本發(fā)明涉及精密機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電磁執(zhí)行器作為構(gòu)成機(jī)械系統(tǒng)的要素單元技術(shù)之一，一直是各國(guó)機(jī)械研究項(xiàng)目的共有研究?jī)?nèi)容。目前，電磁執(zhí)行器往精密化、智能化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，一旦精密電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)有所突破，將有可能在此基礎(chǔ)上構(gòu)造實(shí)用化的精密控制系統(tǒng)，從而帶動(dòng)精密機(jī)械整體技術(shù)的全面發(fā)展。為了使電磁執(zhí)行器在精密機(jī)械系統(tǒng)中得到應(yīng)用，當(dāng)前的首要任務(wù)是設(shè)法提高電磁執(zhí)行器的力能指標(biāo)，并以此為基礎(chǔ)解決精密電磁執(zhí)行器的通用化和實(shí)用化問(wèn)題。然而精密電磁執(zhí)行器離不開(kāi)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，電磁執(zhí)行器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)電流的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器控制系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器控制系統(tǒng)，包括：基于ARM芯片的控制單元、大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路以及傳感調(diào)理電路；基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的輸出狀態(tài)信號(hào)經(jīng)傳感調(diào)理電路傳輸至基于ARM芯片的控制單元，并由所述基于ARM芯片的控制單元轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬信號(hào)后發(fā)送至大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路；所述大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路輸出大功率電流信號(hào)用于控制基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的輸出。

優(yōu)選地，還包括電源管理電路、電壓電流顯示模塊，所述電源管理電路用于將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為不同幅值直流電壓，并分別提供給基于ARM芯片的控制單元、大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路、運(yùn)算放大器以及傳感調(diào)理電路；所述電壓電流顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的電流和電壓值。

優(yōu)選地，所述基于ARM芯片的控制單元包括：A/D模塊、ARM單片機(jī)模塊、D/A模塊；

所述A/D模塊通過(guò)接口與傳感調(diào)理電路相連，用于將傳感調(diào)理電路輸送的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后傳輸給ARM單片機(jī)模塊；

所述ARM單片機(jī)模塊對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并將處理后的結(jié)果傳輸給D/A模塊；

所述D/A模塊用于將ARM單片機(jī)模塊的處理結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬信號(hào)，并傳輸給大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路。

優(yōu)選地，所述基于ARM芯片的控制單元采用基于ARM Cortex-M3系列單片機(jī)，以意法半導(dǎo)體公司的STM32F103型號(hào)芯片為核心控制芯片，采用增量式PID算法控制輸出模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)作為大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路的輸入U(xiǎn)i，控制大功率壓-流轉(zhuǎn)換電路輸出相應(yīng)的電流信號(hào)，所述電流信號(hào)控制基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的輸出，所述基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的輸出狀態(tài)信號(hào)經(jīng)傳感調(diào)理電路反饋回基于ARM芯片的控制單元；另外，所述基于ARM芯片的控制單元還通過(guò)RS232通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)顯示基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的輸出狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路為采用PA340CC大功率運(yùn)算放大器和功率MOSFET組成的功率放大電路，用于將基于ARM芯片的控制單元輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為經(jīng)放大處理的電流信號(hào)。

優(yōu)選地，所述傳感調(diào)理電路采用8階巴特沃思低通濾波電路，用于濾除基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的輸出狀態(tài)信號(hào)中的干擾源，所述干擾源包括：高頻噪聲、磁場(chǎng)強(qiáng)度中的交流成分。

優(yōu)選地，所述電源管理電路采用半橋開(kāi)環(huán)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于將220V交流電轉(zhuǎn)化為：正負(fù)60伏電壓、正負(fù)15伏電壓、正5伏電壓以及正3.3伏電壓這四種直流電壓；其中：正負(fù)60伏電壓提供給大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路，正負(fù)15伏電壓提供給運(yùn)算放大器，正5伏電壓以及正3.3伏電壓提供給基于ARM芯片的控制單元。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明提供的電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器控制系統(tǒng)能夠?qū)陔娏黩?qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確控制，同時(shí)與上位機(jī)通過(guò)RS232通信接口建立連接，通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示執(zhí)行器的輸出狀態(tài)。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為本發(fā)明提供的電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器控制系統(tǒng)的原理框圖；

圖2為大功率壓-流轉(zhuǎn)換電路示意圖；

圖3為8階巴特沃思低通濾波器的電路示意圖；

圖4為整流濾波電路示意圖；

圖5為半橋式開(kāi)關(guān)DC-DC電路示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

根據(jù)本發(fā)明提供的電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器控制系統(tǒng)，包括：基于ARM芯片的控制單元、大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路以及傳感調(diào)理電路；基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的輸出狀態(tài)信號(hào)經(jīng)傳感調(diào)理電路傳輸至基于ARM芯片的控制單元，并由所述基于ARM芯片的控制單元轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬信號(hào)后發(fā)送至大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路；所述大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路輸出控制電路信號(hào)用于控制基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的輸出。

所述電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器控制系統(tǒng)，還包括電源管理電路、電壓電流顯示模塊，所述電源管理電路用于將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為不同幅值直流電壓，并分別提供給基于ARM芯片的控制單元、大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路以及傳感調(diào)理電路；所述電壓電流顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的電流和電壓值。

所述基于ARM芯片的控制單元包括：A/D模塊、ARM單片機(jī)模塊、D/A模塊；

所述A/D模塊通過(guò)接口與傳感調(diào)理電路相連，用于將傳感調(diào)理電路輸送的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后傳輸給ARM單片機(jī)模塊；

所述ARM單片機(jī)模塊對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并將處理后的結(jié)果傳輸給D/A模塊；

所述D/A模塊用于將ARM單片機(jī)模塊的處理結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬信號(hào)，并傳輸給大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路。

所述基于ARM芯片的控制單元采用基于ARM Cortex-M3系列單片機(jī)，以意法半導(dǎo)體公司的STM32F103型號(hào)芯片為核心控制芯片，采用增量式PID算法控制輸出模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)作為大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路的輸入U(xiǎn)i，控制大功率壓-流轉(zhuǎn)換電路輸出相應(yīng)的電流信號(hào)，所述電流信號(hào)控制基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的輸出，所述基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的輸出狀態(tài)信號(hào)經(jīng)傳感調(diào)理電路反饋回基于ARM芯片的控制單元；另外，所述基于ARM芯片的控制單元還通過(guò)RS232通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)顯示基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的輸出狀態(tài)。

所述大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路為采用PA340CC大功率運(yùn)算放大器和功率MOSFET組成的功率放大電路，用于將基于ARM芯片的控制單元輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為經(jīng)放大處理的電流信號(hào)。

所述傳感調(diào)理電路采用8階巴特沃思低通濾波電路，用于濾除基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的輸出狀態(tài)信號(hào)中的干擾源，所述干擾源包括：高頻噪聲、磁場(chǎng)強(qiáng)度中的交流成分。

所述電源管理電路采用半橋開(kāi)環(huán)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于將220V交流電轉(zhuǎn)化為：正負(fù)60伏電壓、正負(fù)15伏電壓、正5伏電壓以及正3.3伏電壓這四種直流電壓；其中：正負(fù)60伏電壓提供給大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路，正負(fù)15伏電壓提供給運(yùn)算放大器，正5伏電壓以及正3.3伏電壓提供給基于ARM芯片的控制單元。

具體地，本發(fā)明中的基于ARM芯片的控制單元為ARM Cortex-M3系列單片機(jī)為核心控制器，將基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的輸出狀態(tài)通過(guò)傳感調(diào)理電路處理后送到ARM的A/D模塊，通過(guò)A/D模塊將模擬的位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)給ARM進(jìn)行處理。ARM單片機(jī)將處理的結(jié)果傳輸?shù)絻?nèi)部的D/A模塊，通過(guò)D/A模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)傳輸?shù)酱蠊β蕢?流轉(zhuǎn)換電路，作為大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路的輸入U(xiǎn)i，控制大功率壓-流轉(zhuǎn)換電路輸出相應(yīng)的電流信號(hào)，控制基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的輸出量。通過(guò)USB接口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器輸出狀態(tài)。

本發(fā)明中的大功率壓-流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路是將ARM單片機(jī)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換得到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器輸出相應(yīng)的量。大功率壓-流轉(zhuǎn)換電路的輸入基準(zhǔn)電壓Ui，Q1和Q2是兩個(gè)工作于乙類狀態(tài)的互補(bǔ)對(duì)稱的功率MOSFET，它們組成的功率放大部分，分別采用IRF640和IRF9640。與常用的功率晶體管放大器相比，用功率MOSFET構(gòu)成的線性功率放大器具有線性度好、頻帶寬、電路簡(jiǎn)單、溫度穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。U2選用PA340CC大功率運(yùn)算放大器，能輸出正負(fù)60V電壓。L1和R5對(duì)應(yīng)基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器電感和電阻。

如圖2所示，有運(yùn)算放大器的特性可以得到

U₊＝U_-

$U_{+}=\frac{R_{12}}{R_{11}+R_{12}}{U}_i$

$I_o=\frac{U_{-}}{R_{13}}=\frac{U_{+}}{R_{13}}=\frac{R_{12}}{(R_{11}+R_{12})R_{13}}{U}_i$

式中：R₁₁R₁₂是分壓電阻；R₁₃是采樣電阻，選用大功率精密無(wú)感電阻。公式表明，輸出電流I_o與輸入電壓U_i成正比，與負(fù)載無(wú)關(guān)。

本發(fā)明中的傳感調(diào)理電路，對(duì)基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器來(lái)說(shuō)輸出的信號(hào)存在噪聲干擾?；陔娏黩?qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的工作頻率一般在幾百赫茲一下，需要用低通濾波器將模擬量中的高頻噪聲、磁場(chǎng)強(qiáng)度中的交流成分等干擾源濾掉。本電路采用傳感器和8階巴特沃思低通濾波電路，濾除傳感器采集的信號(hào)中的高頻噪聲和交流成分。其截止頻率f_c＝100Hz，將4個(gè)2階巴特沃思低通濾波器級(jí)聯(lián)成為8階巴特沃思低通濾波電路，電阻值分別為R₁₁＝2690.6,R₁₂＝28529,R₂₁＝3315.6,R₂₂＝23151,R₃₁＝7648.2,R₃₂＝10036,R₄₁＝17032,R₄₂＝45067。電容值分別為：

C₁₁＝0.33uf,C₁₂＝0.1uf,C₂₁＝0.33uf,C₂₂＝0.1uf,C₃₁＝0.33uf,C₃₂＝0.1uf,C₄₁＝0.33uf,C₄₂＝0.1uf。

本發(fā)明中的電源管理電路采用半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將220V的交流電壓轉(zhuǎn)換為正負(fù)60伏雙電壓，正負(fù)15伏雙電壓和正5伏和正3.3伏四種直流電壓。正負(fù)60伏雙電壓給大功率壓-流轉(zhuǎn)換電路供電，正負(fù)15伏雙電壓給運(yùn)算放大器供電，5伏電壓和3.3伏電壓給ARM單片機(jī)供電。

圖4為整流濾波電路，X1為保險(xiǎn)絲，起到電路保護(hù)作用，一旦出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)熔斷，切斷電壓。D1為全橋整流電路，使220V，50HZ的交流電壓變成直流壓電，R1和C1組成濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波，得到的直流電壓作為半橋型DC-DC的輸入電壓。

圖5為半橋式DC-DC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管Q1和Q2在開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，交替地導(dǎo)通與截止。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，在輸入電壓Vin作用下，電流經(jīng)Q1、變壓器初級(jí)繞組N1，電容C3和電容C2給變壓器初級(jí)繞組1N勵(lì)磁，同時(shí)經(jīng)次級(jí)二極管D3、繞組N2給負(fù)載供電。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1截止、Q2導(dǎo)通時(shí)，輸入電源經(jīng)電容C1、電容C3和變壓器初級(jí)繞組N1、開(kāi)關(guān)管Q2給變壓器初級(jí)繞組勵(lì)磁，同時(shí)經(jīng)次級(jí)二極管D4給負(fù)載供電。所以，電源通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管Q1、Q2交替給變壓器初級(jí)繞組N1勵(lì)磁并為負(fù)載供電。變壓器初級(jí)的脈沖電壓幅度為Vin/2。同樣，電容C1、C2上的電壓也分別為Vin/2。

半橋型開(kāi)關(guān)電源的自平衡能力強(qiáng)，不易使變壓器由于Q1、Q2的導(dǎo)通時(shí)間不一致而產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)管Q1、Q2損壞。當(dāng)Q1、Q2的導(dǎo)通時(shí)間不一致時(shí)，變壓器初級(jí)N1繞組的勵(lì)磁電流大小不一樣，致使電容C1、C2上的電壓不相等，勵(lì)磁電流越大，則對(duì)應(yīng)的電容器電壓越小，從而起到自平衡對(duì)稱的作用。由于每個(gè)功率開(kāi)關(guān)管上的電壓只有輸入電壓Vin的一半，所以要輸出同樣的功率，每個(gè)功率開(kāi)關(guān)管中流過(guò)的電流就要增大一倍。改變導(dǎo)通開(kāi)關(guān)的占空比，可以改變二次側(cè)整流電壓的平均值，從而達(dá)到改變了輸出電壓Uo的目的。

為了更清楚的理解本發(fā)明，結(jié)合附圖1-圖5和實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明。

實(shí)施例1：通過(guò)搭建的控制系統(tǒng)來(lái)控制超磁致伸縮執(zhí)行器的輸出位移

如附圖1至圖5所示，基于電流驅(qū)動(dòng)的電磁執(zhí)行器的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括以意法半導(dǎo)體公司的STM32F103型號(hào)芯片的核心控制器、大功率壓-流轉(zhuǎn)換電路、調(diào)理傳感電路、電源管理電路和電壓電流顯示模塊：

ARM Cortex-M3系列STM32F103單片機(jī)，主要應(yīng)用A/D、D/A功能和串口收發(fā)功能。通過(guò)D/A端口與大功率壓流轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，通過(guò)A/D端口與激光位移傳感器和8階巴特沃思低通濾波器組成的傳感調(diào)理電路的輸出端連接，通過(guò)RS232串口通信接口與上位機(jī)連接。

大功率壓流轉(zhuǎn)換電路的輸出端與超磁致伸縮執(zhí)行器連接，超磁致伸縮執(zhí)行器的輸出位移由激光位移傳感器檢測(cè)。

電壓電流顯示模塊與超磁致伸縮執(zhí)行器連接，用于顯示流過(guò)執(zhí)行器的電流和執(zhí)行器兩端的電壓。

由ARM Cortex-M3系列STM32F103單片機(jī)控制大功率壓流轉(zhuǎn)換電路的輸出電流：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸出的數(shù)字電壓量通過(guò)D/A模塊轉(zhuǎn)換為模擬電壓作為大功率壓流轉(zhuǎn)換電路的輸入信號(hào)，進(jìn)而控制輸出端電流的大小控制超磁致伸縮執(zhí)行器的位移量。

由激光位移傳感器采集超磁致伸縮執(zhí)行器的輸出位移大小，經(jīng)過(guò)8階巴特沃思低通濾波器濾除高頻噪聲和交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)ARM Cortex-M3系列STM32F103單片機(jī)的A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

ARM Cortex-M3系列STM32F103單片機(jī)采用增量式PID算法，控制超磁致伸縮執(zhí)行器快速、準(zhǔn)確的輸出相應(yīng)的位移。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。