基于CPLD的比例阀控制方法

　　0 引 言

　　近年来，比例阀控制大多采用脉冲宽度调制(PWM)方法来实现，这为数字控制比例阀提供了条件。但是现有论文很少提及为什么可以用 PWM 方法控制比例阀、PWM 频率是如何影响比例控制的。本文试图解决这个问题，给出了 PWM 控制比例阀的定性分析，说明了 PWM 周期的调节趋势。

　　对于比例阀控制而言，一般采用比例阀生产厂家提供的比例阀放大器，这类放大器绝大部分采用模拟电路生成 PWM 信号，有一定的模拟反馈，这种方法适用面较窄，PWM 频率变化范围小。对于液压系统设计，配置比例阀放大器成本高。CPLD(可编程逻辑器件)是在线可编程数字芯片，具有可靠性高、通用性好、输入输出接口多、可并行工作的特点，可以修改PWM 频率和 PWM 占空比，其中，输入输出接口多，特别适用于液压系统控制，因此，选用 CPLD 既适用于比例阀控制，又能满足液压系统控制对象多的特点。

　　在 PWM 控制比例阀的方法中，对于 CPLD 来说，主要需要解决的问题为 PWM 频率、占空比的可调节。

　　1 电液比例阀 PWM 控制分析

　　1.1 PWM 控制的基本原理

　　由于比例电磁铁的电磁力与电流成较好的线性关系，且电磁铁行程速度对电磁力的影响较小，可忽略[1]。根据电磁铁线圈电流特性的分析可以基本反应比例电磁阀的动态特性。比例电磁铁的电流特性方程如下:

　　式中 U，I 分别为线圈电压和电流; ,eL k 分别为线圈电感和感应反电势系数; ,L PR r 为线圈电阻和放大器内阻; y 为电磁铁位移。

　　由于比例电磁铁的位移变化量影响很小，放大器内阻为毫欧姆级，因此，式(1)可简化为

　　以下根据式(2)分析比例阀 PWM 控制中 PWM频率、占空比与电流的关系。图 1 为比例阀的工作原理图，图 2 为比例阀 PWM 控制的电流特性示意图。图 1 中的0R 用于加速电磁铁线圈反电势的衰减速度。

　　1.2 PWM 控制中的电流分析

　　在使用 PWM 控制比例阀中，加到比例阀线圈的电压波形为周期一定、脉冲宽度可控的矩形波。由于脉冲周期远小于阀芯的响应周期，所以阀芯的运动只响应 PWM 信号的平均值。阀芯工作于交流状态，有微振动，这大大地减小了比例滞环。PWM 电路基本的形式是比例阀等效线圈加等效电阻，并联续流二极管，经大功率三极管或 MOS 管加到电源。PWM 信号控制开关管的导通与截止。

　　占空比 D 为

　　式中hT 为三极管或 MOS 管导通时间;T 为 PWM 周期, 且h LT = T + T，LT 为三极管或 MOS 管关断时间。

　　由图 2 可知，当占空比D 和周期T 取值比较合适时,可使比例阀电流保持稳定的平均值。在时间常数LL R 一定时，稳定电流平均值 I 及电流波动值 dI 取决于占空比 D 和周期T 。分析电路中的电流得到[2]：