时器RTC模块拥有一组连续计数的计数器，在相应软件配置下，可提供时钟日历的功能。修改计数器的值可以重新设置系统当前的时间和日期。在本课题需要对有实时时钟，因此需要对其配置。其电路图如图5。

（3）调试电路。

为了让STM32能运行起来，还需要硬件调试端口，这样才可以使用仿真器链接STM32。STM32的CoreSight调试系统支持两种标准接口：5针的JTAG端口和2针的SWD串行接口。SWD与JTAG模式相比，SWD在高速模式下更加可靠，在大数据量的情况下JTAG下载程序会失败，SWD发生的几率就会小很多。而且，基本上使用JTAG仿真模式情况下都可以之际使用SWD模式。因此，本课题的调试电路选择SWD模式的调试电路，其电路图如图6。

3 A/D单元

电液伺服阀控制装置只针对唯一的伺服阀进行控制，A/D单元主要是采集伺服阀内部位移传感器的信号，进行滤波、放大和调零。其原理框图如图7。

（1）位移信号。

本系统主要采集的是电液伺服阀位移传感器（LVDT）的信号。LVDT 由初、次级线圈和可移动的磁芯组成。初级线圈由外部参考正弦波信号源激励，两个次级线圈产生感应电动势，感应电动势大小与磁芯位置有关。当活动磁芯在零位时，两个次级线圈互感系数相等，感应电动势相等；当活动磁芯移动时，两个次级线圈的互感系数发生变化，感应电动势不相等，两个次级线圈为反向串联连接，因此感应电动势不等，即磁芯位置变化时会产生电压输出。总而言之，LVDT是一种将机械信号转换成电信号的装置，其输入信号是机械位移，输出的电压信号与机械位移信号成正比。1、2输出+10V～-10V的电压信号，3、4脚需要外加正弦振荡信号，如图8。

（2）滤波电路。

LVDT输出为+10V～-10V的电压信号，其滤波电路如图9，此电路的传递函数为G（s）=-R4R2R4C1s+1，属于一阶惯性环节，利用R4和C1将其输入信号中不需要的高频信号滤掉，从而消除高频信号对系统的影响。

（3）调零电路。

电液伺服阀受到现场环境或是伺服阀的设计偏差，当输入信号为零时，电液伺服阀会产生一个较小输出信号，导致整个控制系统的控制出现偏差，从而降低系统精度因此，在信号输入到AD前，加入调零电路其电路原理图如图10。

（4）A/D单元电路。

本装置采集仅完成一路AD采集，虽然采集通道少，但是数据读取频率高，数据量大，如利用芯片内部的ADC不能完全满足要求。因此，我们利用外部扩展AD模块来完成位移传感器的信号采集。通过AD976A芯片转换后数字量的电压为5V。STM32为3.3V，虽然STM32的IO口都支持TTL电平，但是IO口的总电流不能超过限定值，不能将其与AD976A的数字接口直接相连，需要进行电平转换。本课题中我们选用74LVC4245A。

将DA输出的控制信号与调零信号和颤振信号通过加法器进行混合，通过功率放大器将电流信号放大去驱动电液伺服阀，实现对电液伺服阀的控制。

（1）颤振电路。

颤振电路是由于电液伺服阀中的阀芯与阀套间存在一定的静摩擦力，使得电液伺服阀存在一定大小的分辨率，当输入电流的变化值小于电液伺服阀的分辨率时，其输出流量不变，而且，油液的污染会使得电液伺服阀的分辨率增大。电液伺服阀在工作时受到静摩擦力的影响，会引起极限环振荡或静态误差，从而降低系统对低频信号的响应。为了减小静摩擦力干扰的影响，其电路设计如图12。

（2）调零电路。

此单元所用的调零电路与AD单元中的相同，电路设计如图9。

（3）DA模块。

DA模块选用了DAC7625模数转换芯片。该芯片即可使用单电源或双电源，本设计中控制电液伺服阀的信号为±10V，因此选用双电源的方式，输出电压的计算式如下：

通过计算，VREFL表示低参考电压接-5V电源，VREFL表示高参考电压接+5V电源，因此，DA输出的电压的范围在±10V。

由于STM32为32位单片机，DAC7625为12位数模转换芯片，STM32上的IO引脚可直接与DAC7625的DB接口相连。当该芯片的CS引脚为低电平时，此芯片被選中，将数据传输给DA转换芯片后将RW引脚置为低电平，从而完成对电液伺服阀的电压控制。其电路设计如图13。

（4）功率放大电路。

DAC7625输出的模拟信号输出电流和功率都较小，难以驱动电液伺服阀，因此，需要使用功率放大电路来放大输出电流和功率。其电路设计如图14。

5 WiFi单元