摘  要： 分析了脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制電液比例閥的基本原理，采用C8051F340單片機(jī)設(shè)計(jì)控制電路，通過(guò)可編程計(jì)數(shù)器陣列(PCA)模塊編程實(shí)現(xiàn)了變周期PWM信號(hào)的產(chǎn)生，通過(guò)達(dá)林頓晶體管陣列芯片實(shí)現(xiàn)功率放大。實(shí)驗(yàn)表明，該電路具有配置靈活、響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，滿足電液比例閥控制要求。
關(guān)鍵詞： 電液比例閥；單片機(jī)；變周期；脈沖寬度調(diào)制；功率放大

    電液比例閥具有可靠、節(jié)能、廉價(jià)、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是理想的電液控制元件。電液比例控制的核心是控制電液比例閥的電流。模擬式控制方法控制功率輸出極到比例閥線圈的電流是連續(xù)電流，電子功率器件功耗大，需加裝散熱裝置;同時(shí),由于液壓系統(tǒng)受溫度、負(fù)載等參數(shù)變化的影響較大，在對(duì)控制性能要求較高的場(chǎng)合往往不能滿足要求。脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制功率輸出極為開(kāi)關(guān)型結(jié)構(gòu),功耗小;且PWM信號(hào)包含同頻率的脈動(dòng)量，無(wú)需另加顫振信號(hào)，抗干擾、抗污染能力強(qiáng)，滯后時(shí)間短，重復(fù)精度高。由于采用數(shù)控形式，與計(jì)算機(jī)或微處理器連接方便，因此，可實(shí)現(xiàn)程序控制[1]。
1 電液比例閥PWM控制原理
    電液比例閥PWM控制中，PWM信號(hào)加到比例閥線圈上時(shí)，由于脈沖頻率遠(yuǎn)大于閥芯的響應(yīng)頻率，所以閥芯的運(yùn)動(dòng)只響應(yīng)PWM信號(hào)的電流平均值。PWM原理電路如圖1所示，PWM信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止。占空比定義為：

    D=TH+TL  (1)
式中：T=TH+TL，為PWM的周期；TH為PWM信號(hào)高電平時(shí)間；TL為PWM信號(hào)低電平時(shí)間[2]。
 
 

2.1 PWM波發(fā)生電路
    本電路MCU采用C8051F340單片機(jī)，片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA)包含1個(gè)專(zhuān)用16 bit計(jì)數(shù)器/定時(shí)器時(shí)間基準(zhǔn)和5個(gè)捕捉/比較模塊，具有8 bit和16 bit兩種PWM輸出模式,可以利用編程實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)輸出。
2.2 光電隔離
    PWM信號(hào)經(jīng)單片機(jī)I/O口輸出。為提高系統(tǒng)抗干擾能力，應(yīng)在功率放大前對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。這里采用6N137高速光耦芯片，其延遲時(shí)間最大僅為75 ns[4]。
2.3 功率放大

    單片機(jī)引腳輸出電流只有幾十毫安，而比例電磁鐵工作電流一般達(dá)幾百毫安,因此需要對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大才能驅(qū)動(dòng)電液比例閥。采用達(dá)林頓管陣列芯片SN75423進(jìn)行功率放大，其最大輸出電流達(dá)500 mA，輸出端最大電壓為100 V，延遲時(shí)間小于0.2 ?滋s，完全可以滿足使用要求。
2.4 電源
    采用5 V電源向單片機(jī)供電；DC24V電源加載到功放芯片輸出端；WS78L05將24 V轉(zhuǎn)為5 V為6N137供電，保證兩端電源獨(dú)立。
3 軟件設(shè)計(jì)
    本電路的軟件設(shè)計(jì)在Keil Vision3環(huán)境下,利用C51語(yǔ)言編程予以實(shí)現(xiàn)。
3.1 PWM波的產(chǎn)生
　　配置PCA模塊為8 bit PWM工作方式，使用模塊的捕捉/比較寄存器PCA0CPLn改變PWM信號(hào)占空比。當(dāng)PCA計(jì)數(shù)器/定時(shí)器低字節(jié)(PCA0L)與PCA0CPLn值相等時(shí)，CEXn引腳輸出被置1，PWM為高電平；當(dāng)PCA0L計(jì)數(shù)溢出時(shí)，CEXn輸出被復(fù)位置0，PWM信號(hào)為低電平。CEXn輸出信號(hào)經(jīng)優(yōu)先權(quán)交叉開(kāi)關(guān)譯碼器配置后與I/O口相連。當(dāng)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的低字節(jié)PCA0L溢出時(shí)(從0xFF~0x00),保存在PCA0CPHn中的值被自動(dòng)裝入PCA0CPLn，不需軟件干預(yù)。因此，要改變PWM占空比，只需通過(guò)編程對(duì)PCA0CPHn賦相應(yīng)值即可[5]。
    8 bit PWM工作方式下的占空比D計(jì)算式為：
    D=(256-PCA0CPHn)/256  (6)
    PCA0CPHn在0x00~0xFF之間變化，對(duì)應(yīng)PWM占空比為100%~0.39%。可通過(guò)將ECOMn位置“0”來(lái)產(chǎn)生0%的占空比。對(duì)于給定占空比D的PCA0CPHn計(jì)算式為：
    PCA0CPHn=256(1-D)  (7)
3.2變周期PWM的實(shí)現(xiàn)
    由以上分析可知，PWM周期T和占空比D同時(shí)影響閥控電流I和電流波動(dòng)值dI，因此在考慮系統(tǒng)固有頻率及控制精度基礎(chǔ)上，要求PWM信號(hào)在不同占空比下具有不同周期。
    單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)周期由PCA計(jì)數(shù)器/定時(shí)器時(shí)鐘周期決定。設(shè)PCA時(shí)鐘周期為t,則PWM周期T=256×t。
    PCA計(jì)數(shù)器/定時(shí)器由一個(gè)可編程的時(shí)基信號(hào)驅(qū)動(dòng)，時(shí)基信號(hào)有系統(tǒng)時(shí)鐘、系統(tǒng)時(shí)鐘/4、系統(tǒng)時(shí)鐘/12、外部振蕩器時(shí)鐘/8、定時(shí)器0溢出或外部時(shí)鐘輸入(ECI)等6種時(shí)鐘源。
    定時(shí)器0在自動(dòng)重裝載的8 bit計(jì)數(shù)器/定時(shí)器工作方式(方式2)下，TL0保持計(jì)數(shù)值，而TH0保持重載值。當(dāng)TL0計(jì)數(shù)值溢出(從0xFF到0x00)時(shí)，定時(shí)器溢出標(biāo)志TF0被置位，TH0重載值被重新裝入TL0。如開(kāi)中斷，TF0置位時(shí)將產(chǎn)生中斷，TH0重載值保持不變。在允許定時(shí)器計(jì)時(shí)之前應(yīng)正確初始化TL0。該工作方式下，可通過(guò)編程設(shè)定不同TH0值使定時(shí)器0產(chǎn)生不同的溢出時(shí)間間隔，即產(chǎn)生可編程的溢出頻率,以提供可編程PCA時(shí)鐘源。
    定時(shí)器0可選時(shí)鐘頻率源包括：系統(tǒng)時(shí)鐘、系統(tǒng)時(shí)鐘/4、系統(tǒng)時(shí)鐘/12、系統(tǒng)時(shí)鐘/48、外部時(shí)鐘/8。若定時(shí)器0時(shí)鐘源頻率為F，則定時(shí)器0溢出頻率f為：
  

    首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化配置。當(dāng)單片機(jī)接收到PWM控制指令后，從控制指令中獲取此周期內(nèi)信號(hào)的指令占空比和頻率值，利用相應(yīng)的公式計(jì)算PCA寄存器值及定時(shí)器0溢出頻率值，并根據(jù)計(jì)算的數(shù)值配置PCA及定時(shí)器0，最終向硬件電路輸出一個(gè)完整周期的PWM信號(hào)。同時(shí)，單片機(jī)繼續(xù)接收控制指令并進(jìn)入下一周期的計(jì)算，以此循環(huán)往復(fù)。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    用100 Ω/25 W電阻及0.3 H電感模擬電液比例閥線圈負(fù)載來(lái)驗(yàn)證PWM控制電路。用示波器測(cè)量單片機(jī)輸出PWM信號(hào)和加在負(fù)載上的PWM信號(hào),如圖5、圖6所示，其中波形1為單片機(jī)I/O口輸出的PWM波，波形2為加到負(fù)載上的PWM波。

4.1 占空比誤差分析
　 圖5中，占空比為25%，頻率為3.9 kHz。計(jì)算可知，該電路輸出PWM信號(hào)占空比誤差為5 ?滋s。
4.2 時(shí)間延遲分析
　 圖6中，占空比為75%，頻率為3.9 kHz。計(jì)算可知，PWM波形最大延遲時(shí)間為2 ?滋s。
    實(shí)驗(yàn)表明，基于C8051F340單片機(jī)的變周期PWM電液比例閥控制電路切實(shí)可行，且具有價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)、控制精度高、延遲時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn);采用C8051F340單片機(jī)的PCA實(shí)現(xiàn)變周期PWM輸出，其軟件編程簡(jiǎn)單，可靈活使用，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 李光彬,張吉林，張雪梅，等.C8051F320單片機(jī)在電液比例流量閥中的應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封,2007,27(1):34-36.
[2] 李光彬，張雪梅，趙光，等.基于PWM控制技術(shù)的電液比例閥的研究[J].煤礦機(jī)械,2006,27(11):114-116.
[3] 劉強(qiáng).基于PLC的通用型電液比例閥數(shù)字控制器[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(3):75-77.
[4] 縱慧慧，郝繼飛，劉會(huì)娟，等. 基于PWM控制的電液比例閥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2009(12):111-113.
[5] 童長(zhǎng)飛. C8051F系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)與C語(yǔ)言編程[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.