伺服放大器設(shè)計與仿真分析

李玲瓏 霍良青 張奇峰 孫 斌

(機器人學(xué)國家重點實驗室中國科學(xué)院沈陽自動化研究所1，遼寧 沈陽 110016;中國科學(xué)院研究生院2，北京 100039)

0 引言

隨著電液伺服控制技術(shù)的迅速發(fā)展，作為輔助設(shè)備，電液伺服閥的應(yīng)用范圍也不斷擴展，覆蓋從民用機械到精密航天設(shè)備等關(guān)鍵國民經(jīng)濟領(lǐng)域［1］。然而，在實際的電液伺服控制系統(tǒng)中，由于傳感器采集的信號比較微弱，導(dǎo)致控制器輸出功率低，不能直接驅(qū)動后續(xù)電液伺服閥，因此，在控制器與電液伺服閥之間需配用伺服放大器，將弱電信號放大成強電信號來控制電液伺服閥。伺服放大器主要由兩部分組成，前置級為電壓放大電路，功率級為電流負反饋放大電路。伺服放大器的作用是將偏差電壓信號(輸入指令電壓信號與系統(tǒng)反饋電壓信號比較所得)加以運算和放大，輸出一個與偏差電壓信號呈一定函數(shù)關(guān)系的控制電流;將電流輸入伺服閥力矩馬達線圈，以驅(qū)動電液伺服閥［2］，從而控制閥芯開口度大小，起到限幅保護作用。

1 伺服放大器設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

1.2 電路設(shè)計

伺服放大器主要電路包括:調(diào)零電路、前置放大電路、跟隨電路、震顫信號發(fā)生電路和功率放大電路，整個放大器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 伺服放大器電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the structure of servo amplifier circuit

①調(diào)零電路。通過在前置端疊加可調(diào)電壓，調(diào)節(jié)電路基準(zhǔn)電壓［4］。由于工作環(huán)境的變化，當(dāng)輸入力矩馬達線圈電流為零時，電液伺服閥可能會產(chǎn)生一個較小的流量輸出，降低了伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。通過調(diào)節(jié)電位計R1進行零點補償，可以有效克服電液伺服閥零漂的影響，提高系統(tǒng)性能。

伺服放大器各功能模塊的電路原理如圖2所示。

圖2 伺服放大器電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the servo amplifier circuit

②前置放大電路。將輸入指令信號和反饋信號比較所得偏差信號進行運算放大。電路中U1和U2分別為輸入信號和反饋信號。通過調(diào)節(jié)電位計R2改變電路的電壓增益，以適應(yīng)后續(xù)功率放大電路的需要。

③跟隨電路。由于電壓跟隨器的輸入阻抗高、輸出阻抗低［5］，因此，其對前置放大電路等效為開路，對功率放大電路等效為一個恒壓源，有效實現(xiàn)了兩級電路隔離，使得前置放大電路輸出電壓不受后級功率放大電路阻抗變化的影響，保持了電路的穩(wěn)定性。即使出現(xiàn)大偏差信號，電壓跟隨器最大輸出電壓始終小于電源電壓15 V，確保了放大器輸出電流始終小于2倍的電液伺服閥額定電流，實現(xiàn)了電路限流保護。

④震顫信號發(fā)生電路。由于電液伺服閥中閥芯與閥套間存在一定的靜摩擦力［2］，使得電液伺服閥存在一定大小的分辨率。當(dāng)輸入電流的變化值小于電液伺服閥的分辨率時，閥輸出流量不變。為了改善電液伺服閥的特性，在電液伺服閥的輸入信號中疊加電流震顫信號［6］，信號頻率為 100 ～400 Hz，峰-峰值為 10% ～ 20%的閥額定電流。根據(jù)三角波信號發(fā)生器的原理分析［5］，該電路中信號頻率f=(CfR17R14)(4UZR15)，峰-峰值A(chǔ)=4UZR15R14，其中UZ為穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓。這樣便可以調(diào)節(jié)電位計R14、R15和R17獲得滿意的震顫信號，減小摩擦力對閥的干擾，消除卡澀現(xiàn)象［2］。該電路只在閥響應(yīng)不穩(wěn)定的情況下才接入電路。

⑤功率放大電路。功率級放大電路是伺服放大器的核心部分［7］，其將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)化為恒流電流信號輸出，輸出電流大小不受電液伺服閥線圈阻抗變化影響［8］，始終與偏差信號電壓呈一定函數(shù)關(guān)系，保證電路輸出足夠的功率，以驅(qū)動負載。

1.3 電路相關(guān)計算

如圖2所示前置放大電路，設(shè)輸入信號為U1，反饋信號為U2，輸入電阻R2=R3=R4，根據(jù)理想運算放大器的反饋原理，有:

式中:I3=(U1－U+)/R3、I4=(U2－U+)/R4和 I5=(U+－U3)/R5分別為通過電阻R3、R4和R5的電流，從而可得:

課堂預(yù)習(xí)對于課堂學(xué)習(xí)的效率有著很大的影響.在高中數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中，為了更好地融會貫通課堂之上教師所講的，要求高中生在數(shù)學(xué)課堂之前，對教材有一個初步的了解.因此，教師在數(shù)學(xué)教學(xué)過程中，在前期強制要求學(xué)生要課前預(yù)習(xí)，帶著問題上課堂，并且將每節(jié)課的預(yù)習(xí)成果用文字表示出來，好記性不如爛筆頭，一是為了督促學(xué)生養(yǎng)成課前預(yù)習(xí)的習(xí)慣，二是為了讓學(xué)生對即將課堂所學(xué)的教學(xué)內(nèi)容有初步的認識與了解，加深自己對數(shù)學(xué)知識的印象.

根據(jù)跟隨電路原理，輸入阻抗無窮大，可得:U3=U4=U5。對于功率放大電路部分，為了使功率級輸出電流與輸入電壓信號呈線性關(guān)系，采用電阻R12與電液伺服閥線圈串聯(lián)，并將線圈上的電壓經(jīng)電阻R11反饋到放大器的反相輸入端。由于反饋電壓是由電流產(chǎn)生的，因此該放大器被稱為電流負反饋放大器［6］。引入電流負反饋以后，相對負載變動，伺服放大器趨向于恒流源。輸入電阻R8=R9，根據(jù)理想運算放大器的反饋原理可以得到:

由基爾霍夫定律、歐姆定律可知:

式中:I11、I12和IL分別為通過電阻R3、R4和負載線圈的電流，綜合式(2)～(4)可以得到疊加輸入信號與負載電流的線性關(guān)系式為:

2 伺服放大器電路特性分析

2.1 OrCAD10.5 仿真軟件介紹

Cadence公司的OrCAD軟件是世界上應(yīng)用最廣的EDA軟件之一，它集成了電路原理圖繪制、印制電路板設(shè)計、數(shù)字/模擬電路仿真、可編程邏輯器件設(shè)計等功能［9－10］。它為用戶提供了一個龐大的元器件數(shù)據(jù)庫，利用庫中元器件對設(shè)計的電路進行直流分析、交流小信號分析、瞬態(tài)分析和蒙特卡羅分析及最壞情況分析等仿真，結(jié)果與理論計算非常接近。

2.2 電路特性分析

根據(jù)電路原理圖，在OrCAD軟件中建立模擬電路模型，對設(shè)計電路進行仿真分析。為了減小放大電路電源電壓的波動對閥的影響，提高閥的靈敏度，電液伺服閥的兩組線圈采用差動工作方式［8］。仿真時，線圈可以等效為由電阻RL=700 Ω和電感L=3 H串聯(lián)組成的感性阻抗。

2.2.1 線性特性

未加入震顫信號時，伺服放大電路輸出±10 mA電流的直流掃描分析仿真示意圖如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)偏差信號在±10 V范圍內(nèi)變化時，輸入電壓與輸出電流呈嚴格的線性變化。

圖3 輸入電壓與輸出電流直流掃描仿真Fig.3 DC sweep simulation of input voltage and output current

2.2.2 頻率特性

在未接入震顫信號下，分別進行輸出±10 mA電流下的電路交流小信號分析，如圖4所示。從圖4可以看出，在一定的頻率范圍內(nèi)伺服放大電路的輸出恒定，當(dāng)頻率繼續(xù)增大到一定值時出現(xiàn)峰值，而后迅速衰減。該電路頻帶較寬，對伺服閥的動態(tài)影響非常小，完全滿足設(shè)計要求。

圖4 輸出電流的交流小信號分析圖Fig.4 Current analysis of AC small-signal output

2.2.3 時域特性

對輸出±10 mA伺服放大器電路進行瞬態(tài)分析。當(dāng)輸入電壓為±10 V時輸出電流的波形如圖5所示。由圖5可以看出，此放大電路響應(yīng)迅速、電流穩(wěn)定。

圖5 輸出電流波形Fig.5 Output current waveforms

3 伺服放大器電路特性分析

將伺服放大器電路制成PCB樣板，在放大器輸出端與電阻RL之間連入電流表。輸入－10～+10 V之間的階躍電壓信號時，輸出電流隨時間有緩慢變化(運算放大器的溫漂等因素影響)［6］，且與輸入電壓呈比例關(guān)系，測試結(jié)果與仿真計算完全符合。測試得到的電液伺服閥輸入電壓和輸出電流數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 伺服放大電路輸入輸出數(shù)據(jù)Tab.1 Input and output data of the servo amplifier

4 結(jié)束語

采用電路仿真軟件OrCAD對伺服放大器電路建模，并進行了線性特性、頻域特性和時域特性分析，為電路的設(shè)計、元件的選擇提供了理論依據(jù)，使得伺服放大器的研發(fā)周期縮短，性能得到改善。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)定、線性度好、響應(yīng)迅速，滿足FF102電液伺服閥驅(qū)動的需要，具有實際的工程應(yīng)用價值。

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