一种适用于农机ECU的比例阀驱动电路及控制方法与流程

本发明公开一种适用于农机ecu的比例阀驱动电路及控制方法，属于农机ecu装备技术领域。

背景技术：

电液比例阀又称比例控制阀，也叫比例阀，是一种阀内比例电磁铁借助输入的模拟电压信号产生相应的比例电磁力来控制使工作阀阀芯产生位移，从而控制阀口尺寸变化，以完成与输入电压成比例的压力、流量输出元件。比例阀驱动电路主要用于通过比例阀或者液压马达实现自走式农机主离合油缸、捡拾台油缸、摘果箱油缸、行走马达、摘果马达等液压执行部件的位移或速度的精准控制。驱动电路完成了电信号向非电信号(速度、位移和力)的转化，实现了对小信号的功率放大。

自走式农机装备的ecu控制板需要控制多路的液压执行部件，受外壳限制导致板间空间资源有限，这就需要ecu各个单元电路在满足控制需求的前提下，控制板电路度高集成，电路设计尽可能的精简。其中，所述电液比例阀厂商配备的专用比例阀放大器价格昂贵，体积庞大，功率器件多而杂，而且由于没有数据的采集与反馈回路，控制精度低；而且由于比例阀线圈是感性负载，当前比例放大器在mosfet开通与关断期间，没有有效消除线圈反向电动势引起的加载在开关管两端的电压毛刺，产生严重的电磁干扰，进而影响驱动器件的寿命。

中国专利文献cn106896764b公开了一种工业遥控接收器的双单片机闭环控制方法，工业遥控接收器包括电源、主单片机、副单片机、输出放大板、继电器和射频收发装置，闭环控制方法包括主芯片初始化、主单片机接收中断、主单片机判断副单片机状态、副单片机检测输出和副单片机检测主单片机状态等步骤。该文献的闭环设计，能够有效避免此类事件的发生，大大提高了安全性和可靠性。但是通过详细参阅可知，该专利文献主要是通过双单片机实现远程闭环控制算法，并未涉及比例阀的控制。该文献并未记载任何关于精简电路设计、降低成本、避免电磁干扰、延长驱动器件寿命的技术方案或者技术启示。

中国专利文献cn108312802b公开一种农机设备车身调整系统，通过在农机设备车辆上设置姿态调整与扭矩分配控制器及相应设备实现对农机设备的车身进行调整，通过电磁阀开关以控制液压缸的运动，操作简单、易行。本方法通过采用pid的闭环控制，辅以前馈信号修正，对调整装置的调整精度和调整频率更高，控制效果更好。采用姿态信号实时采集，使调整具有实时性，提高了装置的实用性；其控制器可控制多路比例电磁阀，具备多外部传感器接口并支持多种通信协议，可通过对控制器编程，实现对丘陵山地拖拉机姿态调整与扭矩分配的控制，本发明技术方案确保了农机设备车体后底盘始终水平，提高驾驶员作业的舒适性，提高了农机设备对作业环境的适应性。该专利文献主要针对农机设备车身姿态调整装置的各个部件组成、工作流程及原理进行专利要求，各个部件集成组合工作，并未针对电液比例阀控制电路及方法进行深入设计。

中国专利文献cn110024544a一种根茎类作物收获机自动对行控制系统及方法，实现收获机作业路线实时调整，从而实现收获机行进过程中的自动对行功能。根茎类作物收获机自动对行控制系统包括信号采集模块、比例阀驱动模块、车载控制器和监控终端，其中信号采集模块包括左角度传感器、右角度传感器和位移传感器，左角度传感器及右角度传感器用于测量地垄处探测板偏移数据，位移传感器用于测量液压油缸伸缩数据；比例电磁换向阀驱动液压油缸的动作，液压油缸与收获机牵引座连接；监控终端和车载控制器之间通过无线通讯单元进行信号传递；车载控制器输入端与信号采集模块连接，输出端与比例阀驱动模块连接。

该专利文献以垄行截面走向为研究对象，综合运用机械、液压和电子控制等领域关键技术，采用基于pid的速度控制模式实现收获机作业路线实时调整，从而实现收获机行进过程中的自动对行功能，进一步提高了根茎类作物收获机械自动化水平和作业性能。该专利文献收获机自动对行控制系统进行概述，详细介绍系统组成部件及与工作流程，并在控制方法上着重介绍，虽然涉及比例阀相关部件，但是未提及比例阀实际控制电路相关内容。

中国专利文献cn203025507u公开了一种基于液压系统的同步播种机控制系统，通过机具转速感应器将机具转速数据传输给单片机，单片机给定一指令通过d/a转换放大驱动电液比例阀运动，液压动力源通过电液比例阀带动液压马达，液压马达驱动排种器进行排种作业，排种器的转速感应器通过a/d转换器给单片机以反馈，单片机比较机具行进速度传感器与排种器转速感应器的反馈数据后发出指令控制电液比例阀进行修正，以达到机具行进速度与排种器转速同步的目的。

该专利文献简单概述液压系统的同步播种机控制系统的工作原理，集成各个功能部件后将功能进行逻辑叙述，未涉及比例阀控制电路及方法等内容。

技术实现要素：

针对以上的技术不足，本发明的目的是提供一种适用于农机ecu的比例阀驱动电路及控制方法。

发明概述：

本发明采用pwm方式驱动电液比例阀线圈，该驱动电路可以接收ecu输出的pwm的小电流信号，通过功率放大芯片输出0-2.5a高精度电流信号，驱动比例阀阀块移动，进而驱动农机上的执行部件。

本发明的技术方案如下：

一种适用于农机ecu的比例阀驱动电路，其特征在于，包含功率放大电路、隔离采样电路和农机ecu的控制芯片(所述农机ecu的控制芯片为图1中的cpu)；

所述农机ecu的控制芯片，负责进行算法控制和输入输出端口控制，依据导入农机ecu的控制芯片的电液比例阀电流/开度对应关系，当需要调节比例阀的开度驱动部件动作执行时，根据查表法，确定对应的电流值，通过控制pwm占空比，进而调节功率放大电路，对输出电流进行粗调；本发明要保护的是电流闭环控制电路的详细设计方案，对电流闭环控制算法仅做概述，并不是本发明要保护的技术内容；

所述功率放大电路还依次与采用电阻和比例阀相连，并对比例阀进行控制；

所述隔离采样电路的采样端连接于所述采样电阻，所述隔离采样电路的反馈端与农机ecu的控制芯片的a/d采样端相连；由于功率放大电路采样电流反馈与输出电流比值波动性比较大，不适合做输出电流稳定调节控制，因此，在此设计一额外采样电路作为隔离采样电路。所述采样电阻和隔离采样电路用于实现输出电流的精确采集，通过反馈数据和模糊自适应pid控制算法(所述控制算法是加载在“农机ecu的控制芯片”中的)，完成比例阀输出电流的精确调节。

根据本发明优选的，所述适用于农机ecu的比例阀驱动电路还包括端口状态采样电路，所述端口状态采样电路的采样端与所述比例阀相连，所述端口状态采样电路的反馈端与农机ecu的控制芯片的端口状态采样端相连；

所述端口状态采样电路用于实现比例阀线圈工作状态的判断：当比例阀线圈异常或损坏时，提供反馈信号；反馈电流一直没有达到设定值，农机ecu的控制芯片持续调节pwm输出。

根据本发明优选的，所述功率放大电路采用双路开关功率芯片作为驱动器件。实际电路中双路端口都需要占用，以驱动农机各个液压部件。

根据本发明优选的，所述功率放大电路采用vnd5050aj功率开关芯片作为驱动器件。一般功率驱动电路都是由放大电路、隔离电路、晶体管驱动电路等电阻构成，而且器件选择繁琐，各个器件过流能力和精度要求较高。为减小ecu控制器布板尺寸、降低电路复杂程度，本发明中所述功率放大电路采用vnd5050aj功率开关芯片作为驱动器件，限制最高输出电流18a，完全满足电液比例阀驱动电流要求，驱动电压范围广(4.5v～36v之间)，可以同时满足12v或者24v农机装备要求。

根据本发明优选的，在采用了所述vnd5050aj功率开关芯片的功率放大电路中，pwm0为农机ecu的控制芯片的pwm输出端口，农机ecu的控制芯片按照固定的频率输出占空比可调的pwm波形，经过vnd5050aj功率开关芯片的开关放大作用，产生比例阀线圈需要的驱动电流；ai_0为信号反馈端口，通过r11分压电阻产生0-3.3v电压模拟信号，然后经过由电阻r9和电容c7组成的低通滤波电路，vnd5050aj功率开关芯片反馈的电流信号转化成电压信号回传到控制器的a/d采集端口，初步电流采样，形成闭环。

根据本发明优选的，所述隔离采样电路采用了光耦芯片，并在所述光耦芯片两端增加辅助运放电路以实现输入、输出的电压信号的放大。由于线性光耦是对电流的隔离放大，由于a/d反馈端口为模拟电压，所以需要在光耦芯片两端增加辅助运放电路，以实现输入、输出的电压信号的放大。优选的，所述光耦芯片为hcnr201芯片。

根据本发明优选的，所述端口状态采样电路包括电阻r5、r6、r7组成分压限流电路，则b端断开时，端口默认为高电平；b端接入电液比例阀线圈时，由于电液比例阀线圈内阻一般都在几欧姆之间，相对于分压电路很小，则vstate≈0v，此时端口电平为低电平。

一种适用于农机ecu的比例阀驱动控制方法，其特征在于，包括：

功率放大电路的工作方法为，农机ecu的控制芯片按照固定的频率输出占空比可调的pwm波形，经过功率开关芯片的开关放大作用，产生比例阀线圈需要的驱动电流；信号反馈端口，通过分压电阻产生电压模拟信号，然后经过低通滤波电路，功率开关芯片反馈的电流信号转化成电压信号回传到农机ecu的控制芯片的a/d采集端口，初步电流采样，形成闭环；

所述隔离采样电路采用了光耦芯片及两端增加辅助运放电路以实现输入、输出的电压信号的放大；

所述端口状态采样电路包括电阻r5、r6、r7组成分压限流电路，则b端断开时，端口默认为高电平；b端接入电液比例阀线圈时，此时端口电平为低电平。

本发明的技术优势在于：

1、本发明简化农机ecu电路设计复杂程度，可同时适用于不同电瓶电压的农机装备，减小ecu的布板尺寸的比例达80％以上，有利于提高板间散热面积。

2、本发明有效抑制感性负载产生的尖峰脉冲，改善比例阀脉冲的斜坡陡度，从源头上抑制了emi的产生，并通过钳位电压有效的保护了开关功率芯片。

3、本发明增加电流采集与反馈电路，并能通过闭环控制算法，提高比例阀线圈电流精度，缩短超调时间。

4、本发明增加端口状态采样电路，实时检测比例阀线圈状态，以在比例阀线圈异常损坏时，能及时发现，停止对其控制及其他部件动作，并告警检修。

附图说明

图1是本发明所述驱动电路的框架图；

图2是本发明所述的功率放大电路中单路控制的电路示意图；

图3是本发明所述的隔离采样电路示意图；

图4是本发明所述的端口状态采样电路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1所示。一种适用于农机ecu的比例阀驱动电路，包含功率放大电路、隔离采样电路和农机ecu的控制芯片(所述农机ecu的控制芯片为图1中的cpu)；

所述农机ecu的控制芯片，负责进行算法控制和输入输出端口控制，依据导入农机ecu的控制芯片的电液比例阀电流/开度对应关系，当需要调节比例阀的开度驱动部件动作执行时，根据查表法，确定对应的电流值，通过控制pwm占空比，进而调节功率放大电路，对输出电流进行粗调；

所述功率放大电路还依次与采用电阻和比例阀相连，并对比例阀进行控制。

如图2所示。一般功率驱动电路都是由放大电路、隔离电路、晶体管驱动电路等电阻构成，而且器件选择繁琐，各个器件过流能力和精度要求较高。为减小ecu控制器布板尺寸、降低电路复杂程度。本发明中所述功率放大电路采用vnd5050aj功率开关芯片作为驱动器件，限制最高输出电流18a，完全满足电液比例阀驱动电流要求，驱动电压范围广(4.5v～36v之间)，可以同时满足12v或者24v农机装备要求。该芯片为双路开关功率芯片，实际电路中双路端口都需要占用，以驱动农机各个液压部件，为简化设计电路，本单元仅绘制单路控制为例进行电路说明。

pwm0为农机ecu的控制芯片的pwm输出端口，农机ecu的控制芯片按照固定的频率输出占空比可调的pwm波形，经过vnd5050aj功率开关芯片的开关放大作用，产生比例阀线圈需要的驱动电流。ai_0为信号反馈端口，通过r11分压电阻产生0-3.3v电压模拟信号，然后经过电阻r9和电容c7组成的低通滤波电路，vnd5050aj功率开关芯片反馈的电流信号转化成电压信号回传到控制器的a/d采集端口，初步电流采样，形成闭环。

其中，所述比例阀线圈电流变化范围都在低频范围内，因为电容c7、电阻r9组成低通滤波器可以将高频杂波进行有效滤除，截止频率为令r9＝10kω，c7＝100nf，fc＝159.2hz，以满足液压比例阀线圈电流变化范围。同时参考vnd5050aj功率开关芯片数据手册c_sen端口反馈电流系数在不同温度、不同输出电流iout条件，k值范围变化较大，不能满足电流闭环控制以提高精度的要求，故此采集电路仅做输出电流限流保护作用，例如，本实施例所述自走式农机比例阀工作电流在2.5a以内，估设定2.7a为保护电流，当经过比例换算后的输出电流超过2.7a后，控制器停止输出pwm波形，以保护车载ecu。

l_load为电液比例阀线圈负载，由于l_load为感性负载，pwm比例阀驱动电路高频率的开关动作，会引起l_load中电流剧烈别化，产生尖峰脉冲和高频震荡电压，从而产生电磁干扰。电路中r12、d2、d1、r8、c6组成rcd吸收缓冲电路以消除尖峰电压，以减小功率芯片流过的电流和两端电压，保护功率芯片不受损坏。当vnd5050aj功率开关芯片关断时，比例阀线圈中的电流不能瞬间消失，产生感应电动势ul，则加载在vnd5050aj功率开关芯片两端的电压uv＝u24v+ul，ul的值与流过线圈的变化速率(dil/dt)有关，dil/dt越大，ul则越大，则uv越大，vnd5050aj功率开关芯片驱动电压范围为4.5-36v之间，因此很容易将该芯片烧坏。

r12、d2组成线圈反向续流电路，vnd5050aj功率开关芯片关断时，在线圈两端感应电动势作用下，将二极管d2导通，线圈的电流通过二极管的续流回路以热能的形式消耗在线圈内阻rl和电阻r12上，以减小il的值，减小线路中的冲击电压，并延长线圈的通断时间，优化电流波形，进而抑制线圈的电磁干扰。

d1、r8、c6组成rcd钳位电路，vnd5050aj功率开关芯片关断时，二极管d1正向导通，线圈l_load和电源给电容充电，vnd5050aj功率开关芯片两端电压被电容电压钳位，同时流过vnd5050aj功率开关芯片的电流被分散到电容中；vnd5050aj功率开关芯片导通时，vnd5050aj功率开关芯片13引脚和8/9引脚之间的压降基本为零，电容c6通过限流电阻r8与vnd5050aj功率开关芯片行程放电回路，最终电容的能量以热能的形式消耗在电阻r8中。通过rcd钳位电路，电路中关断瞬间产生的尖峰脉冲得到有效的抑制，并且保证vnd5050aj功率开关芯片的端口电压钳位在电容电压范围内，有效的保护vnd5050aj功率开关芯片。

所述隔离采样电路的采样端连接于所述采样电阻，所述隔离采样电路的反馈端与农机ecu的控制芯片的a/d采样端相连。

如图3所示。要实现电液比例阀线圈电流精确控制，就需要加入电流的闭环控制和控制算法，本发明主要阐明电流闭环控制电路的详细设计，电流闭环控制算法仅做概述。由于vnd5050aj功率开关芯片采样电流反馈与输出电流比值波动性比较大，不适合做输出电流稳定调节控制，需要额外采样电路如图3所示。

隔离采样电路参照hcnr201光耦芯片技术手册中经典电路进行设计，hcnr201线性精度5％，优于hcnr200的15％，该电路因光耦高质量的线性度被广泛应用于工业信号采集系统中，由于线性光耦是对电流的隔离放大，由于控制器a/d反馈端口为模拟电压，所以需要在hcnr201两端增加辅助运放电路，以实现输入、输出的电压信号的放大。hcnr201信号输入电流if、反馈电流ipd1、输出电流ipd2，输入/反馈放大系数为输入/输出放大系数为图中运放u1a的增益g非常大，则则输出电压所以电压增益与比值有关。

a、b两采集点为图1中采样电阻r10的两端，电液比例阀线圈电流il工作范围为0～2.5a，控制a/d端口电压范围为0～3.3v，为减小电阻功率，选取电阻r10阻值尽量小，当r10阻值为0.1ω，电阻功率由pr＝i²r计算可知最大功率为0.625w，隔离采样电路放大倍数为10，因此选取r10为0.1ω/1w的贴片功率电阻，r1阻值为100k，r2阻值为10k时，控制器a/d采样端口电压范围为0-2.5v。上图中c3位滤波电容，r3为电流电阻，r4与c4组成低通滤波器，用于滤除高频谐波。

实施例2、

如实施例1所述的一种适用于农机ecu的比例阀驱动电路，所述适用于农机ecu的比例阀驱动电路还包括端口状态采样电路，所述端口状态采样电路的采样端与所述比例阀相连，所述端口状态采样电路的反馈端与农机ecu的控制芯片的端口状态采样端相连；

所述端口状态采样电路用于实现比例阀线圈工作状态的判断：当比例阀线圈异常或损坏时，提供反馈信号；反馈电流一直没有达到设定值，农机ecu的控制芯片持续调节pwm输出。

如图4所示。端口状态采样电路用于检测驱动电路输出端口是状态是否正常，当驱动负载异常时，反馈给控制器并报警，并且防止当线圈负载损坏时，反馈电流一直没有达到设定值，控制器持续调节pwm输出。图4中r5、r6、r7组成分压限流电路，r5阻值为20kω，r6阻值为2kω，r7阻值为3.3kω，则b端断开时vstate＝2.9v，端口默认为高电平；b端接入电液比例阀线圈时，由于线圈内阻一般都在几欧姆之间，相对于分压电路很小，则vstate≈0v，此时端口电平为低电平。