基于WiFi的電液伺服閥控制器硬件電路設計

李媛

摘 要：設計基于STM32F103RCT6 單片機的液壓伺服控制系統，合理解決電液伺服閥在系統中的柔性化設計問題。給出了WiFi的電液伺服閥控制器硬件各單元的設計電路。

關鍵詞：控制；通訊；電路

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672.3198.2018.32.109

電液伺服控制裝置主要完成的功能是將控制中心發(fā)出的指令通過無線輸入電壓信號與反饋信號比較后的偏差信號加以放大和運算，輸出一個與偏差信號電壓成一定函數關系的控制電流，驅動電液伺服閥。該控制器的硬件電路包括WiFi通訊模塊、A＼＼D、D＼＼A、功率放大電路等模塊，其電液伺服控制裝置總體框圖如圖1。

1 電源單元

電源系統的穩(wěn)定性會直接影響到了整個系統的穩(wěn)定性。在本系統中， STM32芯片需要3.3V電源，外圍器件均使用的±5V、10V、±12電源。為了使系統簡化，整個系統輸入電源采用10V直流線性電源。 3.3V是在5V的基礎上，使用LM1117三端固定電壓3.3V芯片得到的。LM1117輸出電流為1A，輸入電壓范圍4.75V～12V，輸出電壓在3.267V～3.333V之間，在各種接口電路及開關電源中應用廣泛，3.3V供電電路如圖2所示。

2 處理器（MCU）

主控器選擇STM32F103RCT6芯片，選擇該芯片的原因是該處理器基于ARM32位的CortexTM-M3的內核，擁有48KB的SRAM和256KB的 FLASH，2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、2個DMA控制器（共12個通道）、3個SPI、2個IIC、5個串口、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口及51個通用IO口。本課題選用此芯片則不需要再擴展其它內存，大部分需求該芯片均可完成，因此選擇該芯片作為主控器。要想使該芯片正常工作必須包含電源電路、晶振電路、復位電路、調試電路（JTAG），稱之為STM32的最小工作系統。最小工作系統如圖3。

（1）復位電路。

當系統在運行過程中，有時受到環(huán)境干擾出現程序異常時，可以按下復位按鈕，將系統恢復到初始狀態(tài)，讓內部程序從頭開始執(zhí)行。其電路如圖4。

（2）時鐘電路。

時鐘電路主要由系統時鐘和RTC（實時時鐘）。系統時鐘主要作為CortexTM-M3處理器和STM32外設的驅動時鐘，一般稱為高速外部振蕩器（HSE OSC）。它可以來源于石英/陶瓷共振體提供。RTC實際上就是一個獨立的定時器RTC模塊擁有一組連續(xù)計數的計數器，在相應軟件配置下，可提供時鐘日歷的功能。修改計數器的值可以重新設置系統當前的時間和日期。在本課題需要對有實時時鐘，因此需要對其配置。其電路圖如圖5。

（3）調試電路。

為了讓STM32能運行起來，還需要硬件調試端口，這樣才可以使用仿真器鏈接STM32。STM32的CoreSight調試系統支持兩種標準接口：5針的JTAG端口和2針的SWD串行接口。SWD與JTAG模式相比，SWD在高速模式下更加可靠，在大數據量的情況下JTAG下載程序會失敗，SWD發(fā)生的幾率就會小很多。而且，基本上使用JTAG仿真模式情況下都可以之際使用SWD模式。因此，本課題的調試電路選擇SWD模式的調試電路，其電路圖如圖6。

3 A/D單元

電液伺服閥控制裝置只針對唯一的伺服閥進行控制，A/D單元主要是采集伺服閥內部位移傳感器的信號，進行濾波、放大和調零。其原理框圖如圖7。

（1）位移信號。

本系統主要采集的是電液伺服閥位移傳感器（LVDT）的信號。LVDT 由初、次級線圈和可移動的磁芯組成。初級線圈由外部參考正弦波信號源激勵，兩個次級線圈產生感應電動勢，感應電動勢大小與磁芯位置有關。當活動磁芯在零位時，兩個次級線圈互感系數相等，感應電動勢相等；當活動磁芯移動時，兩個次級線圈的互感系數發(fā)生變化，感應電動勢不相等，兩個次級線圈為反向串聯連接，因此感應電動勢不等，即磁芯位置變化時會產生電壓輸出。 總而言之，LVDT是一種將機械信號轉換成電信號的裝置，其輸入信號是機械位移，輸出的電壓信號與機械位移信號成正比。1、2輸出+10V～-10V的電壓信號，3、4腳需要外加正弦振蕩信號，如圖8。

（2）濾波電路。

LVDT輸出為+10V～-10V的電壓信號，其濾波電路如圖9，此電路的傳遞函數為G（s）=-R4R2R4C1s+1，屬于一階慣性環(huán)節(jié)，利用R4和C1將其輸入信號中不需要的高頻信號濾掉，從而消除高頻信號對系統的影響。

（3）調零電路。

電液伺服閥受到現場環(huán)境或是伺服閥的設計偏差，當輸入信號為零時，電液伺服閥會產生一個較小輸出信號，導致整個控制系統的控制出現偏差，從而降低系統精度因此，在信號輸入到AD前，加入調零電路其電路原理圖如圖10。

（4）A/D單元電路。

本裝置采集僅完成一路AD采集，雖然采集通道少，但是數據讀取頻率高，數據量大，如利用芯片內部的ADC不能完全滿足要求。因此，我們利用外部擴展AD模塊來完成位移傳感器的信號采集。通過AD976A芯片轉換后數字量的電壓為5V。STM32為3.3V，雖然STM32的IO口都支持TTL電平，但是IO口的總電流不能超過限定值，不能將其與AD976A的數字接口直接相連，需要進行電平轉換。本課題中我們選用74LVC4245A。

將DA輸出的控制信號與調零信號和顫振信號通過加法器進行混合，通過功率放大器將電流信號放大去驅動電液伺服閥，實現對電液伺服閥的控制。

（1）顫振電路。

顫振電路是由于電液伺服閥中的閥芯與閥套間存在一定的靜摩擦力，使得電液伺服閥存在一定大小的分辨率，當輸入電流的變化值小于電液伺服閥的分辨率時，其輸出流量不變，而且，油液的污染會使得電液伺服閥的分辨率增大。電液伺服閥在工作時受到靜摩擦力的影響，會引起極限環(huán)振蕩或靜態(tài)誤差，從而降低系統對低頻信號的響應。為了減小靜摩擦力干擾的影響，其電路設計如圖12。

（2）調零電路。

此單元所用的調零電路與AD單元中的相同，電路設計如圖9。

（3）DA模塊。

DA模塊選用了DAC7625模數轉換芯片。該芯片即可使用單電源或雙電源，本設計中控制電液伺服閥的信號為±10V，因此選用雙電源的方式，輸出電壓的計算式如下：

通過計算，VREFL表示低參考電壓接-5V電源，VREFL表示高參考電壓接+5V電源， 因此，DA輸出的電壓的范圍在±10V。

由于STM32為32位單片機，DAC7625為12位數模轉換芯片，STM32上的IO引腳可直接與DAC7625的DB接口相連。當該芯片的CS引腳為低電平時，此芯片被選中，將數據傳輸給DA轉換芯片后將RW引腳置為低電平，從而完成對電液伺服閥的電壓控制。其電路設計如圖13。

（4）功率放大電路。

DAC7625輸出的模擬信號輸出電流和功率都較小，難以驅動電液伺服閥，因此，需要使用功率放大電路來放大輸出電流和功率。其電路設計如圖14。

5 WiFi單元

WiFi單元采用WSUM102A的芯片，該芯片穩(wěn)定性高，抗干擾性強，使用方便，無需設計復雜的配合回來，其設計電路如圖15。

6 總結

本電液伺服閥控制器已經試運行了兩年，工作狀態(tài)穩(wěn)定，將WiFi技術和STM32技術應用于電液伺服控制系統中，快速實現電液伺服系統中電液伺服閥的個數的增減，方便了客戶的使用。

參考文獻

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