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基于L9352B的电磁阀控制电路设计与实现
来源:电子技术应用2012年第4期
翁寅生
中煤科工集团西安研究院,陕西 西安710077
摘要: 提出了一种基于ARM与集成驱动芯片L9352B的控制方法,该方法通过ARM的输入和输出信号,经隔离后送入集成驱动芯片,对电磁阀进行控制和检测。集成驱动芯片除了可以驱动4通道电感负载外,还可以监测每个通道是否出现诸如短路、开路、过载、过热及时钟丢失等故障。然后对电磁阀的硬件电路进行详细的设计。实际工程应用的结果表明此电路设计可行,具有可靠性高、成本低、驱动能力强、故障监测功能多的优点。
中图分类号: TP277
文献标识码: A
文章编号: 0258-7998(2012)04-0053-03
Design and implementation of solenoid valve control circuit based on L9352B
Weng Yinsheng
Xi′an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp, Xi′an 710077,China
Abstract: A method is introduced that a solenoid valve is driven and monitored by STM32 MCU after analyze on normal control method about solenoid valve. The IC can drive 4 channel inductance load and can monitor the fault such as short circuit, open circuit, overload, overheated. Then the hardware circuit is designed in detail. Practical project results showed that the circuit is usable and it had many merits such as high reliability, low cost, wrong monitoring.
Key words : control circuit;solenoid valve;L9352B;ARM core

    电磁阀是一种将电磁能转换成机械能的电磁元件,被广泛应用到液压控制系统中。如何很好地控制电磁阀是一个很重要的课题。当前电磁阀的驱动电路设计主要采用三极管或功率MOSFET。为了保证电路的可靠性,外围电路通常需要设计隔离和辅助保护电路。此方法的最大弊端是:如果需要进行电磁阀故障检测,则需要设计专门的自诊断回路,这无疑增加了成本,而MOSFET易坏的特性容易造成电路可靠性降低。基于此,本文采用ST公司基于ARM内核的STM32F103系列控制专用集成驱动芯片L9352B[1]来控制和监测电磁阀,其优点是:具有驱动与监测功能,成本低,可靠性高。

1 常见电磁阀的控制方法分析
    常见的电磁阀可以分为开关型和比例型,开关型与比例型在控制方式上有所不同。
    目前常见的电磁阀控制方法有如下几种:
    (1)由二极管、三极管集成电路或达林顿三极管控制的电路,其典型的电路有:
    ①参考文献[2]为代表的电路全部由分立元件如:施密特触发器、电阻、电容、三极管、继电器等构成的模拟电路。其优点是电路简单,但由于其无法像数字电路那样进行准确控制,只能控制而无法检测电磁阀故障,这种电路当前使用较少。
    ②参考文献[3]为代表的电路,其泵和马达的电磁阀都是采用数字信号处理器(DSP)作为主控制器再加达林顿三极管进行控制。目前采用DSP、单片机或CPLD/FPGA等作为主控制器,通过PWM或数字输入输出接口控制电磁阀的方法也很常见。这种电路的优点是:能对大功率的电磁阀准确控制;缺点是:如果需要检测电磁阀的故障需要额外增加电路而且需要占用主控制器的AD资源。
    (2)由MOSFET控制的典型电路可见参考文献[4]为代表的电路,控制方法与(1)类似,区别在于MOSFET管是电压器件而三极管是电流器件,在控制方式上有区别。
    (3)在工程机械领域,普遍采用专用控制器,专用控制器可以直接驱动电磁阀,详见参考文献[5]。这种方法虽然性能可靠、控制简单,但价格昂贵。
    可见上述3种方法都不具备成本合理、电路简单、性能可靠并且具有检测功能的要求。本文介绍的电磁阀控制电路框图如图1所示,以ARM为核心,通过磁隔离芯片实现主控芯片与专用驱动芯片L9352B 的隔离, ARM输出的PWM或者数字输出信号经过隔离后控制L9352B,从而控制电磁阀;电磁阀的状态通过L9352B输出再经隔离后输入ARM,从而系统能实时了解电磁阀的状态。

2 电磁阀控制电路设计
    开关型和比例型电磁阀都可采用集成驱动芯片L9352B控制。
2.1 集成驱动芯片L9352B的特性
    L9352B是ST公司专门为感性负载(如电磁铁、电磁阀)控制而设计的芯片,它将分立元件的驱动和监测功能集成在一个芯片中,可以控制2路比例电磁铁和2路开关电磁铁,允许对感性负载进行调节。其主要特征是:输出斜坡控制,短路保护,过温关闭功能可选,开路负载监测,掉电监测,外部时钟可控,再循环控制,调节器漂移监测,调节器误差控制,调节器校正电流5 mA,状态监测,静电监测。每个通道各由一状态输出端口来监测,各通道的推挽状态输出具有故障诊断功能。
2.2 电磁阀控制电路设计
    主控ARM芯片STM32F103ZET6是意法半导体公司生产的ARM 32 bit CortexTM-M3内核带512 KB闪存的增强型微控制器,其工作频率最高可达72 MHz,单周期乘法和硬件除法,具有USB、CAN、11个定时器、3个DAC和13个通信接口,非常合适作控制应用。电磁阀控制电路原理图如图2所示。
    图2中, STM32F103在控制L9352B时不能直接相连,因为STM32F103为3.3 V供电, L9352B为5 V供电,两者间需进行电平转换。四通道数字隔离器ADUM1402工作电压可兼容3.3 V和5 V系统,不仅能实现电平转换,而且还可将输入和输出隔离,以避免驱动电路对主控芯片产生影响。使能端VE1和VE2都接高电平,通道A和B的数据从ARM传给L9352B用于ARM发出控制信号,通道C和D的数据从L9352B传给ARM用于L9352B读取状态。

    每片L9352B通道1和2驱动开关电磁阀,通道3和4驱动比例电磁阀。所有输入引脚高电平有效,内部由带滞回特性的施密特触发器构成。其供电电压VS通常接5 V或12 V,VCC和VDD都接5 V电源。电磁阀接到功率输出通道Q端和PGND端,状态输出引脚ST状态电压范围为-0.3 V~6 V。IN1和IN2端输入开关量控制信号能控制2路开关电磁阀工作,Q1和Q2最大驱动能力为2.5 A;IN3和IN4端输入PWM控制信号时能方便控制2路比例电磁阀工作,Q3和Q4最大驱动能力为5 A。EN为该芯片的使能端,ARM输出的V_EN信号经隔离后输入到EN端,可控制L9352B是否工作。TEST引脚为漂移检测使能输入。外部时钟U15经过12 bit计数器74HC4040分频后输入到L9352B的CLK时钟输入引脚,J12跳线组可以选择计数器分频系数。ST1~ST4引脚保存电磁阀的故障状态,经过隔离后输入给ARM以处理故障。
3 电磁阀控制电路测试分析

 


    ARM根据输入和输出引脚的电平并结合STx电平可以确定电磁阀出现的是什么类型的故障,电磁阀驱动故障诊断表如表1所示。

    在实际电路测试中,各通道在开关状态中均可以检测负载是否开路。在关状态时,负载开路检测输出引脚电压低于0.33倍VS,则error寄存器被置位并延长一定时间,当EN为高且处于灌电流阶段时输出被拉低至地;当EN为低时,如果负载开路则输出浮空。当为开状态时,负载电流由非可调通道监视,若它降低至指定阈值IQU时,则负载开路即被检测到并且error寄存器被置位,可调通道通过电流调节器故障检测即可检测到负载开路。若输出PWM达到90%、且时间超过tRE,则没有负载连接时,可能会出现负载电阻率太高或电源电压太低。当频率低于fCLK,min时,会检测出丢失时钟故障。当出现错误和功率输出关闭时,状态输出将被置位,直到时钟信号再次出现前状态信号一直保留在它们的寄存器中。在VCC上电期间,时钟故障仅会被可调节通道检测到。在正常操作条件下状态根据输入信号变化,如果有错误被检测出来则状态会改变。当短路发生时, EN拉低,可将感性负载的过压箝位到52 V并将内部下拉电流源关闭从而将负载开路,但开路比较器仍有效。通过改变2 kHz PWM占空比可改变通道3和通道4目标电磁阀电流,其输入PWM与输出电流对应关系如图3所示,PWM输出频率和电流呈线性关系。PWM高电平时间由1 MHz时钟测量,并与外部250 kHz始终同步。

      采用ARM及L9352B的电路在实际工程应用中能实现比例电磁阀和开关电磁阀的驱动控制和故障监测,现场使用效果良好。该电路具有可靠性高、成本低、驱动能力强、故障监测功能多的优点,特别适合电磁阀数量多且有故障诊断的场合,具有较强的工程实用价值。
参考文献
[1] L9352B datasheet:  http://www.st.com.1980.
[2] 段志军,李长莉,崔立辉,等.高空作业车比例电磁阀控制电路板的优化设计[J].中国修船,2010,12(6):20-23.
[3] 翁寅生.基于DSP的履带式摊铺机行驶控制系统研究[D].西安:长安大学,2007:27-30.
[4] 张奇,张科勋,李建秋,等.电控柴油机电磁阀驱动电路优化设计[J],2005,4(2):1-4.
[5] 张平均.路面破碎机电液比例控制系统设计[J].筑路机械与施工机械化,2009(1):75-77.