基于位移流量双反馈的矿用电磁阀智能控制系统设计

2021-07-27布朋生

煤炭工程 2021年7期

布朋生

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006)

液压系统是煤矿机械设备重要的动力源之一，借助复杂的电液阀组和液压油路完成矿用机械设备的举升、支撑等动作。矿用电磁阀控制系统具有非线性、时变性的特点，控制的灵活性和精准性亟需提高。煤矿井下常用的电液阀组有电液换向阀和电液比例阀两种，其中电液换向阀主要用于对液压执行元件的动作进行控制，或对油液的流动方向进行控制，只有阀门打开和阀门关闭两种状态；电液比例阀可根据电压/电流信号的大小，使阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并完成输入电压/电流成比例的压力、流量输出，进而完成对液压执行元件的可控比例控制[1，2]。基于电磁阀控制系统，国内外科研人员进行了一系列的研究，如王晓虎[3]等基于AD689芯片设计半桥式电感位移传感器电路，用于实时检测阀芯位移，控制电磁阀的流量或阀口压差；设计位移传感器电路在迟滞性、线性度、动态特性等方面与满足电磁控制要求，是一种低成本、高性能的电磁阀阀芯位移检测方案。汤龙飞[4]等以用于空调制冷行业的交流电磁阀为研究对象，将开关电源、电磁阀闭环控制功能集成设计为交流电磁阀智能控制模块，并完成模块瞬态、闭环启动过程仿真，验证了交流电磁阀智能控制模块的有效性和优越性，提升了电磁阀控制的智能化水平。曹冬华[5]等为实现对共轨喷油器的精确、稳定控制，建立基于电流反馈驱动控制的喷油器数学模型，完成高低压分时驱动电流反馈电路设计，利用Tektronix TDS 2024C完成驱动电路性能试验，可满足对喷油器的控制要求。陈林[6]等针对柴油机电控喷射系统用高速电磁阀为研究对象，建立电磁阀电路和动力学模型，设计电磁阀闭合始点检测、定位算法，完成喷射系统高速电磁阀的始点闭环控制，实现喷油量的精确控制。已有的电磁阀控制系统主要存在的问题有：①以理论研究与系统仿真为主，还需进一步在试验平台完成系统测试才有可能应用；②针对矿用电磁阀控制系统研究不多，矿用电磁阀控制系统在稳定性、可靠性以及环境适应性等方面要求较高，而数据通信实时性比非煤矿电磁阀控制系统的要求低。基于STM32F103控制器，设计并实现矿用电磁阀阀芯位移、阀口流量双反馈智能控制系统，在满足控制系统实时性要求的前提下，提高电磁阀的控制精度和稳定性。电磁阀智能控制系统可将阀芯位移、阀口流量数据传送至前级PLC控制系统，促使其形成位移、流量双闭环控制。

1 系统设计

矿用电磁阀智能控制系统设计如图1所示，核心为STM32F103控制芯片，以采样频率Fset采集阀芯位移、阀口流量传感器信号，经硬件模拟量处理电路、功率放大电路处理后转换为STM32F103控制器可接收的0～3.3V模拟电压信号，交由电磁阀智能控制系统中断处理模块、模拟量处理模块、模糊PID处理模块进行滤波、模数转换以及逻辑控制，同时将需要实时监控的数据以CAN总线通信模式发送至上位机系统。电磁阀智能控制系统还包括电源电路设计、晶振电路设计以及软件部分的初始化模块、主循环模块等，共同完成对电磁阀的智能控制。

图1 矿用电磁阀智能控制系统设计

2 硬件设计

2.1 关键硬件选型

矿用电磁阀智能控制系统的关键硬件包括STM32F103控制器、阀芯位移传感器、阀口流量传感器等，选型设计具体如下：

2.1.1 STM32F103控制器

选择的STM32F103控制器内核为32位高性能、低功耗ARM Cortex-M3处理器，时钟频率可达72MHz，存储容量、I/O口、ADC、DA/DMA以及通信接口等方面配置完善、性能优越。STM32F103控制器ADC模数转换器支持18个复用通道(16个外部源+2个内部源)，12位分辨率，支持单次、连续、扫描或间断执行模式；转换时间为1μs(时钟频率为56Hz)或1.17μs(时钟频率为72Hz)；具有自校准和数据对齐功能；STM32F103控制器自带一个CAN总线通信接口，支持CAN2.0A以及CAN2.0B协议，可按照优先级发送CAN通信数据；支持CAN通信波特率可达1Mbit/s；支持时间触发通信；具有3级深度FIFO队列；具有可变过滤器组；可增加TJA1040/TJA1050 CAN通信收发接口电路实现与外部CAN总线的通信[7，8]。STM32F103控制器在处理性能、ADC以及CAN通信等方面满足设计的电磁阀智能控制系统要求。

2.1.2 阀芯位移传感器

选择LVDT-EK300/3500型系列阀芯位移传感器，采用LVDT测量技术，精度高，数字化处理线性号[9]。输出采用PWM方式，响应速度快，可承受35MPa高压。电源输入DC24V、功率消耗小于2W、信号输出DC 0～5V、测量范围为0～10mm，线性精度优于0.5%、测量精度优于0.5%，满足电磁阀智能控制系统对阀芯位移的检测要求。

2.1.3 流量传感器

选择SCVF-015-10-01派克流量计，可测量过滤精度为25μm的液压油；测量范围为0.2～15L/min；额定压力为40MPa，过载压力位48MPa，分辨率为4082冲量/L，非线性误差为±0.5%FS，重复精度为0.01%FS，响应时间小于10ms，满足电磁阀智能控制系统对阀口流量的检测要求。

2.2 关键电路设计

矿用电磁阀智能控制系统的核心电路设计包括模拟量输入接口电路、CAN通信接口电路以及电源转换电路、晶振电路等。

2.2.1 模拟量输入接口电路

阀芯位移传感器与腔内压力传感器的输出信号为DC 0～5V电压信号，而STM32F103控制器A/D转换模块可接受的输入电压信号为DC 0～3.3V，因此，需要设计模拟量输入接口电路，满足控制器模拟量信号输入要求[10-12]。设计的位移、流量模拟量输入接口电路如图2所示，输出AD0为DC 0～3.3V电压信号，可由控制器直接采集，完成对应的采集功能。AN301芯片接收位移、流量传感器输入DC0～5V电压信号，经两级运算放大器后转换至DC0～2.5V，满足STM32F103控制器模拟量输入要求。

图2 位移、流量模拟量输入接口电路

2.2.2 CAN通信接口电路

STM32F103控制器与上位机系统采用CAN总线通信实现数据传送，设计的CAN总线通信接口电路如图3所示。采用的TJA1050芯片具有较强的抗电磁干扰能力，EMC性能优越，可保证CAN总线通信质量，误码率、丢包率低。TJA1050芯片的传输速度可达1Mbit/s，可保证CAN总线的数据传输效率。

图3 CAN总线通信接口电路

3 软件设计

矿用电磁阀智能控制系统的软件平台为基于Keil MDKμVision V5 ARM编程环境，使用C语言完成电磁阀智能控制系统功能。矿用电磁阀智能控制系统软件按照系统设计实现的功能，主要分为初始化模块、主循环模块、ADC数据采集模块、PID控制模块以及CAN通信模块。

3.1 ADC数据采集模块

ADC数据采集功能采用NVIC中断模式实现，支持嵌套和向量中断，支持自恢复和保存中断状态、支持动态优先级调度算法，可有效降低中断时延。ADC数据采集软件流程如图4所示，为提高阀芯位移、阀口液压油流量模拟量数据采集精度，软件设计连续采集10次该路模拟量数据，将求得的算术平均值作为该路模数转换的输出。设定采集阀芯位移传感器数据的通道为ADC0；采集阀口液压油流量传感器数据的通道为ADC1。设置ADC0/ADC1的转换模式为“连续”。

图4 ADC数据采集模块软件流程

3.2 PID数据控制模块

对阀芯位移、阀口液压油流量传感器的驱动装置采用PID控制方法，有效减少电磁阀控制的超调量、增加稳定性、减小动态误差[13，14]。对PID控制器参数采用临界比例工程整定方法，在系统试验中完成：①预设采样周期Tmin，系统工作；②令Ti=0、Td=0，设定输入为允许最大值的65%，将P由0开始逐渐增大，直至系统出现振荡；将P逐渐减小，直至振荡消失，此可比例增益系数为Pai，设定比例增益系数为Pset=0.65Pai；③令Pset=0.65Pai，设定Ti=Tmax，将Ti逐渐减小，直至系统出现振荡；将Ti逐渐增大，直至系统振荡消失；此时Ti=Tai，设定积分常数为Tiset=1.65Tai；④设定微分时间常数Tdset=0。电磁阀智能控制软件系统PID数据控制模块流程如图5所示。

图5 PID数据控制模块流程

3.3 CAN通信模块

STM32F103控制器与上位机系统以CAN总线通信模式实现数据传输，建立CAN总线通信连接时，设置波特率为250kbit/s，一条连接可接收(发送)8字节数据。自定义控制器与上位机协同CAN总线通信协议，在接收或发送数据时，按照自定义的CAN总线通信协议打包或者解析。

4 试验验证

在实验室完成设计并实现的矿用电磁阀智能控制系统试验验证，试验结果原理如图6所示。将阀芯位移传感器安装于电磁铁上，通过测量电磁铁铁心位移得知阀芯位移距离。将流量传感器安装于电磁阀出口位置，测量液压油的流量[15]。位移进给装置用于控制阀芯位移，装置每转动一周，阀芯移动距离为1mm。智能控制系统以频率Fset采集位移、流量传感器数据经处理后上传至上位机进行实时显示。便携式电脑用于调试和控制上位机软件以及智能控制系统软件。

图6 电液阀组智能控制系统试验结构原理

利用位移进给装置分别完成阀芯正向行程和反向行程试验，绘制阀芯位移与ADC位移接口输出电压关系曲线，如图7所示，阀芯位移与输出电压的线性度良好，最大滞环为0.29%。在进行阀芯位移测量试验的同时，对阀口流量进行监测和统计，绘制液压油流量与ADC流量接口输出电压关系曲线，如图8所示，阀口液压油流量与输出电压的线性度零号，最大滞环为0.27%。