王夺;黎青;吕松;张戈;陈太光;何亿炎;薛天山
【摘 要】介绍一种矿用比例电磁阀驱动电路的设计方案及仿真方法.该电路采用基于PWM的电压输出DAC方式,具有控制精度高、成本低、电路简单等优点.利用减法电路实现的双极性电压输出能简单、有效地输出负电压.该电路能精确输出控制指令,并与其他设备通过CAN总线互联.PSpice软件通过参数扫描,可以仿真出占空比变化的PWM信号,实现该电路的仿真. 【期刊名称】《煤矿机电》
【年(卷),期】2015(000)006
【总页数】4页(P19-22)
【关键词】脉宽调制;PSpice仿真;比例电磁阀
【作 者】王夺;黎青;吕松;张戈;陈太光;何亿炎;薛天山
【作者单位】天地科技股份有限公司上海分公司,上海201401;天地科技股份有限公司上海分公司,上海201401;神华新疆能源有限责任公司,新疆乌鲁木齐830000;神华新疆能源有限责任公司,新疆乌鲁木齐830000;神华新疆能源有限责任公司,新疆乌鲁木齐830000;神华新疆能源有限责任公司,新疆乌鲁木齐830000;神华新疆能源有限责任公司,新疆乌鲁木齐830000
【正文语种】中 文
【中图分类】TN787
0 引言
国内煤矿生产设备上使用的比例电磁阀比较普遍，但在使用过程中经常因其驱动模块控制精度、可靠性、工作适应范围等问题，直接影响了生产设备的工作效率。本文针对矿用比例电磁阀的使用特点，提出了一种基于PWM 的矿用比例电磁阀驱动电路的设计方法，该电路利用PWM 转电压的方式，利用单片机固有的PWM 输出，结合外部电路有效输出可调的±10 V 电压。该电路结构简单，具有较好的拓展性，能实现输出高精度可调±10 V 电压用于驱动比例电磁阀，具有一定的工程应用价值。
1 ±10 V 电压输出电路
整体结构如图1 所示，该±10 V 电压输出电路由单片机、通信接口电路、隔离电路、滤波电路和减法电路等组成。 单片机通过通信接口电路与其他设备通信，通过CAN 总线接收控制信号。单片机通过直接总线与时钟电路、通信接口电路进行通信，总线调度由核心单片机处理。工作时，单片机按输出电压值计算出PWM 信号的占空比，通过TIM 定时器输出PWM信号。PWM 信号经过隔离电路后，到滤波电路滤波。两路PWM 信号经滤波之后形成的正电压信号接到减法电路输入端，通过逻辑控制，能输出正负两种可调电压。
图1 ±10 V 电压输出电路结构框图
2 硬件设计
2.1 单片机模块与光耦隔离芯片设计
ST 公司推出的中低端的STM32F103 芯片采用ARM Cortex-M3 处理器内核，时钟频率为7
2 MHz，它可以通过高级定时器和通用定时器，产生最多30路PWM 输出，由外部8M 晶振所组成的时钟电路为STM32F103 芯片提供时钟输入源。
为避免后级电路中干扰窜入单片机，应使单片机与后级功率电路有效隔离，需有相应隔离电路。如图2 所示，隔离电路采用的是双路、高速光耦芯片HCPL2631。设计光耦输出电源电压为隔离5 V 电压，使PWM 转电压电路的PWM 波脉冲电压为5 V。
图2 光耦隔离芯片电路图
2.2 PWM 转电压电路设计
PWM 转电压电路输入为脉冲宽度不变、占空比变化的PWM 信号，经过二阶RC 滤波电路和电压跟随电路，输出电压可调的直流电压。为保证输出电压分辨率，PWM 信号频率越高越好，但频率过高对后级元器件转换速率要求太高，实际选择2 kHz。二阶RC 滤波电路需要截止频率很低，但截止频率的降低会增加输出的滞后。如图3 所示，电路电阻选择R18=R19=15 kΩ，电容选择C14=C16=0.01 μF，则截止频率为0.37/(2πRC)=394 Hz。滤波器在超过1/(2πRC)=1 kHz 以后，幅频特性以-40 dB/dec 的速率下降。电压跟随器的作用是使经过滤波后的全部直流电压加到输出端Vo，而没有任何损失，作为一种缓冲。
图3 PWM 转电压电路图
2.3 供电电路设计
电路的外部供电电压设计成24 V，电路板上需要的电源电压等级分别为+3.3 V、+5 V、±15 V，故需要多路电源转换电路。其中，±15 V 电源主要给减法电路中运放供电，以使轨到轨输出运放能有效输出负电压。±15 V 电压产生电路，使用成品电源模块。该电源的技术指标为:输入电压24 V(18～36 V)，输出电压±15 V，最大输出电源100 mA，效率80%，最大容性负载能力220 μF。
基于PWM 的DAC 电路的实质是对电源进行脉宽调制，其精度一定程度上取决于电源电压的纹波系数。如图4 所示，可以采用CLC 滤波电路的形式减少输出纹波。就滤波效果而言，滤波电容应该往大选择，但较大电容会造成启动问题。通常，滤波电容的最大容值应该小于最大容性负载。
2.4 减法电路设计
减法电路是产生正负电压的关键环节。如图5所示的减法电路，运放的同相输入端Vp和反
相输入端Vn都接入一路PWM 转电压电路。工作时，当需要正电压输出时，Vn侧PWM 信号占空比恒为零，运放输出由Vp侧电压大小决定。当需要负电压输出时，Vp侧PWM 占空比为零，运放输出由Vn侧电压大小决定。
图4 正负15 V 电源供电回路图
图5 减法电路图
减法电路要求运放的输入失调电压小，转换速率(SR)快，轨到轨输出摆幅。本设计采用美国模拟器件公司生产的双通道、精密、低功耗、FET 输入的运算放大器AD822。AD822采用双电源±15 V工作时，它的输出电压能够达到电源的正负电源电压。直流精度性能包括最大800 μV 的失调电压，转换速率为3 V/μs。失调电压低的运放，能够避免输入端电压失配和噪声引起的输出误差。理论上，AD822 需要(30 V)/(3 V/μs)=10 μs 的时间，就可以完成正负电源电压30 V 的输出摆动。
减法电路的直流增益设计为22 kΩ/10 kΩ=2.2。理论上，当PWM 波占空比为100%时，运放输出端可以输出12 V 电压。由于实际RC 滤波电路存在一定直流损耗，输出电压应按实际测试，通过限定最大占空比来限定最大电压到±10 V。
3 PSpice 仿真和实验结果
仿真软件选择Cadence/OrCAD PSpice 软件，该软件包括大约50 000 种元器件符号，可以直接调用。
图6 所示为仿真电路图。电路仿真的重点在于PWM 信号的生成，PWM 信号仿真源选择脉冲信号源。仿真条件为:起始电压V1为10 V，脉冲电压V2为5 V，延迟时间TD 为10 ns，上升时间TR 为50 ns，下降时间TF 为12 ns，脉冲宽度PW 为0.05 ms，脉冲周期PER 为0.5 ms。单片机经过光耦隔离产生的延迟时间，以PWM 信号的延迟时间来模拟。
图6 PSpice 仿真电路图
如图7(a)的脉冲信号源产生PWM 曲线所示，电路产生占空比为10%、周期为2 kHz 的PWM 信号。变化占空比只需要变PWM 的值，通过参数扫描分析很容易做到。
如图7(b)和图7(c)的正、负电压输出响应曲线所示，只要调整减法电路运放输入端PWM 信号，可以实现正负电压输出。
电压跟随器电路图图7(d)所示的不同占空比的PWM 激励下输出响应曲线，仿真的是输出电压随占空比变大而变大。表1 列出实验采用的6 组数据，占空比按2%值变化时，输出电压变化均值0.22 V。按输出±10 V 的电压计算，输出精度为1%。
图7 仿真电路输出响应曲线图
表1 变占空比的PWM 与输出电压对应关系表
4 结语
本文详细介绍了一种矿用比例电磁阀驱动电路的设计方法，并通过PSpice 软件仿真验证了其可行性。通过改变脉冲信号源的脉冲宽度，可实现变占空比的PWM 信号输出，最终通过输出高精度可调的±10 V 电压有效驱动比例电磁阀工作。基于以上原理，可将设计的比例阀控制系统用于短壁采煤机的摇臂控制机构中，经工业现场测试，该系统控制精度高，可靠性比较高，具有良好的实用价值。
参考文献:
［1］黎青，张福建.基于Cortex-M3 的本安型比例电磁阀驱动电路设计［J］.煤炭技术，2014，246(6):171-173.
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