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

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。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-max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-max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 Automation）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。本设计利用DRV104的使能引脚实现。但控制量包括微处理器的看门狗复位、外接急停开关、网络紧急报文和安全互锁PDO绑定等，各控制量通过逻辑运算、经IO口与DRV104使能引脚相连。

螺线管线圈电流检测是比例放大器设计中的重要环节。从精度、成本、安装尺寸等方面考虑，我们采用采样电阻分压的测量方法。电阻采样的一个主要问题是电阻发热引起的温漂误差。根据经

验，如果电阻分压值不超过100mV，在散热良好的环境下温漂误差可限制在1％以下。另外，为检测螺线管漏电电流，汽车行业相关标准强制要求采用高端采样（High-Side Sense）。此时，采样电阻安装在螺线管之上、靠近电源端。为抑制高达24V的共模电压，我们采用AD公司AD8202高共模电压差分放大器进行调理放大。考虑到感兴趣的是线圈平均电流，低通滤波是必需的，滤波器截止频率要求足够低以抑制纹波和线圈产生的噪声，本设计中采用模拟滤波与数字滤波相结合的方法，模拟滤波截止频率200Hz，数字滤波器根据具体应用进行调整。

3. 微处理器选型和CANopen移植

作为现场总线网络的节点，比例放大器不光要完成传统的控制和检测功能，还要求支持程序和组态参数的网络下载。ATMEL公司的增强8位MCU芯片AT89C51CC03，内置标准CAN控制器、64K Flash 存储器，更重要的是，它支持基于CAN总线的在系统和在应用编程，这使得系统开发、调试和维护可以采用统一的总线接口。选用AT89C51CC03作为放大器微处理器，再加上TJA1050高速收发器，系统就具备了CANopen接口的硬件基础。

典型CANopen设备（节点）要求符合DS-301或DS-401标准，其设备模型如图2所示，由“通信接口和协议软件”、“对象字典”、“过程接口和应用程序”三部分组成。考虑成本、周期和存储容量等因素，我们选用Esacademy公司的MicroCANopen源码进行移植。MicroCANopen是一种简化版的CANopen协议实现，它支持基于SDO的对象字典访问、心跳、最多4个发送和接受PDO、层设置服务（LSS）以及用户回调函数等功能。对放大器而言，这些功能已经可以满足网络互联和分布式控制的要求。将MicroCANopen移植到AT89C51CC03后所占的存储容量为8kbs左右，包括对象字典、对象映射和回调函数接口等。

图2 CANopen设备模型

系统调试平台由安装NI公司LabView软件的PC机和Sys Tec公司的USB-CANmodul接口模块组成，通过双绞线与放大器远程连接。调试时无需修改目标板软件，过程参数经CANopen网络传送到PC机，利用Labview软件的优秀波形显示能力对数据进行实时分析。调试完毕后，参数和代码仍由CAN总线下载到在板存储器中。

4. 结束语

本文对比例放大器设计过程中应注意的问题进行了详细阐述，提出一种基于微处理器和CANopen 现场总线技术的解决方案，具有结构简单、成本低、调试和维护方便，便于网络集成等优点，适应当前工程机械行业电液控制技术的发展方向。