基于位移流量雙反饋的礦用電磁閥智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

布朋生

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

液壓系統(tǒng)是煤礦機(jī)械設(shè)備重要的動(dòng)力源之一，借助復(fù)雜的電液閥組和液壓油路完成礦用機(jī)械設(shè)備的舉升、支撐等動(dòng)作。礦用電磁閥控制系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變性的特點(diǎn)，控制的靈活性和精準(zhǔn)性亟需提高。煤礦井下常用的電液閥組有電液換向閥和電液比例閥兩種，其中電液換向閥主要用于對(duì)液壓執(zhí)行元件的動(dòng)作進(jìn)行控制，或?qū)τ鸵旱牧鲃?dòng)方向進(jìn)行控制，只有閥門打開和閥門關(guān)閉兩種狀態(tài)；電液比例閥可根據(jù)電壓/電流信號(hào)的大小，使閥芯產(chǎn)生位移，閥口尺寸發(fā)生改變并完成輸入電壓/電流成比例的壓力、流量輸出，進(jìn)而完成對(duì)液壓執(zhí)行元件的可控比例控制[1，2]?；陔姶砰y控制系統(tǒng)，國內(nèi)外科研人員進(jìn)行了一系列的研究，如王曉虎[3]等基于AD689芯片設(shè)計(jì)半橋式電感位移傳感器電路，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)閥芯位移，控制電磁閥的流量或閥口壓差；設(shè)計(jì)位移傳感器電路在遲滯性、線性度、動(dòng)態(tài)特性等方面與滿足電磁控制要求，是一種低成本、高性能的電磁閥閥芯位移檢測(cè)方案。湯龍飛[4]等以用于空調(diào)制冷行業(yè)的交流電磁閥為研究對(duì)象，將開關(guān)電源、電磁閥閉環(huán)控制功能集成設(shè)計(jì)為交流電磁閥智能控制模塊，并完成模塊瞬態(tài)、閉環(huán)啟動(dòng)過程仿真，驗(yàn)證了交流電磁閥智能控制模塊的有效性和優(yōu)越性，提升了電磁閥控制的智能化水平。曹冬華[5]等為實(shí)現(xiàn)對(duì)共軌噴油器的精確、穩(wěn)定控制，建立基于電流反饋驅(qū)動(dòng)控制的噴油器數(shù)學(xué)模型，完成高低壓分時(shí)驅(qū)動(dòng)電流反饋電路設(shè)計(jì)，利用Tektronix TDS 2024C完成驅(qū)動(dòng)電路性能試驗(yàn)，可滿足對(duì)噴油器的控制要求。陳林[6]等針對(duì)柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)用高速電磁閥為研究對(duì)象，建立電磁閥電路和動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)電磁閥閉合始點(diǎn)檢測(cè)、定位算法，完成噴射系統(tǒng)高速電磁閥的始點(diǎn)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)噴油量的精確控制。已有的電磁閥控制系統(tǒng)主要存在的問題有：①以理論研究與系統(tǒng)仿真為主，還需進(jìn)一步在試驗(yàn)平臺(tái)完成系統(tǒng)測(cè)試才有可能應(yīng)用；②針對(duì)礦用電磁閥控制系統(tǒng)研究不多，礦用電磁閥控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性以及環(huán)境適應(yīng)性等方面要求較高，而數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性比非煤礦電磁閥控制系統(tǒng)的要求低?；赟TM32F103控制器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)礦用電磁閥閥芯位移、閥口流量雙反饋智能控制系統(tǒng)，在滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的前提下，提高電磁閥的控制精度和穩(wěn)定性。電磁閥智能控制系統(tǒng)可將閥芯位移、閥口流量數(shù)據(jù)傳送至前級(jí)PLC控制系統(tǒng)，促使其形成位移、流量雙閉環(huán)控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦用電磁閥智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示，核心為STM32F103控制芯片，以采樣頻率Fset采集閥芯位移、閥口流量傳感器信號(hào)，經(jīng)硬件模擬量處理電路、功率放大電路處理后轉(zhuǎn)換為STM32F103控制器可接收的0～3.3V模擬電壓信號(hào)，交由電磁閥智能控制系統(tǒng)中斷處理模塊、模擬量處理模塊、模糊PID處理模塊進(jìn)行濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及邏輯控制，同時(shí)將需要實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)以CAN總線通信模式發(fā)送至上位機(jī)系統(tǒng)。電磁閥智能控制系統(tǒng)還包括電源電路設(shè)計(jì)、晶振電路設(shè)計(jì)以及軟件部分的初始化模塊、主循環(huán)模塊等，共同完成對(duì)電磁閥的智能控制。

圖1 礦用電磁閥智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵硬件選型

礦用電磁閥智能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件包括STM32F103控制器、閥芯位移傳感器、閥口流量傳感器等，選型設(shè)計(jì)具體如下：

2.1.1 STM32F103控制器

選擇的STM32F103控制器內(nèi)核為32位高性能、低功耗ARM Cortex-M3處理器，時(shí)鐘頻率可達(dá)72MHz，存儲(chǔ)容量、I/O口、ADC、DA/DMA以及通信接口等方面配置完善、性能優(yōu)越。STM32F103控制器ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器支持18個(gè)復(fù)用通道(16個(gè)外部源+2個(gè)內(nèi)部源)，12位分辨率，支持單次、連續(xù)、掃描或間斷執(zhí)行模式；轉(zhuǎn)換時(shí)間為1μs(時(shí)鐘頻率為56Hz)或1.17μs(時(shí)鐘頻率為72Hz)；具有自校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)對(duì)齊功能；STM32F103控制器自帶一個(gè)CAN總線通信接口，支持CAN2.0A以及CAN2.0B協(xié)議，可按照優(yōu)先級(jí)發(fā)送CAN通信數(shù)據(jù)；支持CAN通信波特率可達(dá)1Mbit/s；支持時(shí)間觸發(fā)通信；具有3級(jí)深度FIFO隊(duì)列；具有可變過濾器組；可增加TJA1040/TJA1050 CAN通信收發(fā)接口電路實(shí)現(xiàn)與外部CAN總線的通信[7，8]。STM32F103控制器在處理性能、ADC以及CAN通信等方面滿足設(shè)計(jì)的電磁閥智能控制系統(tǒng)要求。

2.1.2 閥芯位移傳感器

選擇LVDT-EK300/3500型系列閥芯位移傳感器，采用LVDT測(cè)量技術(shù)，精度高，數(shù)字化處理線性號(hào)[9]。輸出采用PWM方式，響應(yīng)速度快，可承受35MPa高壓。電源輸入DC24V、功率消耗小于2W、信號(hào)輸出DC 0～5V、測(cè)量范圍為0～10mm，線性精度優(yōu)于0.5%、測(cè)量精度優(yōu)于0.5%，滿足電磁閥智能控制系統(tǒng)對(duì)閥芯位移的檢測(cè)要求。

2.1.3 流量傳感器

選擇SCVF-015-10-01派克流量計(jì)，可測(cè)量過濾精度為25μm的液壓油；測(cè)量范圍為0.2～15L/min；額定壓力為40MPa，過載壓力位48MPa，分辨率為4082沖量/L，非線性誤差為±0.5%FS，重復(fù)精度為0.01%FS，響應(yīng)時(shí)間小于10ms，滿足電磁閥智能控制系統(tǒng)對(duì)閥口流量的檢測(cè)要求。

2.2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

礦用電磁閥智能控制系統(tǒng)的核心電路設(shè)計(jì)包括模擬量輸入接口電路、CAN通信接口電路以及電源轉(zhuǎn)換電路、晶振電路等。

2.2.1 模擬量輸入接口電路

閥芯位移傳感器與腔內(nèi)壓力傳感器的輸出信號(hào)為DC 0～5V電壓信號(hào)，而STM32F103控制器A/D轉(zhuǎn)換模塊可接受的輸入電壓信號(hào)為DC 0～3.3V，因此，需要設(shè)計(jì)模擬量輸入接口電路，滿足控制器模擬量信號(hào)輸入要求[10-12]。設(shè)計(jì)的位移、流量模擬量輸入接口電路如圖2所示，輸出AD0為DC 0～3.3V電壓信號(hào)，可由控制器直接采集，完成對(duì)應(yīng)的采集功能。AN301芯片接收位移、流量傳感器輸入DC0～5V電壓信號(hào)，經(jīng)兩級(jí)運(yùn)算放大器后轉(zhuǎn)換至DC0～2.5V，滿足STM32F103控制器模擬量輸入要求。

圖2 位移、流量模擬量輸入接口電路

2.2.2 CAN通信接口電路

STM32F103控制器與上位機(jī)系統(tǒng)采用CAN總線通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，設(shè)計(jì)的CAN總線通信接口電路如圖3所示。采用的TJA1050芯片具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，EMC性能優(yōu)越，可保證CAN總線通信質(zhì)量，誤碼率、丟包率低。TJA1050芯片的傳輸速度可達(dá)1Mbit/s，可保證CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸效率。

圖3 CAN總線通信接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

礦用電磁閥智能控制系統(tǒng)的軟件平臺(tái)為基于Keil MDKμVision V5 ARM編程環(huán)境，使用C語言完成電磁閥智能控制系統(tǒng)功能。礦用電磁閥智能控制系統(tǒng)軟件按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能，主要分為初始化模塊、主循環(huán)模塊、ADC數(shù)據(jù)采集模塊、PID控制模塊以及CAN通信模塊。

3.1 ADC數(shù)據(jù)采集模塊

ADC數(shù)據(jù)采集功能采用NVIC中斷模式實(shí)現(xiàn)，支持嵌套和向量中斷，支持自恢復(fù)和保存中斷狀態(tài)、支持動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，可有效降低中斷時(shí)延。ADC數(shù)據(jù)采集軟件流程如圖4所示，為提高閥芯位移、閥口液壓油流量模擬量數(shù)據(jù)采集精度，軟件設(shè)計(jì)連續(xù)采集10次該路模擬量數(shù)據(jù)，將求得的算術(shù)平均值作為該路模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出。設(shè)定采集閥芯位移傳感器數(shù)據(jù)的通道為ADC0；采集閥口液壓油流量傳感器數(shù)據(jù)的通道為ADC1。設(shè)置ADC0/ADC1的轉(zhuǎn)換模式為“連續(xù)”。

圖4 ADC數(shù)據(jù)采集模塊軟件流程

3.2 PID數(shù)據(jù)控制模塊

對(duì)閥芯位移、閥口液壓油流量傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置采用PID控制方法，有效減少電磁閥控制的超調(diào)量、增加穩(wěn)定性、減小動(dòng)態(tài)誤差[13，14]。對(duì)PID控制器參數(shù)采用臨界比例工程整定方法，在系統(tǒng)試驗(yàn)中完成：①預(yù)設(shè)采樣周期Tmin，系統(tǒng)工作；②令Ti=0、Td=0，設(shè)定輸入為允許最大值的65%，將P由0開始逐漸增大，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；將P逐漸減小，直至振蕩消失，此可比例增益系數(shù)為Pai，設(shè)定比例增益系數(shù)為Pset=0.65Pai；③令Pset=0.65Pai，設(shè)定Ti=Tmax，將Ti逐漸減小，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；將Ti逐漸增大，直至系統(tǒng)振蕩消失；此時(shí)Ti=Tai，設(shè)定積分常數(shù)為Tiset=1.65Tai；④設(shè)定微分時(shí)間常數(shù)Tdset=0。電磁閥智能控制軟件系統(tǒng)PID數(shù)據(jù)控制模塊流程如圖5所示。

圖5 PID數(shù)據(jù)控制模塊流程

3.3 CAN通信模塊

STM32F103控制器與上位機(jī)系統(tǒng)以CAN總線通信模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，建立CAN總線通信連接時(shí)，設(shè)置波特率為250kbit/s，一條連接可接收(發(fā)送)8字節(jié)數(shù)據(jù)。自定義控制器與上位機(jī)協(xié)同CAN總線通信協(xié)議，在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，按照自定義的CAN總線通信協(xié)議打包或者解析。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室完成設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的礦用電磁閥智能控制系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果原理如圖6所示。將閥芯位移傳感器安裝于電磁鐵上，通過測(cè)量電磁鐵鐵心位移得知閥芯位移距離。將流量傳感器安裝于電磁閥出口位置，測(cè)量液壓油的流量[15]。位移進(jìn)給裝置用于控制閥芯位移，裝置每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，閥芯移動(dòng)距離為1mm。智能控制系統(tǒng)以頻率Fset采集位移、流量傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)處理后上傳至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。便攜式電腦用于調(diào)試和控制上位機(jī)軟件以及智能控制系統(tǒng)軟件。

圖6 電液閥組智能控制系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)原理

利用位移進(jìn)給裝置分別完成閥芯正向行程和反向行程試驗(yàn)，繪制閥芯位移與ADC位移接口輸出電壓關(guān)系曲線，如圖7所示，閥芯位移與輸出電壓的線性度良好，最大滯環(huán)為0.29%。在進(jìn)行閥芯位移測(cè)量試驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)閥口流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)，繪制液壓油流量與ADC流量接口輸出電壓關(guān)系曲線，如圖8所示，閥口液壓油流量與輸出電壓的線性度零號(hào)，最大滯環(huán)為0.27%。

圖7 閥芯位移與輸出電壓曲線

圖8 閥口流量與輸出電壓曲線

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于閥芯位移、閥口液壓油流量雙反饋機(jī)制的電磁閥智能控制系統(tǒng)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證得出以下結(jié)論：

1)針對(duì)礦用電磁閥傳統(tǒng)開環(huán)控制存在的問題和缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的電磁閥智能控制系統(tǒng)可將電磁閥閥芯位移、閥口液壓油流量數(shù)據(jù)傳送給電磁閥智能控制系統(tǒng)，形成閥芯位移、液壓油流量雙閉環(huán)控制，提高對(duì)液壓系統(tǒng)設(shè)備控制的精度和穩(wěn)定性。

2)設(shè)計(jì)的電磁閥智能控制系統(tǒng)采集閥芯位移、閥口流量傳感器數(shù)據(jù)，完成對(duì)電磁閥的PID閉環(huán)控制，可提高電磁閥的控制精度和穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明位移、流量與輸出電壓的跟隨性較好，遲滯性小。

3)將STM32F103控制器應(yīng)用于電磁閥智能控制系統(tǒng)，提升了電磁閥控制的智能化水平。