下载文档原格式
基于PWM控制技术的电液比例阀的研究当前进入新的科学技术发展时期，电子技术以及与其相关的信号检测、处理、传输等技术得以提升。
一般而言，在传统掘进机通过电液比例技术结合放大器驱动器以及控制方式，通过通信协议予以完成。
然而在现实中，程序运行和信息校验过程较为复杂，占用大量运行时间，导致比例阀稳定性差，由此引发故障。
为了提升系统运行效果，PWM（脉冲宽度调制）电液比例控制技术被引入。
该技术将输入的信号进行编码，获得对外驱动的控制信令信号，通过数字控制来提升整体稳定性。
为了实现优化控制，依托编码程序控制来对输入的信令来进行跟踪补偿，结合PID控制器来进行调节，对其电磁阀的响应速度、控制精度和开口大小进行优化控制，从而实现系统稳态性能、动态性能等进行很高程度的加强[1]。
1电液比例阀及驱动及其发展现状1.1 电液比例阀及驱动概念作为当前最为先进的控制技术，比例控制电液控制的主要组成为比例电液阀，其实现电子和液压之间的连接，从而能够对复杂指令的处理，以实现稳态可攻至信号的输出，实现优化控制[2]。
比例电液阀从硬件结构看，是一个液压元件，产生与控制阀芯位置成比例的磁力，并通过类似于比例阀芯电磁阀的信令信号来控制载量和压力的响应。
通常，普通液压阀只能控制预定义液体流量的压力和流量。
在这一类控制设备的运行中，采用普通液压阀是难以对控制载量和压力的响应进行自适应调节的[3]。
1.2 电液比例阀及驱动发展现状PWM驱动器广泛应用于自动控制、电气工程等领域。
安装可靠的驱动器对控制系统非常重要[4]。
目前，大多数电动比例阀制造商都配备了一种特殊的驱动装置——比例放大器。
该机械部件会在断电的过程中出现比例设置放大器驱动阀负载，这导致两端的应力尖头释放非常高。
由开关组成的PWM驱动器的优缺点不仅关系到设备本身，也关系到负载性质等因素，电源电路稳定性等。
在该电路中，负载驱动器的比例PWM阀是一个感应负载，穿过电路的线路包含感应散射。
煤矿采掘设备CAN总线电液控制系统的应用发布时间：2021-12-24T03:42:34.957Z 来源：《中国科技人才》2021年第26期作者：姬洪生吴长军雷强[导读] 中国随着经济的发展与自动化，能源需求稳步增长。
煤炭是中国国民经济的重要能源载体。
因此，煤炭运输机械的自动化变得越来越重要。
山东宏河控股集团有限公司横河煤矿山东济宁 273500摘要：中国随着经济的发展与自动化，能源需求稳步增长。
煤炭是中国国民经济的重要能源载体。
因此，煤炭运输机械的自动化变得越来越重要。
电气和液压系统是燃煤电厂的重要组成部分。
电气和液压系统的集成控制通过先进的技术帮助提高设备自动化、提高生产力和减少人力。
关键词：电液控制；CAN总线；煤矿；采掘设备；控制系统；分布式；前言：传统液压方法使得煤矿井下采集设备的远程运行和自动控制变得困难。
为了提高燃煤电厂的自动化程度和制造工艺的安全性，引入了电子控制和远程控制机制。
通过比较液压系统的电磁控制与传统液压阀门控制技术，强调电磁控制的优点，结合井下钻机的功能，实现了基于CAN总线通信网络的分散式静电控制。
1 CAN总线的特征CAN协议与传统总线网络的最大区别在于网络上的所有节点同时接收相同的数据，并根据通信块的编码控制实时信息。
通信方法的简要框架结构。
包含帧开始、仲裁段、控制段、数据段、冗馀循环结束段、方形段和帧结束。
提供对有效数据的验证：8字节数据段CRC部分提供了相应的错误处理功能。
CAN总线的短框架结构减少了干扰，提高了通信可靠性，具有包含多个关键组件的总线体系结构。
基于无损仲裁技术，CAN总线中的每个节点可以随时主动向网络中的其他节点发送信息，而不管优先级如何，从而允许节点之间自由通信。
当两个节点同时向网络传输数据时，优先级较低的节点主动停止数据传输，优先级较高的节点可以连续继续数据传输，从而避免总线冲突。
节点可以同时接收相同的数据。
这些功能通过创建冗馀结构，改进了CAN总线网络节点之间的实时数据传输，并提高了系统可靠性和灵活性。
新原理电液比例压力控制阀国家技术发明三等奖近年来，随着工业自动化程度的不断提高，液压控制技术在各个行业中起着越来越重要的作用。
在液压系统中，比例阀是一种关键的控制元件，常用于调节液压系统中的压力、流量和方向等参数。
而新原理电液比例压力控制阀作为一种新型、高效的控制元件，凭借其先进的工作原理和卓越的性能优势，获得了国家技术发明三等奖的殊荣。
新原理电液比例压力控制阀的研发旨在解决传统液压控制阀存在的一些问题，如响应时间长、精度不高、能耗较大等。
通过引入先进的电液比例控制技术，该阀能够实现更快速、更准确的响应，提高了系统的控制精度。
同时，该阀还采用了新型的流体力学结构设计和优化的控制算法，使得其在能耗方面有了显著的改善。
这些独特的设计理念与创新性的技术手段使得该阀在液压控制领域具备了重要的应用前景和市场潜力。
新原理电液比例压力控制阀的工作原理是将传感器探头获取的物理信号转化为电信号，并经过放大加工后，通过直流电磁斯托控制阀芯的偏转，从而实现对液压系统中的压力进行精确控制。
该阀结构紧凑、重量轻，适用于各种工业场合和特殊环境。
其高精度、快速响应的特点，使得该阀在液压设备的高精度控制系统中起到了关键的作用。
新原理电液比例压力控制阀的主要优点在于其可广泛应用于各类工业液压系统中，可实现对压力、流量和方向等多种参数的精确控制。
同时，该阀通过引入新的电液比例控制技术，使得系统的控制精度和响应速度大幅提升。
与传统液压控制阀相比，新原理电液比例压力控制阀具有更低的能耗、更高的工作效率，能够为用户节省大量能源成本。
此外，该阀还具备结构紧凑、重量轻的特点，易于安装和维护，可大大简化操作成本。
尽管新原理电液比例压力控制阀已经在液压控制领域取得了重要突破，但是仍然存在一些待解决的问题。
首先，该阀的生产成本相对较高，限制了其在市场上的普及和应用。
其次，尽管该阀能够实现对液压系统中的压力进行精确控制，但是对于特殊环境下的高温、高压和腐蚀性介质等情况，仍需要通过进一步的设计和改进来满足用户需求。
基于CAN现场总线技术的电液比例阀放大器设计摘要：适应现代工程机械向数字化、分布式控制方向发展的需求，提出一种基于微处理器和CANopen现场总线技术的电液比例阀放大器设计方案。
该放大器采用高频PWM驱动方式，使线圈平均电流和颤振信号独立可调；以微处理器为核心，软硬件协同完成电流在线检测和闭环控制；并扩展CANopen接口，实现远程参数设置、程序下载和信息反馈。
具有结构简单、调试方便、便于网络集成等优点。
伴随着微电子、计算机和液压传动技术的发展和成熟，数字化、网络化、分布式控制已成为现代工程机械控制领域的研究热点。
电液比例阀作为电－液－机械转换的核心部件，具有推力大、结构简单、对油质要求不高、价格低廉等优点[1]，在工程机械中得到广泛应用。
由于控制器产生的低功率信号无法直接驱动阀心线圈，放大器成为电液比例控制系统中必不可少且非常重要的组成部分。
传统的比例阀放大器一般以模拟电路为主，参数设置、控制算法调节和现场调试比较困难，无法满足当前工程机械在线调试、网络集成和分布控制的要求。
为适应这一需求，本文在分析影响比例阀控制特性因素的基础上，对现有的PWM比例放大技术进行改进。
以微处理器为核心，研究数字化的功率控制方法。
同时扩展CANopen总线接口，实现远程参数设置、程序下载和网络互联。
1.比例放大器原理及相关因素应用于工程机械的电液比例阀，按功能划分有流量阀、方向阀和压力阀等类型。
其内部大都采用一种具有固定行程的线性马达，称为螺旋管。
在稳定条件下，流过线圈的电流与阀芯位移直接相关。
比例放大器正是通过改变线圈平均电流来间接调节阀芯位移。
然而，作为一个实际系统，比例阀放大器设计不仅要实现控制信号放大，还要考虑诸多复杂因素。
1.1 高频PWM与颤振工程机械电液比例阀一般采用直流电源供电。
假设线圈内阻恒定，通过PWM信号控制开关功率管的通断时间，能实现线圈平均电流调节。
电流大小与PWM波占空比成正比。
PWM波频率取值范围为100Hz～5kHz以上，一般将100～400Hz称为低频，5kHz以上称为高频。
_工业控制网络课程设计（论文）题目：基于CAN总线的电液比例阀控制器的设计院（系）：专业班级：学号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要当今，随着自动化技术的不断发展，液力传动控制在工业领域中得到了广泛的应用和发展。
而电液比例控制作为一种新的液压传动控制技术，具有更加稳定和精确的控制性能。
通过采用此项技术，可将液压系统的某些控制功能集成到电液比例控制器内，简化液压系统的构成，提高液压系统动作的稳定性和可靠性。
本设计主要运用STC89C52单片机为核心控制器，对电液比例阀进行控制。
并辅以硬件部分的电源模块、CAN总线模块、A/D转换模块和驱动模块。
软件部分通过STC89C52进行编程，通过PWM脉宽调制技术和驱动电路实现对电液比例阀进行控制。
其中通过CAN总线模块实现了信号的读取和传送，这比传统的I/O信号读取和传送可靠性和精确性更强，稳定性更高。
通过PWM脉宽调制技术控制电液比例阀。
CAN总线作为一种工业网络通讯技术，以其独特的设计思想、优良的实时传输性能和极高的可靠性，越来越受到人们的重视。
通过CAN总线实现电液比例控制系统与工业数字化信息平台的信息共享，具有良好的发展前景。
为此，研究并制造高性能、高可靠性的电液比例阀控制器有着十分重要的意义。
关键词：STC89C52； CAN；PWM；电液比例阀目录第1章绪论 (1)第2章课程设计的方案 (2)2.1概述 (2)2.2系统组成总体结构 (2)第3章硬件设计 (4)3.1单片机最小系统设计 (4)3.2电源电路设计 (5)3.3驱动电路的设计 (6)3.4A/D转换电路的设计 (7)3.5CAN总线模块的设计 (8)3.6总体电路图 (11)第4章软件设计 (12)4.1总体方案 (12)4.2PWM控制实现 (13)4.3CAN总线通讯的实现 (14)4.4PID算法实现 (15)第5章课程设计总结 (18)参考文献 (19)附录I (20)附录II (21)第1章绪论近年来，随着技术的发展和进步，液位传动技术应用更加广泛，尤其是在工业过程控制中的应用。
基于PWM控制技术的电液比例阀的研究
一、引言
电液比例阀是控制系统中重要的一类元件，由于它的精度高、可靠性强、反应快、体积小等优点，在液压控制系统中广泛应用于各种场合，如机器人、汽车、搬运设备等。
为了使用效果更好，更多的研究者针对电液比例阀进行了深入研究，其中最重要的一种研究是基于PWM控制的电液比例阀研究。
二、基本原理
PWM（脉冲宽度调制）控制是一种采用脉冲信号进行控制的新型控制技术。
它是将模拟信号转换成数字信号，然后通过PWM技术实现控制的技术。
PWM技术主要通过改变脉冲的宽度来控制电液比例阀，从而达到控制执行器的目的。
PWM技术的优点在于可精确控制执行器的位置，因此被广泛应用于微机的精确控制中。
三、实现方法
（1）PWM控制系统结构
PWM控制器系统结构简单，其结构由控制器、变量电抗器、比例阀等组成。
控制器由比较器、定时器、计数器等组成，主要负责信号的采集和处理。
变量电抗器用于控制阀芯的位置及量程，而比例阀负责根据控制器的输出信号控制液压的大小，实现控制系统的功能。
（2）模型预测控制
模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)是一种基于模型的控制方法。
基于微处理器和CANopen现场总线技术的电液比例阀放大器设计Design of a novel Electrohydraulic Proportional Valve Amplifier for Construction Machinery摘要：适应现代工程机械向数字化、分布式控制方向发展的需求，提出一种基于微处理器和CANopen现场总线技术的电液比例阀放大器设计方案。
该放大器采用高频PWM驱动方式，使线圈平均电流和颤振信号独立可调；以微处理器为核心，软硬件协同完成电流在线检测和闭环控制；并扩展CANopen接口，实现远程参数设置、程序下载和信息反馈。
具有结构简单、调试方便、便于网络集成等优点。
关键词：电液比例控制；放大器；CANopen协议Abstract: To m eet the requirements of digital and distributed control for construction m achinery, we present a design schem e for electrohydraulic proportional valve amplifier based on microcontroller and CANopen techniques. In the schem e, a high frequency PWM driver is chosen to m ake the dither signal and the average current through the solenoid coil tunable independently. the software and hardware can co-operate together to achieve online detection and close-loop control of coil current. Furthermore, a CANopen interface is implemented, which supports remote parameters configuration, program downloading and information feedback. Then, the am plifier m ay enjoy the m erits of sim ple structure, convenient debugging, and easy networking.Key words: Electro-hydraulic proportional control, Am plifier, CANopen protocol伴随着微电子、计算机和液压传动技术的发展和成熟，数字化、网络化、分布式控制已成为现代工程机械控制领域的研究热点。
电液比例阀作为电－液－机械转换的核心部件，具有推力大、结构简单、对油质要求不高、价格低廉等优点[1]，在工程机械中得到广泛应用。
由于控制器产生的低功率信号无法直接驱动阀心线圈，放大器成为电液比例控制系统中必不可少且非常重要的组成部分。
传统的比例阀放大器一般以模拟电路为主，参数设置、控制算法调节和现场调试比较困难，无法满足当前工程机械在线调试、网络集成和分布控制的要求。
为适应这一需求，本文在分析影响比例阀控制特性因素的基础上，对现有的PWM比例放大技术进行改进。
以微处理器为核心，研究数字化的功率控制方法。
同时扩展CANopen总线接口，实现远程参数设置、程序下载和网络互联。
1.比例放大器原理及相关因素应用于工程机械的电液比例阀，按功能划分有流量阀、方向阀和压力阀等类型。
其内部大都采用一种具有固定行程的线性马达，称为螺旋管。
在稳定条件下，流过线圈的电流与阀芯位移直接相关。
比例放大器正是通过改变线圈平均电流来间接调节阀芯位移。
然而，作为一个实际系统，比例阀放大器设计不仅要实现控制信号放大，还要考虑诸多复杂因素。
1.1 高频PWM与颤振工程机械电液比例阀一般采用直流电源供电。
假设线圈内阻恒定，通过PWM信号控制开关功率管的通断时间，能实现线圈平均电流调节。
电流大小与PWM波占空比成正比。
PWM波频率取值范围为100Hz～5kHz以上，一般将100～400Hz称为低频，5kHz以上称为高频。
与PWM 波频率紧密相关的是颤振现象。
它表现为阀芯相对理想位置的快速、小幅往复移动。
颤振能有效消除摩擦阻力和回程误差，是实际系统中必须考虑的一种有利因素。
颤振设计要求幅值足够大、频率足够低，使阀芯能正确响应。
通常，颤振幅值和频率应该针对不同类型、不同工作环境的比例阀进行调节。
从电气角度分析，颤振本质上是线圈电流的纹波。
颤振信号的发生方式受PWM波频率的制约。
对低频PWM波（典型值200～300Hz）而言，由于线圈的电感特性，线圈电流在临近周期过渡区域表现为一定幅值的下降和上升。
这实际上是一种寄生的纹波，其幅值和频率受PWM信号和线圈电感的共同影响。
由于纹波与PWM信号耦合，该方法不能实现平均电流和颤振的独立调节。
目前，微电子技术的发展使得5kHz以上高频PWM在电液比例控制中的应用成为可能。
高频PWM作用于阀芯线圈时，其低通特性占主导地位，在单个控制周期中线圈电流相对平稳，基本上消除了寄生纹波。
此时需要外接纹波发生电路，与控制信号叠加共同完成平均电流和纹波调节。
实现了平均电流与纹波的解耦，两者单独可调。
1.2 电流检测和反馈在电源电压和线圈内阻恒定的条件下，线圈电流与PWM占空比成比例关系。
但是，在工程机械运行过程中，电源电压波动和线圈发热引起内阻变化是常见问题。
此时，需要测量线圈电流，作为反馈、构成闭环系统（内环）将平均电流调节到设定值[3]。
线圈电流闭环控制可以用硬件或软件实现。
传统放大器大都采用硬件构成PI调节器，但调试、参数设置和灵活性方面存在缺陷。
软件方法以MCU为基础，通过嵌入式算法完成PID整定和在线测量参数反馈。
比较适合网络环境下的电液比例控制系统开发和调试。
电流检测的另一个重要用途是用于间接测量阀芯位移。
直接测量比例阀的下游液压参数往往比较困难、或者成本很高，比例阀外环控制的反馈常以阀芯位移代替。
虽然内置LVDT（线性可变差分变压器）位移传感器的比例阀产品已经面市，但由于价格和体积等原因在工程机械领域难以普及。
通过线圈电流间接测量阀芯位移是一种现实可行的选择。
因为机械负载施加在螺旋管上的力与磁场强度成比例关系，而磁场强度与线圈电流成比例。
然而，实际系统中比例阀的构造、外部负载的变化、甚至不同工况都会影响螺旋管运动与线圈电流间的对应关系。
此时必须依靠特性曲线进行校正。
1.3 斜坡控制、死区、增益及其它斜坡控制模块主要用于延缓输入命令信号的变化速度。
不同控制周期间的输入瞬变会造成比例阀输出振荡，长期作用会损害比例阀性能、降低使用寿命。
斜坡控制分上升沿调节和下降沿调节，一般要求单独可调。
阀芯类比例阀通常在起始或中心位置设置一定的死区（或交叠）。
此时，线圈电流必须超过一定阈值，系统才能动作。
死区能消除零位置的阀芯泄漏，同时也为电源故障或紧急刹车等异常情况提供了更大的安全保障。
放大器增益定义为输出电流与输入命令信号的比值。
如果定义I-m ax 为满量程命令信号输入时所对应的最大输出电流，那么调节I-m ax就等效于调节增益。
另外，工程机械用比例放大器通常要求提供“使能”控制引脚。
它通过一定电平信号打开或关闭放大器，主要用于紧急刹车和安全互锁。
1.4 现场总线与网络接口以现场总线为基础的分布式控制系统是现代工程机械电子控制技术发展的方向。
作为汽车内部ECU串行通信的标准，CAN总线在工程机械领域得到广泛应用。
但是传统的CAN总线只包含数据链路层和物理层的部分内容。
要解决不同厂商设备间信息互换和检测、组态、操作节点等问题，尚需一种开放、标准化的高层（应用层）协议。
目前，由CiA（CAN in Autom ation）组织提出的CANopen协议，在汽车和工程机械领域处于主导地位，已成为事实上的应用层标准[2]。
比例阀放大器是工程机械现场总线网络和分布式控制系统的典型节点。
支持ISO 11898标准的CAN收发器和控制器芯片已相当普及，因此放大器节点实现的难点主要集中在CANopen协议的实现。
工程上主要有三种方法：?根据CiA的CANopen协议和设备行规，自行开发应用层软件。
?购买源码（如：Sys Tec、Peak、Port等），针对特定的MCU进行移植。
?选择带协议固件（Firmware）的CANopen模块，利用开发套件进行参数配置和网络组态。
图1 比例阀放大器系统结构框图其中，自行开发的方法一般周期较长，而且存在协议不兼容的风险。
模块方法成本较高、且灵活性较差、难于扩展。
源码移植方法难度介于两者之间、批量成本低、且灵活性强，比较适合于OEM设备的开发。
放大器CANopen接口产生的价值不仅限于分布式控制所带有的可靠性增强、硬件成本降低和连线简化。
CANopen协议所提供的SDO（服务数据对象）可用于远程参数设置和程序下载（前提是微控制器具有在系统和在应用编程功能），PDO（过程数据对象）能将过程参数实时传送到组态、显示终端。
这使得比例放大器的在线和在现场调试成为可能，为产品开发、安装、调试和维护带来了方便。
2. 系统设计与实现比例放大器的系统结构如图1所示。
图中，螺线管驱动采用BB公司的PWM高端（High-Side）驱动芯片DRV104。
高端驱动的优点是允许负载接地，符合工程机械电气设计的规范。
DRV104芯片内置PWM波发生器：振荡频率通过外接电阻设计，在500Hz～100kHZ间可调，占空比可由控制引脚的外加电压调节，输入范围为1.3V～3.9V，对应占空比为5%～90%。
PWM信号直接驱动片内的DMOS开关管，最大负载能力为1.2A。
DRV104还具有满量程启动、内部过电流保护和过热关断功能。
本设计中微处理器的DAC输出经斜坡调制、纹波叠加后与DRV104相连，实现线圈电流的数字调节。
纹波发生器是比例阀颤振的实现方式。
采用专用信号发生器芯片ICL8038构成三角波发生器，信号频率通过外接电阻调节，信号幅值通过增益电阻调节。
颤振频率和幅值需要针对特定的比例阀和负载设定，为方便调试，本设计中用数字电位器代替传统电位器，由微处理器完成参数设置。
斜坡控制模块本质上是一阶惯性环节，利用二极管的单项选择功能，可实现上升、下降斜坡单独可调。
调试过程中，斜坡坡度设置也是通过数字电位器由微处理器完成。
死区和增益调节相对简单，在微处理器软件中对DAC输出做相应限制即可。
与传统比例放大器比较，分布式环境下的紧急刹车和安全互锁实现方式差异较大。
