比例电磁阀PWM驱动器中阀线圈电流检测技术

２０１３年１１月　第４１卷第２２期　机床与液压　ＭＡＣＨＩＮＥ　Ｔ００Ｌ＆ＨＹＤＲＡＵＵＣＳ　ＮＯＶ．２０ｌ３　Ｖ０Ｌ４１　Ｎｏ．２２　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１３．２２．０３９　比例电磁阀ＰＷＭ驱动器中阀线圈电流检测技术　邓世建　，杨培培　，郑海婷　，刘钊　，朱伟　，王庆亮　（１．中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州２２１００８；　２．皖北煤电集团公司任楼煤矿，安徽淮北２３５１２３）　摘要：给出一种比例电磁阀ＰＷＭ驱动器中检测阀线圈电流的方法及理论分析。该方法使用电阻将电流变换为电压信　号，使用线性光电耦合器和运算放大器对电压信号进行电气隔离与放大，在ＰＷＭ脉冲控制下从主电源获得检测电路需要　的小功率直流电源。既完成了线圈电流的检测、放大与电平移位，又实现了驱动器主电路与控制电路的电气隔离。在某液　压绞车调速系统中的应用表明：该方法简单实用、电路稳定可靠。　关键词：比例电磁阀；ＰＷＭ；电流检测；直流电源；光电隔离　中图分类号：ＴＰ２１６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３８８１（２０１３）２２—１１０—３　Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　Ｃｏｉｌ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　ＰＷＭ　Ｄｒｉｖｅｒ　ｏｆ　Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　Ｓｏｌｅｎｏｉｄ　Ｖａｌｖｅ　ＤＥＮＧ　Ｓｈｉｊｉａｎ　，ＹＡＮＧ　Ｐｅｉｐｅｉ　，ＺＨＥＮＧ　Ｈａｉｔｉｎｇ　，ＬＩＵ　Ｚｈａｏ　，ＺＨＵ　Ｗｅｉ　，ＷＡＮＧ　Ｑｉｎｇｌｉａｎｇ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｘｕｚｈｏｕ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２２１００８，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｒｅｎｌｏｕ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　ｏｆ　Ｗａｎｂｅｉ　Ｃｏａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｈｕａｉｂｅｉ　Ａｎｈｕｉ　２３５１２３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｃｏｉｌ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＰＷＭ　ｄｒｉｖｅｒ　ｏｆ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｓｏｌｅｎｏｉｄ　ｖＭｖｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｇｎａｌ　ｗａｓ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ　ｉｎｔｏ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｗｉｔｈ　ｏｎｅ　ｒｅｓｉｓｔｏｒ，ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｗａｓ　ｍａｇｎｉｉｆｅｄ　ａｎｄ　ｉｓｏｌａｔｅｄ　ｅ—　ｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｉｆｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｍａｌｌ　ＤＣ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ＰＷＭ　ｐｕｌｓｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ，ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｅｖｅｌ　ｓｈｉｆｔ　ｗｅｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｗｅｒｅ　ｉｓｏｌａｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｗｉｎｃｈ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ，ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｓｔｅａｄｙ　ａｎｄ　ｃｒｅｄｉｂｌｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｓｏｌｅｎｏｉｄ　ｖａｌｖｅ；ＰＷＭ；Ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ＤＣ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ；Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　众所周知，在比例电磁阀ＰＷＭ驱动器中，为了　满足监测与控制的需求，必须检测比例阀线圈电流。　目前电流传感方法主要有：电流互感器，霍尔器件与　电阻等。文献综合与实物分析表明，电阻是最简单、　因此，研究使用电阻检测线圈电流的技术具有较大的　应用价值。　１　ＰＷＭ驱动器典型结构　一种典型的比例电磁阀ＰＷＭ驱动器结构如图１　最有效的方法　。使用电阻传感电流时，电阻与比　所示。　￡　ｃ　例阀线圈串联。由于检测电阻两端的电压很小，通常　需要直流放大器及相关的直流电源。直流放大时，因　为传感电阻两端中有时任一端都不接地，通常利用运　算放大器的差动放大特点进行放大与电平移位，而直　流电源从主电源获得。再考虑到在数字化ＰＷＭ驱动　置器中，为了提高可靠性，通常将主电路、电流检测电　路与控制器进行光电隔离，这就需要一个与主电源电　气隔离的辅助直流稳压电源，为电流检测电路提供电　能。总之，尽管使用电阻传感比例阀线圈电流非常简　单、可靠，但要达到理想的性能，电路就有些复杂。　图ｌ　比例电磁阀ＰＷＭ驱动器结构　收稿日期：２０１２—１１—２３　基金项目：国家自然科学基金项目（５１１７５４９７）　作者简介：邓世建（１９６２一），男，博士，教授，研究方向为检测技术与自动化装置。Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｕｍｔｄｓｊ＠１２６．ｃｏｎ１。　第２２期　邓世建等：比例电磁阀ＰＷＭ驱动器中阀线圈电流检测技术　・１１１・　图１中，￡为比例电磁阀线圈电感、ｉ　为线圈电　流、　为线圈电流传感电阻，ｌ，０为驱动器电源电压，　是控制器给定输入，ｉ　．经直流放大与光电隔离后　作为控制器反馈输入；Ｐ　、Ｐ　是ＰＷＭ信号，波形如　图２所示。　Ｐ　］厂］　ｎ厂］厂＿］厂　ｒ＿］　图２　ＰＷＭ信号波形　在Ｐ　、Ｐ：的控制下，　、　同时导通或截止，　完成对￡的驱动。　图１驱动器的优点是电流传感简单、主电路与控　制电路电气隔离，不足是需要一个与＇，ｎ不共地的直　流稳压电源和对模拟量进行隔离。　直流稳压电源的功率要求也很小，单独配备一个　电气隔离的直流稳压电源使得电路有些复杂；对ｉ　若不采用电气隔离，则直流放大器的电源可以使用　、通过运算放大器的差动放大特性将　两端的电　压移位到符合控制器的要求，但不采用电气隔离对提　高控制器可靠性不利。　稍加分析即可发现：随着　、　的导通与截止，　在点ａ、ｂ形成了与开关直流稳压电源中一样的功率　脉冲。这样，若利用该功率脉冲对　进行开关控制，　再进行滤波、稳压，那么就可以得到一个小功率的直　流电源；而对于模拟量的隔离可以采用线性光电耦合　器来实现。　２小功率直流电源电路　直流放大部分电源的电位参考为点ｂ电位，利用　点ｂ的功率脉冲对　进行开关控制获得直流电源的　电路如图３所示。　图３小功率直流电源电路　图３中，当　导通时，　通过ＶＤ　、Ｒ　对Ｃ进　行充电、为负载　供电；当　截止时，ｃ通过Ｒ　放电并继续为它提供电流，而ＶＤ　阻止Ｃ通过　对　放电；当电路达到稳态后，　波形如图４所　示　一　。　图４中，ｔ　是Ｃ充电时间，ｔ：为放电时间；ｕ　为ｃ充电达到的最高电压，／￣ＬＮ是ｃ放电时的最低电　压值。　图４小功率直流电源电路波形　当充电时，０＜ｔ≤ｔ　，初态为ｕＬ＝Ｍ　Ｎ　“Ｌ＝Ｍ瑚一（　ＩＤ一　ＬＮ）ｅ　式（１）中…＝　。＝　ｃ。　当放电时，０＜ｔ≤　２，初态为ｕＬ＝／￣ＬＭ　“Ｌ＝／￣ＬＭｅ一　（２）　式（２）中：　＝Ｒ　Ｃ；利用边界条件／／，　＝“　（ｔ１）、　“　＝“　（ｔ：），根据式（１）、（２）可求得　“　／￣ＬＭ　：　而　ｍ　ｍ　ｅ－ｔｊｒ２ＬＮ　：／３，１ＬＭ　．（３）Ｌｊ　　“　的均值为　ｕｎ＝专（　ｕ　＋　ｕ　）＝下ｔｌ　∞一　（“ｍ—　Ｍ　）（１一ｅ　／　）＋－７　　ＭＬＭ（１～ｅ　／　）　（４）　』　．纹波为　ＡｕＬ＝　ＬＭ一“ＬＮ＝（１～ｅ－ｔ　）／ＺＬＭ　（５）　注：分析中，略去了ＶＤ１正向压降与　导通压　降的影响。　例如：在　＝２４　Ｖ、Ｔ＝５　ｍｓ、ｔ１＝１　ｍｓ、Ｒｌ＝　２５０　ｎ、Ｃ＝５０　ＩｘＦ、Ｒ　＝５００　Ｑ时，使用式（３）一　（５）计算可得　Ｍ　７．４　Ｖ、　ＬⅣ　６．３　Ｖ、“　６．８　Ｖ，　△　Ｌ一１．１　Ｖ。　使用Ｐｒｏｔｅ１９９仿真图３电路的结果如图５所示。　可见理论分析与仿真结果是一致的。　一　从　＝　：　三　Ｎ、　兰ｆ一ｕ　．ｆ　三ｆ’．　罾　一　ｌ　＝ｊ　ｆ　ｊ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　ｆ　Ｊ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　ｊ｝Ｉ　Ｉ　ｆ　Ｉ　ｆ　Ｉ　Ｉ　ｌ　图５小功率直流电源电路仿真结果　应用中，在ｔ　最小时，选择合适的Ｒ。使得ｉ　／￣ＬＮ略大于Ｒ　需要的电流和电压，选择恰当的ｃ使得　△“　满足要求；为了进一步降低△“　克服ｔ　变化对　“　的影响，可增大Ｃ值、在　后增加一级ＲＣ滤波　・１１２・　机床与液压　第４１卷　和一个稳压二极管。　３直流模拟信号隔离放大电路　对输入小信号模拟量进行电气隔离通常是比较麻　烦的，但通过高线性度光电耦合器来实现就比较简单　了。ＨＣＮＲ２０１就是一种，其组成与结构如图６所　示　一　。　～　ＬＥ　Ｄ　／Ｊ＼　（）———－－－－－—————－－－－－一　图６　ＨＣＮＲ２０Ｉ组成与结构　图６中，ＬＥＤ在外部驱动下发光，ＰＤ１、ＰＤ２是　光敏二极管，ＬＥＤ与ＰＤ１、ＰＤ２间的电流传输比分别　为　Ｉ　ｐｍ　匠　Ｋ　＝＝　ＰＤ２与ＰＤ１间的电流传输比为　ＩｐＤ２：　＝　Ｋｌ　（６）　使用ＨＣＮＲ２０１隔离放大Ｒ　两端电压的典型电路　如图７所示。　图７　ＨＣＮＲ２０１电气隔离电路　图７中：ＬＥＤ与尺　是Ｄ１的负载，在Ｄ１的调节　下使得　尺　Ｌ　１ＰＤＩ　—　根据式（６），可得　Ｒ　ｉ，　，　ｍ＝　，一＝　Ｄ２将ＩｐＤ：转换为电压信号　，即　，Ｐｍ：　（７）　从式（７）可看出：Ｉ／ｏ仅与　、　、　、　和ｉ　有关，而与　、　无关；Ｒ　、Ｒ，和Ｒ　都是线性电　阻，ｉ　是被测量，制造工艺保证了　与，　具有良好　的线性关系，从而实现了模拟量的线性放大和电气隔　离。　使用Ｐｒｏｔｅ１９９仿真图７电路的结果如图８所示。　可见，输出电压　与输入电流ｉ　有着良好的线性关　系。　ｔ／ｍｓ　ｔ／Ｉｌｌｓ　（ａ）ｉＬ　（ｂ）　图８　ＨＣＮＲ２０１电气隔离电路仿真结果　应用中，先根据ｉ　．最大值选择恰当的　、选择　使得，ＰＤ。在ＨＣＮＲ２０１规定的范围内变化、选择Ｒ　使Ｄ１输出电压在保证其性能的范围内变化，再调整　使得　在期望的范围内变化，最后对　进行滤波　即可得到与ｉ　．平均值成线性关系的直流电压信号。　４结束语　在比例电磁阀ＰＷＭ驱动器中，通过与线圈串连　的电阻器传感线圈电流，性能高、电路简单；利用其　输出的功率脉冲从主电源获得阀线圈电流检测电路所　需直流电源的方法，与开关稳压电源所采用的技术是　相同的，是合理、巧妙的；使用运算放大器和线性光　电耦合器对线圈电流进行放大与电气隔离，既完成了　模拟量的放大与电平移位，又实现了驱动器主电路与　控制电路的电气隔离，一举多得。　该方法已在某液压绞车调速系统中应用，实践表　明其电路简单实用、稳定可靠。　参考文献：　【１】程大伟，邢科礼，金侠杰．电液比例控制器的设计［Ｊ］．　机床与液压，２０１０，３８（１３）：１１１—１１３．　【２】何丽红，刘兰．车用电液比例阀驱动与控制技术的研究　［Ｊ］．湖南工程学院学报，２００７，ｌ７（４）：２７—３０．　【３】邹维，蒋凯，叶树明．稳流型高效ＰＷＭ比例阀控制器的　设计［Ｊ］．机床与液压，２００９，３７（５）：７９—８１．　【４】杨树军，苏利杰，周中锐．ＰＷＭ数字比例溢流阀控制器　设计［Ｊ］．机床与液压，２００８，３６（９）：２０９—２１１．　【５】管致中，夏恭恪，孟桥．信号与线性系统［Ｍ］．北京：高等　教育出版社，２００８．　【６】孙树朴，李明，伍小杰，等．电力电子技术［Ｍ］．徐州：中　国矿业大学出版社，２００５．　【７】Ａｖａｇｏ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．ＨＣＮＲ２００　ａｎｄ　ＨＣＮＲ２０１　Ｈｉｇｈ—Ｌｉｎｅ—　ａｒｉｔｙ　Ａｎａｌｏｇ　Ｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒｓ［ＯＬ］．２００８—０９．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．　ａｖａｇｏｔｅｃｈ．ｃｏｍ．　【８】Ａｖａｇｏ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ＬＬＣ．Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｈｉ【ｓｈ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ａｎａｌｏｇ　Ｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒｓ［ＯＬ］．２０１０—０７．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｖａｇｏ—　ｔｅｃｈ．ｃｏｎ．