PWM数字比例溢流阀控制器设计

KD [ e(k ) - 2e( k- 1) + e( k- 2) ]
( 3)
于是有:
u ( k) = u ( k - 1 ) + $ u (k )
( 4)
将 P ID算法获得的控制增量与高速开关阀的占空
比开启时间 ton相加, 写 入到 8098 单片机 脉宽调 制寄 存 器 ( PWM 2CONTROL) 中。 这 样 在 PWM /P215 端
8098单片机 的 最小 系统 无特 别 之处, 笔 者 只论 述电源电 路、采样 电路、基 准电 路、 PWM 功率 驱动 电路等设计。
( 1) 电源电路 车载蓄 电池 一般 是 12V 供电, ECU 是 5V 供电, 选用了 MAX738A开关电源 芯片设 计电源电 路, 如图 3 所示。
图 3 电源电路
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机床与液压
第 36卷
力状态, 这时高速开关阀不工作; 在车辆换挡时, 需 要控制系统压力, 所以在控制换挡过程中可根据不同 的需要, 改变高速开关阀脉宽信号的占空比。
在实际应用中有多种油压控制方法, 其结构和原 理也大不相同, 主要有缓冲阀和比例溢流阀等。比例
溢流 阀 分 为 模 拟 式 和 数 字 式 两 种, 笔 者 所 采 用 的 PWM 数字 比例 溢流 阀通 过改 变高 速开关 阀 PWM 信 号的占空比来改变比例溢流阀的输出压力。
1 PWM 数字比例溢流阀系统控制原理 111 PWM 数字比例溢流阀工作原理
采样电路如图 4所示, 将由压力传感器输入的反 馈信号 Vf 转化 为 0~ 5V, 经 ACH5 通道 送入 8098 片 内 A /D转换器处理。模拟通道输入引脚 ( ACH 5 ) 并
第 9期
杨树军 等: PWM 数字比例溢流阀控制器设计
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联的电容 C1 和电阻 R2 构成 RC低通 滤波器, 降 低噪 声的影响, 提高转换精度。
图 6 PWM 功率驱动电路
212 软件设计 系统加电后, 设置堆栈, 对内部寄存器、中断向
量、 HSO、 8279等初始化; 查询键盘输入、系统控制 参数和启动命令、高速开关阀通断标志等, 将系统控 制标志置初始值, 以保证系统启动时的安全性和可靠 性; 然后启 动 A /D转换, 定时 器开 始定 时, 等待 中 断。主程序流程图如图 7所示。
YANG Shu jun, SU Lijie, ZHOU Zhongru i ( East Ch ina Jiaotong Un iversity, N anchang Jiangxi 330013, Ch ina)
Abstr ac t: The pr inciple and control of the PWM d igita l proportiona l relie f valve were ana lyzed, and the controller was designed inc luding the hardwa re and software. U sing the c losed loop control theory, the controlle r can autom atically change the system pressure by con trolling PWM signa l duty cycle of the h igh speed sw itch ing va lve. The PWM d igita l proportiona l re lief va lve system has good pre2 cision and real tim e, can be used to control pressure dur ing the vehic le power sh ift.
状态, 通过溢流孔 1的流量逐渐减少, 主阀上腔压力
逐渐升高, 阀芯在上下腔压力和主阀弹簧的共同作用
下移动, 主阀开口逐渐减小, 系统压力相应从最低压
力 pmin连续升至最高压力 pmax。 在车辆正常行驶时, 要求系统压力保持在最高压
收稿日期: 2008- 04- 30 基金项目: 江西省教育厅资助项目 (赣教技字 2006- 184号 ); 江西省自然科学基金资助项目 ( 2007GZC0895) 作者简介: 杨树军 ( 1970) ), 男, 甘肃天水人, 华东交通大学教授, 北京理工大学博士, 研究方向为车辆 新型传动技术和
k
u ( k) = KP e(k ) + K EIj= 0 e( j) + KD [ e( k ) - e( k - 1 ) ] ( 2)
式中: K I 为 积 分 系 数, KD = KPTTD。
KI = KTPTI ;
KD 为 微 分 系 数,
采用增量式 P ID控制算法 [ 3]
$ u ( k) = KP [ e( k ) - e(k - 1 ) ] + KI e( k) +
子程序包括 P ID控制算法、键盘扫描、显示、浮 点运算子程序等。
笔者设计的控制器能够按要求实现脉宽调制信号
的占空比的调节, 使系统压力按要求调节。 112 控制器工作原理
PWM 数字 比例 溢 流阀 控 制 器框 图 如 图 2 所 示。 CPU 发出的 PWM 信号, 经驱 动电路 放大后, 控 制高 速开关阀工作, 从而控制系统的输出压力。输入信号 和反馈信号经 A /D转 换后 输入 CPU, CPU根 据两 者 的差值信号调整 PWM 信号的 输出, 实现 系统的 闭环 控制。
的共 同作 用下 移动, 直到 达 尼孔 2 5) 高速 开关 阀
到平 衡状 态, 主 阀开 口达 到 6) 安 全阀 弹 簧 7)
最大,
系 统压 力 达到 最低 压
安全阀芯 图 1 PWM 数字比例
力 pmin;
溢流阀原理图
( 3) 当输 入高速 开关 阀
的脉宽信号的占空 比从 Cmax% ~ 0 变化 时, 高速 开关 阀开启时间从设计要求的最大开启时间逐渐达到关闭
( 1 ) 当高速开关阀不工作时, 系统最 高压力 pmax 由阻尼孔 1和安全阀确定, 这种工况相当于普通先导 型溢流阀;
( 2) 当输 入高速 开关 阀
的 PWM 信 号 的占 空 比 为 最
大 Cmax% 时, 高 速 开 关 阀 开 启时间 达到 设计 要求 的最 大
开 启时 间, 通 过阻 尼孔 1的
所采用的车辆动力换 挡用 PWM 数字 比例溢 流阀
工作原理如图 1所示, 该阀由主阀、安全阀、阻尼孔 1、阻尼孔 2、高速 开关 阀等 组成。 高速 开关 阀的 流 量很小, 在数字比例溢流阀中作为先导阀, 通过控制 输入高速开关阀 PWM 信号的占 空比来改 变系统 的输 出压力。该 阀采 用 数字 信号 直接 驱 动, 具 有 结构 简 单、响应速度快等特点。该阀有三种工作状态:
图 2 系统控制框图
PWM 数字比 例溢流 阀存 在油 液泄 漏、摩 擦、电
磁阀的电液响应滞后及液压阀的非线性流量特性等问 题, 是复杂的非线性系统 [ 2], 控制器采用 P ID调节算
法。 连续系统 P ID控制规律为 [ 3]
Q u( t) = KP
e( t)
+
1 TI
t
0 e( t ) dt + TD
de( t) dt
( 1)
式中: e( t )为目标压力与实际压力的偏差; u ( t)为压
力闭环的控制 量; KP 为 比例系 数; TI 为 时间 积分 常 数; TD 为微分时间常数。
对式 ( 1) 进 行 离 散化, 取 t U kt ( k = 0, 1, 2, , ), 则有位置式 P ID控制算法 [ 3]
2008年 9月 第 36卷 第 9期
来自百度文库机床与液压
MACH INE TOOL & HYDRAULICS
Sep1 2008 Vol136 No19
PWM 数字比例溢流阀控制器设计
杨树军, 苏利杰, 周中锐
(华东交通大学, 江西南昌 330013)
摘要: 分析了 PWM 电液比例溢流阀的工作原理与控制原理, 完 成了其 控制器 的硬件 电路和软 件设计。 该控制 器采用 闭环控制, 通过控制高速开关阀 PWM 信号占空比实现系统压 力调节, 控制精度 高、实时 性好, 适合 车辆动 力换挡 油压控 制。
( 5) 基准电路 8098单 片机片 内 ADC输 入模 拟电压 范围 为 0 ~ Vref, Vref是其模拟基准电压。正 常工作时, Vref必 须保 持在 ( 51 0 ? 015 )V范围内, 并要 求提供 5mA 的电流。 为了获得较高的转 换精度, 笔 者设 计了单 独为 Vref提 供 5100V电压的基准 电路, LM336 - 51 0型 电压 源是 美国国 家半导体公 司生产的 51 0V 基准电压 源, 利用 LM336- 51 0的调整端可 将输出 电压 的温度 系数 调整 到最佳值, 基准电路如图 5所示。 ( 6 ) PWM 功率驱动电路 为了加快电磁线圈的电流响应速度, 对高速开关 阀驱动电路 需采 用电 流 增长 和消 退都 非 常迅 速的 电 路 [ 5], 笔 者设 计的 PWM 功 率驱动 电路 如图 6 所 示。 8098的 PWM 信号 经光 电耦 合 器 U2A 进 行光 电耦 合 隔离, 控制功放级的 NPN型达林顿管 U5 用来驱动高 速开关阀的线圈工作。
关键词: 数字比例溢流阀 ; 控制器 ; 高速开 关阀; PWM; 8098单片机 中图分类号: TH1371 52+ 1 文献标识码 : A 文章编号: 1001- 3881 ( 2008) 9- 209- 3
The C on troller D esign for the PWM D igita l P ropor tiona l R elief V a lve
( 2 ) 8098存储器扩展 8098片内无程序存储 器, 笔者用 2764EPROM 扩 展了系统存储器。 ( 3) 键盘显示电路 键盘和显示器是系统的重要外设。为提高控制器 的实时性, 要求 键盘读 入不 占用 CPU 的 时间, 以提 高 CPU 的 工作 效率, 笔 者采 用 8279 可 编程 键盘 /显 示器接口芯片。该 芯片可 实现 键盘 /显示 器的自 动扫 描, 具有显示稳定、程序简单、避免出现误动作等特 点。 ( 4) 采样电路
输出所需的控制信号, 进而控制系统的输出压力, 实
现系统调压的闭环控制。
2 控制器设计
该系统 由 8098 单 片机 的 最 小系 统、 电源 电 路、
采样电路、键 盘接口 显示电 路、 PWM 功率 驱动 及压 力传感器及软件等组成。
控制器选用 8098 单片 机作为 CPU。 8098片 内含 有一个 4通道、高速带采样保 持器的 10位 A /D转换 器, A /D转换的速度为 22L s; 并且 8098 片内 脉宽调 制寄存 器可 提 供周 期固 定、占 空比 可 变、分 辨 率为 1 /256 ( 8位 ) 的 PWM 信号 [ 4] 。 211 硬件电路设计
流量 大, 主阀 上 腔压 力将 低
于安 全阀 开启 压力, 安全 阀
处于 关闭 状态, 通过 阻尼 孔
1 的流量 全部 通过 阻尼 孔 2,
主阀上 腔压 力由 阻尼 孔 1和
阻 尼孔 2 共 同确 定, 主阀 芯 1) 主阀 芯 2) 阻 尼 孔
在上、下 腔压 力 和主 阀弹 簧 1 3) 主 阀 弹 簧 4) 阻
K eyword s: Digital proportional re lief va lve; Controller; H SV; PWM; MCS 8098
0 概述 车辆自动变速箱中的湿式离合器通过摩擦元件所
产生的摩擦力传递扭矩, 除了一些结构参数外, 摩擦
扭矩主要取 决于 摩擦 因 数和 换挡 离合 器 液压 缸的 油 压。合理地控制换挡过程中油压的变化规律, 能够有 效地限制变速箱输出轴上的扭矩扰动, 得到良好的换 挡品质, 使车速平稳地过渡 [ 1]。