基于距离传感器的电磁阀测力系统设计

2018-10-31李渊

现代商贸工业 2018年27期

李渊

摘要：针对电磁阀产品测试要求开发设计了基于距离传感器的电磁阀测力系统。该系统用来对电磁阀线圈电磁力进行性能检测，是电磁阀主要性能参数测试的重要试验平台。简要介绍了测试系统组成、主控制器、串口通讯模块、AD采集模块、伺服电机控制。经电磁阀产品联试表明，测力系统能够满足供电、通信、信号采集需求，设备工作稳定、可靠、界面友好，能够很好地满足测试需求。

关键词：电磁阀；距离传感器；串口；伺服电机

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672]3198.2018.27.093

1电磁阀的工作原理

气动电磁阀品种繁多、结构各异，但基本原理无太大区别，即利用电磁力产生拉力，使阀芯迅速移动改变气流方向。其基本组成如图1所示，线圈通电后，产生电磁力作用于阀芯，克服弹簧复位力或气复位力等阻力，推动阀芯运动，将阀芯关断（常开型）或打开（常闭型）；线圈断电后，电磁力消失，弹簧复位力或气复位力使阀芯复位。

2测力系统组成

电磁阀工作的核心模块为线圈电磁力，测力系统主要用来完成线圈电磁阀电磁力测试。测力系统有两种测试模式：

（1）測试模式1：保持电磁阀供电电压不变，测试阀芯在不同位移下的电磁力；

（2）测试模式2：保持电磁阀阀芯在一恒定位置，保持位移不变，测试该位移点供电电压和电磁力之间的曲线。其组成如图2所示。

测力系统硬件主要由STM32单片机主控系统、电源、拉压力传感器、距离传感器、丝杠、伺服电机组成，其执行原理如下：

（1）测试1过程：电磁阀通电，保持电磁阀供电电压不变，随着阀芯位移动作，产生吸合力发生变化。同时伺服电机上电，STM32控制电机运动，由减速机、丝杠和滑块经转接螺杆推动激光挡板运动，激光挡板与阀芯连接，此时可实现阀芯移动。由于阀芯位移变化，此时电磁阀的吸合力随之改变，实现了电磁阀吸合力与阀芯位移之间的测试。其中电磁阀吸合力测量由拉压力传感器完成，阀芯位移测量由激光距离传感器完成。

由拉压力传感器和激光距离传感器测量的变化模拟量，经信号调理电路后，由STM32主控系统AD电路采集，并由程序根据采集的变化量，绘制出磁阀吸力与阀芯位移的曲线关系，完成测试。

（2）测试2过程：STM32控制伺服电机，由于丝杠的自锁性能和电机的保持力矩特性，可使经由与电机相连的减速机、丝杠、滑块、转接螺杆、激光挡板保持不动，最终使得电磁阀阀芯位移不变，改变电磁阀供电电压，使阀芯产生吸合力发生变化，实现了磁阀吸合力与电磁阀电流（电压）之间的测试。

2.1主控制器

在设计过程中，只有保证了硬件电路的可靠性和运行速度，控制系统软件才可以顺利实现。目前市场上主控芯片种类繁多，考虑到集成度、功耗、芯片资源、运行速度、开发资料、市场认可度，本设计主控系统选择了ST公司的32位微控制器STM32F103ZET6，该控制器采用ARM的Cortex-M3内核，具有超低的功耗和极高的性价比。控制器工作电压范围为1.8V至3.6V，引脚工作电压3.6V，同时兼容5V的I/O输入。其自带的512K高速Flash存储器，能够满足大多数程序和数据存储要求，运行时钟为72M，满足设计要求。

2.2串口通讯模块

STM32主控系统中，串口通讯模块完成电源控制、位移传感器读取、温度传感器读取，主控芯片自带3个串口模块，最高通讯速率为4.5Mb/s，只需外围搭建串口电平转换电路即可，本设计选用SP3232芯片作为电平转换电路，电路模块如图3所示。

2.3AD采集模块

采集信号中，需要采集1路电流转电压、5路电压跟随、3路1/4系数电压调理，选用LM308AH双路低功耗运放运放搭建调理电路，电路如图4所示。

A/D转换电路中，A/D芯片采用美国ADI公司生产的AD7656，其内置6个16位、快速、低功耗逐次逼近型ADC，真双极性模拟输入，引脚/软件可选范围为±10V、±5V，采样速率为250KSPS，SPI串行接口，精度为±0.0015%。

2.4伺服电机控制

本设计中，采用伺服电机完成电磁阀阀芯精确位移和保持阀芯位置不变，因此采用PID算法完成闭环控制。

PID控制核心是根据期望误差，利用比例、积分、微分等算法计算出控制量，其基本原理如图5所示。

PID控制规律为：

u（t）=Kp*e（t）+Ki*∫tne（t）dt+Kdde（t）dt（1）

其中：Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为比例系数，u（t）为控制量，e（t）为期望值与测量值之差。

本设计中，阀芯位移PID软件算法实现，如图6所示。