基于MC9S12XS128模数混合式比例控制放大器的实验研究

强 彦， 赵春丽， 魏列江， 王亚强， 李 维， 罗小梅

(1.兰州理工大学 能源与动力工程学院，甘肃 兰州 730050； 2.中国北方车辆研究所，北京 100072)

比例控制放大器是一种为比例电磁铁提供特定电流，且在电液比例控制系统中进行开环或闭环调节的电子装置[1]。比例控制放大器的主要功能是信号输入、信号比较、控制算法和功率驱动放大等，控制系统的品质直接受其性能好坏的影响[2-3]。传统模拟式比例控制放大器一般都用模拟元器件实现，其内部的PID参数整定也是通过手动调整PID电路中的多圈电位器实现，参数调节范围有限，且电位器的位置无法有效存储[4]。近年来，以微处理器为核心的数字式比例控制放大器得到了广泛应用，通过软件实现控制算法，使得参数的调节范围增大、灵活性增加[5]。缺点是响应速度较慢，不能用于要求快速响应的系统，同时系统复杂且成本较高。

现代电液控制系统对于电液比例控制放大器不仅要求参数调节灵活、可在线整定，而且响应速度也要足够快。系统运行过程中，要改变控制方案，不同的控制方案所要求的控制参数不同，须在系统运行过程中切换控制参数，想用普通的模拟式比例控制放大器实现这一点几乎是不可能的[6]。为此，笔者设计了一种调整方便、响应快速的基于MC9S12XS128模数混合式比例控制放大器，并利用Tina仿真软件进行了电路仿真，给出了电路的设计过程。

1 设计思路和基本原理

基于MC9S12XS128模数混合式比例控制放大器基本的设计思想是：用数字电位器代替模拟PID控制器中的模拟电位器，单片机对现场状态参量辨识的数学模型整定计算PID参数，且可通过数字电位器来改变，同时单片机存储下来，以便调用查看。此设计方案既利用了单片机实现参数的在线整定、调节和存储，又利用了模数混合PID控制器电路快速实现控制算法。

基于MC9S12XS128模数混合式比例控制放大器的基本原理图如图1所示，比例控制放大器主要由单片机、模数混合PID控制器、功率放大电路和位移反馈电路构成。给定输入量到单片机中，与反馈量进行比较，得到的偏差进入PID控制器，通过I2C总线和数字电位器通信来调节参数，从而改变PID控制器的输出，将其输入到单片机，由单片机产生的信号控制PWM波占空比。用来驱动比例电磁铁的输出信号太小。所以先用功率放大模块对信号进行放大，被放大的输出信号再驱动比例电磁铁，电磁铁线圈得电产生电磁力推动电磁铁铁芯运动，进而推动比例阀阀芯运动，比例阀的阀口开度发生变化引起阀口流量、压力改变。

2 电路设计

2.1 数字电位器与单片机控制电路

数字电位器是采用CMOS工艺制成的数字模拟混合信号处理集成电路，亦称数控可编程电阻器，简称数控电位器(DCP)。本设计使用由美国Xicor公司生产的数字电位器X9312，其端电压最大调节范围为0～15 V[7]。单片机采用Freescale公司16位芯片MC9S12XS128，该单片机最大限度地满足了实际应用的需求，减少了外围拓展电路，降低了整个系统的功耗和成本[8]。

图1 模数混合式比例控制放大器原理框图

MC9S12XS128和X9312控制电路图如图2所示。数字电位器X9312的3条输入控制端口INC、U/D和CS与单片机MC9S12XS128的通用I/O口连接，X9312的端口VH、VL和VW分别接+15 V、0 V和PID控制器，PID控制器中各环节间采用串并联混合的控制关系。在图2中，单片机的PA口和PB口分别与数字电位器X9312连接。由X9312时序表得，存在单片机内部定时中断产生的增量信号INC，信号周期由被控对象执行动作的响应时间决定，根据不同需求对X9312的U/D和CS状态进行设置，从而控制电阻器沿电阻阵列的运动。

图2 MC9S12XS128和X9312控制电路图

2.2 模数混合PID控制器电路设计

模数混合PID控制器原理如图3所示。由图3可知，单片机MC9S12XS128和模拟PID控制器间由两部分相连接，一部分是单片机内部数模转换产生的偏差信号经光电隔离后，作为模拟PID控制器的输入信号；另一部分电路则是通过非易失性数字电位器X9312与模拟PID控制器相连接，单片机通过I2C总线与数字电位器进行通信，通过MC9S12XS128的PA口和PB口改变模拟PID控制器中KP、KI、KD三个参数。I2C是一种两线制串行总线，分别是串行数据线SDA和串行时钟线SCL。

在图3中，模数混合PID控制器是在模拟PID电路基础上，分别在比例环节、积分环节和微分环节加上数字电位器，本设计中采用3个串行接口芯片X9312作为比例、积分和微分电阻，通过MC9S12XS128改变X9312的值对PID控制电路参数进行调节，从而改变控制器输出，其输出用来控制PWM波产生电路的占空比。本实验设计的PID控制器是实际应用较多的串并联混合式PID控制器。该电路形式使得级间误差避免了因累加而放大，同时也消除了PID参数间的互相干扰[9]。

图3 模数混合PID控制器原理图

2.3 PWM波生成电路

PWM波生成电路是为功率放大电路提供占空比可调的输入信号，如图4所示。图4中芯片NE555组成占空比可调的脉冲振荡器，机械电位器被数字电位器X9312取代用来调节占空比，单片机通过PJ口和PA口分别连接X9312的增量信号INC、片选信号CS和方向控制信号U/D，通过对输入端口的控制改变X9312的输出信号，进而改变NE555的输出脉宽调制信号的占空比。输出信号PWMOUT被送往功率放大电路来驱动比例电磁铁。

2.4 功率放大电路

比例控制放大器的输出信号需满足输出功率大、输出控制电流稳定、能抵御环境及电压等变化的干扰[10]。因电路中输出信号太小不足以驱动比例电磁铁，故设计功率放大电路驱动比例电磁铁。设计电路如图5所示，采用反接卸荷实现功率放大电路的功能。

图4 PWM波生成电路

图5 反接卸荷式功率放大电路图

反接卸荷式功率放大电路由24 V电源、NPN、MOS管、比例电磁铁、采样电阻等组成。当PWMOUT向功率放大电路输入高低电平时，会影响电路中NPN的导通情况以及MOS管的通断。该方式可满足比例阀较高动态频宽的需求，因为比例电磁铁中感性元件的续流作用，电源被正接或反接到比例电磁铁两端，此电路形式使比例电磁铁的卸载速度加快，从而实现了设计要求[11]。

MOS管的驱动电压由电源对R57和R58的分压给定，具体如下。

(1)

图5中，D1和D2是续流二极管，是为了防止驱动信号撤掉，场效应管内部寄生电容上的能量通过二极管消耗，减少驱动脉冲拖尾现象。比例电磁铁上的反电动势，利用稳压二极管D3和D4，将其导入电源。通过1.5 Ω的精密采样电阻，对流过线圈的电流进行采样。为防止电流冲击损坏线路，在电磁铁附近加入起保护作用的熔断器FU1。

3 电路仿真与实验结果

3.1 电路特性仿真

仿真时取比例电磁铁的参数R=2.7 Ω，L=100 mH，在模数混合式比例控制放大器的电路仿真中，设置好参数R和L，在输入电压US=10 V的条件下，通过改变占空比观测电磁铁的线圈电流IS，仿真结果如图6所示。

图6 不同占空比下比例电磁铁线圈电流

由图6可以看出，不同占空比下，比例电磁铁线圈电流近似成线性关系。当US=10 V，占空比为100%时，比例电磁铁的线圈电流接近2 A。由电液比例控制放大器理想的输入电压与输出电流关系可得，在元器件和外部环境都处于理想情况下，输入电压和输出电流是严格的线性关系。

3.2 实验及其结果

根据电路分析，制作了PCB电路板，并进行了实验。本实验采用的执行元件为比例电磁铁，其型号为河南安阳机床电器厂生产的516cyy-1705A，借助MC9S12XS128单片机开发软件CodeWarrior IDE，对模数混合式比例控制放大器进行软件开发。通过BDM下载器和串行接口传输线将程序下载到单片机MC9S12XS128中。

实验以单片机作为主控制器芯片，使用PLC作为控制方式，对主控制器提供模拟量输入。通过数字万用表测量不同输入电压下比例电磁铁线圈电流值，如表1所示。表1中输入电压为0 V时，存在一个很小的电磁铁线圈测试电流，该电流是对比例阀的死区补偿，电流值在检测中被考虑在内。图7是对表1数据进行拟合得到的曲线，采用最小二乘法拟合输入电压和输出电流的函数关系，得到其数学表达式如式(2)所示，其中U为输入电压，I为比例电磁铁线圈电流。

I=199.9039U-10.5730

(2)

表1 实验结果

图7 线圈输出电流与输入电压对应关系

图7为不同电压下的电流输出结果。选取相应参数计算其对应电流值，并同表1中电磁铁线圈测试电流值作差，得到电流最大误差值10.57 mA，非线性度0.53%，小于1%，因此电流检测的线性度满足设计需求。由图7可知，电磁铁线圈电流与输入电压是成比例的，故本文设计的放大器拥有稳态误差较小、控制精度高等特性。

使用泰克公司的双踪示波器(型号为TBS1102)测试模数混合式比例控制放大器的输入电压及其响应电压曲线，如图8所示。通道1为比例电磁铁两端的电压波形，通道2为输入电压波形。在图8中，PLC输入10 V模拟电压信号时，不到0.6 ms比例电磁铁两端响应出高低电平信号，这是因为在控制信号和功率放大器之间加入了PWM环节，功率放大器采用反接卸荷式功率放大电路。模数混合式比例控制放大器的响应时间约为0.6 ms，相比较于已知的数字式比例控制放大器响应时间，本设计的响应速度更具优势。

图8 电磁铁线圈两端的响应电压

图9为输入电压分别为3.3 V和6.7 V时，比例电磁铁铁芯伸出的位移情况。由图9可以得出，电磁铁的铁芯伸缩位置与输入电压是成比例的。

图9 不同电压下的比例电磁铁铁芯位置

4 结束语

本文针对模拟式比例控制放大器和数字式比例控制放大器在实际工程应用中的不足，设计开发了一种应用在电液比例阀的基于MC9S12XS128模数混合式比例控制放大器。通过对其硬件电路进行设计，电路进行软件仿真以及实物测试得出如下结论。

① 通过对比例电磁铁线圈电流进行仿真测试，仿真结果表明，当输入电压US=10 V，不同占空比下比例电磁铁线圈电流成线性变化，且当占空比为100%，线圈电流近似2 A。

② 通过对模数混合式比例控制放大器实物进行测试，测得不同输入电压对应的比例电磁铁线圈电流，拟合出其关系曲线，计算出电流非线性度为0.53%<1%，故电流检测的线性度满足线性要求，且实验测试的电磁铁线圈电流验证了实物符合设计要求。

③ 通过双踪示波器测试模数混合式比例控制放大器输入电压和输出电压波形，并观察比例电磁铁铁芯位移伸出情况。从波形图中看出，当给单片机一个模拟电压信号，模数混合式比例控制放大器输出电压的响应时间小于0.6 ms，其响应速度较数字式比例控制放大器有所提高。从铁芯伸出位置可得，电磁铁铁芯伸出位移与输入电压是成比例的。

从仿真研究到实验测试可得，本研究设计的基于MC9S12XS128模数混合式比例控制放大器工作稳定可靠、响应速度快、稳态误差较小、控制精度高。在后期对模数混合式比例控制放大器软、硬件系统不断改进与测试后，能够对工业产品的形成提供一定的指导。