基于L9352B的電磁閥控制電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

翁寅生

(中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西 西安710077)

電磁閥是一種將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電磁元件，被廣泛應(yīng)用到液壓控制系統(tǒng)中。如何很好地控制電磁閥是一個(gè)很重要的課題。當(dāng)前電磁閥的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)主要采用三極管或功率MOSFET。為了保證電路的可靠性，外圍電路通常需要設(shè)計(jì)隔離和輔助保護(hù)電路。此方法的最大弊端是：如果需要進(jìn)行電磁閥故障檢測，則需要設(shè)計(jì)專門的自診斷回路，這無疑增加了成本，而MOSFET易壞的特性容易造成電路可靠性降低。基于此，本文采用ST公司基于ARM內(nèi)核的STM32F103系列控制專用集成驅(qū)動芯片L9352B[1]來控制和監(jiān)測電磁閥，其優(yōu)點(diǎn)是：具有驅(qū)動與監(jiān)測功能，成本低，可靠性高。

1 常見電磁閥的控制方法分析

常見的電磁閥可以分為開關(guān)型和比例型，開關(guān)型與比例型在控制方式上有所不同。

目前常見的電磁閥控制方法有如下幾種：

（1）由二極管、三極管集成電路或達(dá)林頓三極管控制的電路，其典型的電路有：

[2]為代表的電路全部由分立元件如：施密特觸發(fā)器、電阻、電容、三極管、繼電器等構(gòu)成的模擬電路。其優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，但由于其無法像數(shù)字電路那樣進(jìn)行準(zhǔn)確控制，只能控制而無法檢測電磁閥故障，這種電路當(dāng)前使用較少。

②參考文獻(xiàn)[3]為代表的電路，其泵和馬達(dá)的電磁閥都是采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為主控制器再加達(dá)林頓三極管進(jìn)行控制。目前采用DSP、單片機(jī)或CPLD/FPGA等作為主控制器，通過PWM或數(shù)字輸入輸出接口控制電磁閥的方法也很常見。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是：能對大功率的電磁閥準(zhǔn)確控制；缺點(diǎn)是：如果需要檢測電磁閥的故障需要額外增加電路而且需要占用主控制器的AD資源。

（2）由MOSFET控制的典型電路可見參考文獻(xiàn)[4]為代表的電路，控制方法與（1）類似，區(qū)別在于 MOSFET管是電壓器件而三極管是電流器件，在控制方式上有區(qū)別。

（3）在工程機(jī)械領(lǐng)域，普遍采用專用控制器，專用控制器可以直接驅(qū)動電磁閥，詳見參考文獻(xiàn)[5]。這種方法雖然性能可靠、控制簡單，但價(jià)格昂貴。

可見上述3種方法都不具備成本合理、電路簡單、性能可靠并且具有檢測功能的要求。本文介紹的電磁閥控制電路框圖如圖1所示，以ARM為核心，通過磁隔離芯片實(shí)現(xiàn)主控芯片與專用驅(qū)動芯片L9352B的隔離，ARM輸出的PWM或者數(shù)字輸出信號經(jīng)過隔離后控制L9352B，從而控制電磁閥；電磁閥的狀態(tài)通過L9352B輸出再經(jīng)隔離后輸入ARM，從而系統(tǒng)能實(shí)時(shí)了解電磁閥的狀態(tài)。

圖1 電磁閥控制電路框圖

2 電磁閥控制電路設(shè)計(jì)

開關(guān)型和比例型電磁閥都可采用集成驅(qū)動芯片L9352B控制。

2.1 集成驅(qū)動芯片L9352B的特性

L9352B是ST公司專門為感性負(fù)載（如電磁鐵、電磁閥）控制而設(shè)計(jì)的芯片，它將分立元件的驅(qū)動和監(jiān)測功能集成在一個(gè)芯片中，可以控制2路比例電磁鐵和2路開關(guān)電磁鐵，允許對感性負(fù)載進(jìn)行調(diào)節(jié)。其主要特征是：輸出斜坡控制，短路保護(hù)，過溫關(guān)閉功能可選，開路負(fù)載監(jiān)測，掉電監(jiān)測，外部時(shí)鐘可控，再循環(huán)控制，調(diào)節(jié)器漂移監(jiān)測，調(diào)節(jié)器誤差控制，調(diào)節(jié)器校正電流 5 mA，狀態(tài)監(jiān)測，靜電監(jiān)測。每個(gè)通道各由一狀態(tài)輸出端口來監(jiān)測，各通道的推挽狀態(tài)輸出具有故障診斷功能。

2.2 電磁閥控制電路設(shè)計(jì)

主控ARM芯片STM32F103ZET6是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的ARM 32 bit CortexTM-M3內(nèi)核帶512 KB閃存的增強(qiáng)型微控制器，其工作頻率最高可達(dá)72 MHz，單周期乘法和硬件除法，具有 USB、CAN、11個(gè)定時(shí)器、3個(gè)DAC和13個(gè)通信接口，非常合適作控制應(yīng)用。電磁閥控制電路原理圖如圖2所示。

圖2中，STM32F103在控制L9352B時(shí)不能直接相連，因?yàn)镾TM32F103為3.3 V供電，L9352B為5 V供電，兩者間需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。四通道數(shù)字隔離器ADUM1402工作電壓可兼容3.3 V和5 V系統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，而且還可將輸入和輸出隔離，以避免驅(qū)動電路對主控芯片產(chǎn)生影響。使能端VE1和VE2都接高電平，通道A和B的數(shù)據(jù)從ARM傳給L9352B用于ARM發(fā)出控制信號，通道C和D的數(shù)據(jù)從L9352B傳給ARM用于L9352B讀取狀態(tài)。

每片L9352B通道1和2驅(qū)動開關(guān)電磁閥，通道3和4驅(qū)動比例電磁閥。所有輸入引腳高電平有效，內(nèi)部由帶滯回特性的施密特觸發(fā)器構(gòu)成。其供電電壓VS通常接5 V或12 V，VCC和VDD都接5 V電源。電磁閥接到功率輸出通道Q端和PGND端，狀態(tài)輸出引腳ST狀態(tài)電壓范圍為-0.3 V～6 V。IN1和IN2端輸入開關(guān)量控制信號能控制2路開關(guān)電磁閥工作，Q1和Q2最大驅(qū)動能力為2.5 A；IN3和IN4端輸入PWM控制信號時(shí)能方便控制2路比例電磁閥工作，Q3和Q4最大驅(qū)動能力為5 A。EN為該芯片的使能端，ARM輸出的V_EN信號經(jīng)隔離后輸入到EN端，可控制L9352B是否工作。TEST引腳為漂移檢測使能輸入。外部時(shí)鐘U15經(jīng)過12 bit計(jì)數(shù)器74HC4040分頻后輸入到L9352B的CLK時(shí)鐘輸入引腳，J12跳線組可以選擇計(jì)數(shù)器分頻系數(shù)。ST1～ST4引腳保存電磁閥的故障狀態(tài)，經(jīng)過隔離后輸入給ARM以處理故障。

3 電磁閥控制電路測試分析

ARM根據(jù)輸入和輸出引腳的電平并結(jié)合STx電平可以確定電磁閥出現(xiàn)的是什么類型的故障，電磁閥驅(qū)動故障診斷表如表1所示。

在實(shí)際電路測試中，各通道在開關(guān)狀態(tài)中均可以檢測負(fù)載是否開路。在關(guān)狀態(tài)時(shí)，負(fù)載開路檢測輸出引腳電壓低于0.33倍 VS，則 error寄存器被置位并延長一定時(shí)間，當(dāng)EN為高且處于灌電流階段時(shí)輸出被拉低至地；當(dāng)EN為低時(shí)，如果負(fù)載開路則輸出浮空。當(dāng)為開狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流由非可調(diào)通道監(jiān)視，若它降低至指定閾值IQU時(shí)，則負(fù)載開路即被檢測到并且 error寄存器被置位，可調(diào)通道通過電流調(diào)節(jié)器故障檢測即可檢測到負(fù)載開路。若輸出PWM達(dá)到90%、且時(shí)間超過tRE，則沒有負(fù)載連接時(shí)，可能會出現(xiàn)負(fù)載電阻率太高或電源電壓太低。當(dāng)頻率低于fCLK，min時(shí)，會檢測出丟失時(shí)鐘故障。當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤和功率輸出關(guān)閉時(shí)，狀態(tài)輸出將被置位，直到時(shí)鐘信號再次出現(xiàn)前狀態(tài)信號一直保留在它們的寄存器中。在VCC上電期間，時(shí)鐘故障僅會被可調(diào)節(jié)通道檢測到。在正常操作條件下狀態(tài)根據(jù)輸入信號變化，如果有錯(cuò)誤被檢測出來則狀態(tài)會改變。當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，EN拉低，可將感性負(fù)載的過壓箝位到52 V并將內(nèi)部下拉電流源關(guān)閉從而將負(fù)載開路，但開路比較器仍有效。通過改變2 kHz PWM占空比可改變通道3和通道4目標(biāo)電磁閥電流，其輸入PWM與輸出電流對應(yīng)關(guān)系如圖3所示，PWM輸出頻率和電流呈線性關(guān)系。PWM高電平時(shí)間由1 MHz時(shí)鐘測量，并與外部250 kHz始終同步。

表1 電磁閥驅(qū)動故障診斷表

采用ARM及L9352B的電路在實(shí)際工程應(yīng)用中能實(shí)現(xiàn)比例電磁閥和開關(guān)電磁閥的驅(qū)動控制和故障監(jiān)測，現(xiàn)場使用效果良好。該電路具有可靠性高、成本低、驅(qū)動能力強(qiáng)、故障監(jiān)測功能多的優(yōu)點(diǎn)，特別適合電磁閥數(shù)量多且有故障診斷的場合，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]L9352B datasheet:http://www.st.com.1980.

[2]段志軍，李長莉，崔立輝，等.高空作業(yè)車比例電磁閥控制電路板的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國修船，2010，12(6)：20-23.

[3]翁寅生.基于DSP的履帶式攤鋪機(jī)行駛控制系統(tǒng)研究[D].西安：長安大學(xué)，2007：27-30.

[4]張奇，張科勛，李建秋，等.電控柴油機(jī)電磁閥驅(qū)動電路優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]，2005，4(2)：1-4.

[5]張平均.路面破碎機(jī)電液比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2009(1)：75-77.