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基于恒流模式的比例阀控制系统的设计


    针对传统的采用PID控制技术的比例阀控制系统在控制性能要求较高的场合不能满足要求的问题,提出一种基于恒流模式控制的比例阀控制系统的设计方案,分析了恒流模式的控制原理及其数学模型,详细介绍了系统控制电路的设计以及采用STM32F103VET6实现数据校正算法。实际应用表明,采用恒流模式对比例阀的压力和流量进行控制具有价格低廉、重复性好、功耗小、抗干扰能力强等优点。
    比例阀控制系统广泛应用于机械技工、冶金等行业,其能根据指令信号比例控制液压系统的压力、流量、位置及力矩等控制参数。它的**控制是建立在闭环控制基础上的,传统的控制方式多数采用PID控制技术。该方式具有简单、可靠、参数整定方便等优点,但由于液压系统受温度、负载等参数变化的影响较大,在某些场合实际输出与期望输出误差较大。本文采用的恒流控制方式可以避免这些问题,输出不随负载变化而变化。
    比例阀系统从电子角度可以简单看作是一个电感串联一个电阻以及机械转动装置,转动角度受比例阀的电流值控制,众所周知,电感充放电时间常数τ=L/R,充电电流i=Io*[1-e^(-t/τ)],放电电流i=Io*[e^(-t/τ)],L是比例阀的感值,R是整个环路的电阻值,Io是比例阀的电流,L无法改变,只能改变充放电时间来达到改变电流的目的。一个恒流模式的思想是给负载设定一个电流值,如果系统检测到负载电流小于设定的值,就会增加充电时间,减少放电时间,反之,减少充电时间,增加放电时间。
    通过r(t)设定值和y(t)实际值相减,得到误差信号,误差信号再与一个三角波信号比较器进行比较,当误差信号大于三角波信号时,就输出PWM脉冲,反之,不输出。因此,脉冲宽度与误差信号成线性关系,从而达到自动控制参数的目的。图1中,PWM控制器的输出u(t)=m(e(t))=Msgn[(e(t))],t∈[kT,kT+Tk]T,t∈(kT+Tk,kT+T)

  式中:M为PWM波的幅值;T为PWM的脉冲周期。在实际使用中,可以直接比较设定值和实际值,比较器后面接一个触发器,实现同样的功能,u(t)可以简化为0和1,方便电路设计。 
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