*天地科技股份有限公司青年创新基金项目(KJ-2013-TDSH-02)（4）光耦隔离电路设计由于本模块是本安型设计，因此主控制器与功率电路部分需要充分隔离，同时防止功率电路寄生的能量涌入主控制器。单片机输出的PWM信号与普通TTL信号通过隔离电路后进入功率转换电路。光耦隔离芯片采用的是双路、高效、纳秒延时的HCPL2631芯片，光耦隔离电路如图6所示。图6光耦隔离电路3实验验证为了验证比例电磁阀驱动模块的性能，对其进行了实验来对驱动模块的带负载能力进行测试。采用的是电感加电阻组合的方式来模拟比例阀负载，其中电阻采用150Ω，电感在0.1~2H选取7种进行组合。实验方法：PWM输出频率取1kHz，颤振频率55~200Hz，颤振幅值0~50%，比例阀电源24V。分析不同负载扰动对负载电流的影响，可知驱动电路带载能力良好，负载扰动对负载电流影响不大。负载电感增大时，电流的趋势是减小，但减小量不大。实验证明基于H桥的比例阀驱动电路，能够输出双极性电流，实现简单。能够控制比例阀电流在±20mA内线性变化。比例阀电源经过脉宽调制，PWM中调制的颤振信号幅值和大小均可调节，可以灵活驱动不同比例阀。参考文献：［1］徐长寿,李少坤,鲁春艳.一种新型自动调节限压式变量泵［J］.液压与气动，2012（2）：105-106.［2］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）：79-81，98.［3］董燕飞.基于MSP430的直流电机PWM调速双闭环控制系统设计［J］.煤矿机械，2010，31（6）：206-208.［4］STMicroelectronics.意法半导体的ADSL＋VOIP解决方案［J］.世界电子元器件，2005（3）：94－97.作者简介：王夺（1981-），山西大同人，硕士研究生，工程师，从事采煤机电气系统设计、研发等工作，电子信箱：wangduo3705@sina.com.责任编辑：郑万才收稿日期：2014－04－18!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!doi:10.13301/j.cnki.ct.2014.06.067煤炭技术CoalTechnologyVol.33No.06Jun.2014第33卷第06期2014年06月基于Cortex-M3的本安型比例电磁阀驱动电路设计*黎青，张福建(天地科技股份有限公司上海分公司，上海201403)摘要：针对煤矿用电磁阀控制精度低、可靠性差、适应范围窄等问题，介绍了一种以H桥式驱动电路为核心，结合Cortex-M3主控制器、采样检测反馈、CAN接口等硬件组成的本安型比例电磁阀控制装置的设计方案。该装置应用于采掘装备上，可以驱动比例阀对液压油的压差、流量和方向进行远距离的、连续的自动控制或远程控制。比例阀驱动电路本质为恒流源，能输出双极性、可调的电流。应用PID控制算法，能实现较高的控制精度，也用于斜坡控制和颤振控制。另外，该装置具有断线检测、短路保护、电流极值可调节等功能。试验结果表明，该装置拥有较好的工作性能。关键词：煤矿；比例电磁阀；PWM；H桥；恒流源；反馈；本安中图分类号：TP271；TD679文献标志码：A文章编号：1008－8725（2014）06－0171－03DesignofIntrinsicSafeElectromagneticProportionalValveControlDeviceBasedonCortex-M3LIQing，ZHANGFu-jian(ShanghaiBranch,TiandiScienceandTechnologyCompanyLtd.,Shanghai201401,China)Abstract：Nowtheelectromagneticvalveiswidelyusedincoalmine,buttherearemanyshortcomingsinelectromagneticvalve,suchaslowcontrolaccuracy,poorreliabilityandnarrowadaptationscope.Therefore,adesignschemeofintrinsicsafeelectromagneticproportionalvalvecontroldeviceisproposedinthispaper,Hbridgetypeamplifycircuitryisthecoreinthiscontroldevice,atthesametime,Cortex-M3maincontroller,ADsamplingtestfeedback,andCANinterfacearealsoappliedinthehardwaredesign.Thedevicewhichisappliedtotheminingequipment,candriveproportionalelectromagneticvalveoftheoilpressure,flowanddirectionforremotecontrolandprogramcontrolautomaticallyandcontinuously.Proportionalvalvedrivingcircuit,essentialtotheconstant-currentsource,canoutputbipolar,adjustablecurrent.TheapplicationofPIDcontrolalgorithmcanachievehighcontrolprecisionandalsocanuseintheslopecontrolandchattercontrol.Inaddition,thedeviceiswithwireinterruptiondetection,shortcircuitprotectionandadjustablecurrentextremevalueetcfunctions.Thetestresultshowsthatthedevicehasagoodworkperformance.Keywords：coalmine；proportionalelectromagneticvalve；PWM；H-bridge；constant-currentsource；feedback；intrinsicallysafe1211F5VR292211IO2U1IO112R30VCCHCPL2631212348765I1+I1-I2-I2+VCCVo1Vo2GNDPWM1PWM2R24R26C80前言171中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第33卷第06期Vol.33No.06基于Cortex-M3的本安型比例电磁阀驱动电路设计———黎青，等研制本安型比例电磁阀驱动控制对于提高采掘装备的控制精度、设备工作的可靠性和自动化工作面集成都有显著的意义。比例电磁阀驱动电路的核心是控制比例阀线圈中的电流。设计基于PWM控制的开关型功率输出电路，输出脉冲信号，具有功耗小、回应快、抗干扰能力强等优点。利用H桥驱动电路与PWM控制方式结合，能有效解决比例阀快开、快闭、线圈续流的影响和实现真正意义上的正负双极性电流输出问题。另外，比例阀驱动电路通常采用模拟量控制，为减小磁滞，通常还需要加颤振信号电路。本比例阀驱动电路采用PWM技术，输出信号中叠加频率、幅值可调节的颤振信号，无需另加颤振信号电路。1总体设计方案如图1所示，设计的比例阀驱动电路主要包括主控制器、功率转换电路、电流检测反馈电路和电源电路等。主控制器STM32F107输出占空比随给定电流变化的PWM信号，经隔离电路隔离后，驱动功率转换电路中H桥的相应开关管。比例阀电源经开关管的变换下，成为脉冲电源。比例阀在脉冲电源的驱动下工作，其流量由脉冲电源等效电流决定，即由PWM驱动信号的占空比决定。考虑到电流源的线性度和稳定度，采用电流检测反馈。电流检测反馈电路检测采样电阻上电压值，返回到主控制器。主控制器将返回电压值换算成比例阀的电流值，并与电流给定值比较，得出实际电流给定值。电流检测反馈电路同时作为电缆断线检测的硬件基础。为增加比例阀驱动电路的通用性，设计通信接口电路和数据记录电路。通信接口电路通过RS485或CAN与采掘装备上的其它设备互联，能获取控制指令或输出状态信息。数据记录电路有效记录驱动电路状态，包括故障信息等。图1比例电磁阀驱动电路整体设计框图2具体设计（1）主控芯片设计主控芯片采用基于ARMCortex-M3的STM32F107微控制器，该芯片理论上可输出最多30路独立PWM信号。一般情况下，掘进机至少需要切割头升降、切割头回转、左行走进退和右行走进退共4路比例阀。驱动1个比例阀只需要2路PWM，30路输出PWM信号可用于控制最多15路比例阀。STM32F107拥有72MHz主频，单周期乘法和硬件除法，能够快速处理比例阀的相关数据。STM32F107拥有12位逐次逼近型的ADC，它有18个通道，包括16个外部和2个内部信号源，故最多可接受外部16路比例阀电流信号反馈。通过STM32F107的内置ADC模块，无需外部ADC电路，可以接受电流检测反馈电路的电流采样值。（2）驱动电路设计比例阀的驱动原理都是通过调节输入的模拟电流信号，从而无极调节比例阀的输出量，例如压力、流量、方向等。当被控制量需要双向控制时，比例阀中的比例电磁铁靠双极性电流的变化，控制被控量作往返直线运动。H桥式功率电路，通过对不同开关管的开关，有效控制电流量的双极性输出，即实现比例阀流量方向的变化。如图2所示，控制H桥的方向逻辑变换来控制比例阀电流方向变换。比例阀驱动电流为正时，控制MOS管Q2、Q3关断，MOS管Q1、Q4输入PWM控制信号。PWM高电平时，Q1、Q4同时导通，比例阀电流经过Q1和Q4从1至2方向流动；PWM低电平时，Q1、Q4同时关断，比例阀电流经过VD2和VD3从1至2方向续流。比例阀驱动电流为负时，Q1、Q4关断，Q2、Q3输入PWM控制信号。PWM高电平时，Q2、Q3同时导通，比例阀电流经过Q3和Q2从2至1方向流动；PWM低电平时，Q3、Q2同时关断，比例阀电流经过VD1和VD4从2至1方向续流。图2H桥功率电路驱动比例阀等效电路图H桥式功率电路采用双路全桥芯片L298N，该芯片是一种驱动电机或电磁阀等感性负载的芯片，持续工作电流可达2A。标准TTL逻辑电平信号就可以控制L298N，单片机IO口可以控制L298N的输入信号来调整比例阀输出电流的方向。将L298N的两个使能控制端外接PWM信号，可以控制L298N的开通或关断，相同于将比例阀电源按一定脉宽进行调制，控制比例阀输出电流大小。L298N外接采样电阻Rs，将负载电流变化量反馈给控制电路。通信接口时钟电路数据记录电路主控制器RS485&CAN隔离电路电源电路比例电磁阀功率转换电路本安型外壳电流检测反馈电路OSCSPIPWMAD2VCCQ1Q3VD1VD3VD2VD41Q2Q4RsSENSE2VCCQ1Q3VD1VD3VD2VD41Q2Q4RsSENSE172中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

图3为基于L298的功率转换电路。每路续流回路上加大电阻，以起到减少续流时间、削减电流负半部波形的作用。负载电流方向变化时，采样电阻R17和R16上流过的电流方向不变，即采样电阻上电压均为正值。负载电流的方向通过两个输入信号控制，大小通过PWM信号的脉宽控制。图3功率转换电路（3）电流检测反馈电路设计图4为电流检测反馈电路。电流检测反馈电路包括信号的检波、处理、隔离、反馈环节。检波电路采用电阻采样的方式，采样电阻选20Ω。采样电阻加在比例阀电源两端，采样电阻上电压为正电压不变。采样电阻的阻值过大则采样电阻上压降大，电路功耗增大；而采样电阻过小则采样电压小，不便于处理。信号处理主要包括对PWM信号的滤波，采用二级无源RC低通滤波电路。滤波之后的电压幅值较小，采用同相放大电路进行调整。隔离电路为基于HCNR201芯片的单位增益电路。HCNR201芯片是一款高精度的线性光耦，用来实现模拟信号的高精度隔离传输。参考数据手册设计了线性光耦隔离电路，其中C5、C6为增加电路稳定性加的反馈电容。图4电流检测反馈电路（4）光耦隔离电路设计主控制器与功率电路部分需要充分隔离，防止功率电路寄生的能量涌入主控制器。单片机输出的PWM信号与普通TTL信号通过隔离电路后进入功率转换电路。光耦隔离芯片采用HCPL2631，该芯片的延迟时间为ns级。光耦隔离电路如图5所示。3实验分析为验证比例电磁阀驱动电路的性能，进行了模拟实验分析。通过变换负载大小，测试驱动电路带载能力。采用电阻串联电感的方式模型比例阀模型，电阻采用150Ω，电感采用0.1~2H间7种组合（其中L1