雙極性限流式驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王懷俠 孫宇偉 郭燕紅 李楠 黃凱

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 北京市 100076）

三冗余機(jī)械反饋伺服閥的閥線圈采用三冗余控制方式。伺服機(jī)構(gòu)的位置與閥電流成正比，傳統(tǒng)單路伺服控制中，當(dāng)閥電流控制電路中出現(xiàn)異常，導(dǎo)致閥電流異常時(shí)伺服機(jī)構(gòu)位置就會(huì)出現(xiàn)異常且無(wú)法被糾正。三冗余控制方法則在數(shù)字指令輸出前，對(duì)三個(gè)閥電流進(jìn)行判斷，如果正常，則將數(shù)字指令平均分配給三路D/A 轉(zhuǎn)換器，如果一個(gè)閥電流被判異常，則在數(shù)字指令分配時(shí)，由另兩路進(jìn)行補(bǔ)償，即能實(shí)現(xiàn)單路輸出效果等同于三路輸出的功能。所以輸出電流范圍較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的電液反饋伺服閥的電流；

另外，伺服作動(dòng)器需要實(shí)現(xiàn)雙向動(dòng)作，從而要求伺服閥電流是雙極性。伺服作動(dòng)器還需要對(duì)行程進(jìn)行限位，即需在電路中增加伺服閥電流的限流保護(hù)功能。

針對(duì)上述需求，本文設(shè)計(jì)了一種雙極性限流式高壓驅(qū)動(dòng)電路。本文從電路設(shè)計(jì)、限流保護(hù)、電路參數(shù)選取等方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，該電路可滿足三冗余機(jī)械反饋伺服閥電流的寬范圍輸出的要求，并能實(shí)現(xiàn)電流的雙極性。而且電路中有限流保護(hù)設(shè)計(jì)，可對(duì)伺服作動(dòng)器進(jìn)行行程限位。

1 電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)需滿足以下幾點(diǎn)需求。三冗余機(jī)械反饋式伺服閥輸出電流范圍較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的電液反饋伺服閥的電流，所以需要驅(qū)動(dòng)電路能夠滿足大電路輸出需求；伺服座動(dòng)器需要實(shí)現(xiàn)雙向動(dòng)作，所以要求伺服閥電流是雙極性的；伺服作動(dòng)器需要對(duì)行程進(jìn)行限位，即需在電路中增加伺服閥電流的限流保護(hù)功能。

伺服機(jī)構(gòu)為機(jī)械反饋式，伺服閥飽和電流設(shè)計(jì)為48mA，考慮極限情況下有12mA 的溫漂補(bǔ)償，共60mA，正常工況下，平均分配給3 路，在發(fā)生一度故障時(shí)，極限情工況下要求單通道能輸出60mA，該電流已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電液反饋伺服閥的電流要求。

電路設(shè)計(jì)包含主電路，驅(qū)動(dòng)電路和控制電路。其中主電路為DSP 芯片通過(guò)A/D 采樣獲取當(dāng)前伺服機(jī)構(gòu)狀態(tài)，再根據(jù)閉環(huán)控制參數(shù)和相應(yīng)的控制算法計(jì)算出本周期的數(shù)字控制輸出。之后，通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換成模擬小信號(hào)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理放大后輸出給控制電路?？刂齐娐夫?qū)動(dòng)伺服作動(dòng)器，從而完成伺服機(jī)構(gòu)的最終運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

驅(qū)動(dòng)電路位于主電路和控制電路之間，可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制電路的放大功能，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出閥電流的大小進(jìn)而控制作動(dòng)器位置，實(shí)現(xiàn)控制功能。功率放大電路是驅(qū)動(dòng)電路的一部分，該電路主要是由伺服放大器及其外圍電路組成，由D/A 輸出指令信號(hào)的功率放大，為伺服線圈提供電流信號(hào)，為避免功率放大器過(guò)流失效，設(shè)計(jì)放大器限流保護(hù)電路；同時(shí)，為避免放大器不帶閥線圈負(fù)載時(shí)開(kāi)路輸出和伺服作動(dòng)器行程超出限位，設(shè)計(jì)放大器限流保護(hù)電路。

為滿足大范圍電流輸出的需求，設(shè)計(jì)時(shí)選用可±30V 電源供電的高壓功率放大器。電路圖如圖1，DSP 通過(guò)并行數(shù)據(jù)總線將閥電流數(shù)據(jù)傳輸給16 位的D/A 轉(zhuǎn)換器，D/A 轉(zhuǎn)換器將0V～+5V 的信號(hào)輸出至功率放大器U1，功率放大器以+5V 參考源為基準(zhǔn)，將單向0V～+5V 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙向-5V～+5V 的電壓信號(hào)；

圖1：電路框圖

表1：功率放大電路電阻電容參數(shù)值

選用的功率放大器為低功耗高壓驅(qū)動(dòng)電路，輸出電壓范圍較寬，為+4V～+30V 供電，持續(xù)數(shù)傳電流較大可達(dá)200mA，為單通道輸出，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)15V/us，該器件噪聲較低，且期間內(nèi)部具有熱關(guān)斷傳感器，當(dāng)功率放大器結(jié)溫達(dá)到160 攝氏度即可自行關(guān)斷，熱關(guān)斷標(biāo)志引腳標(biāo)會(huì)輸出電流提示。該器件帶寬較寬，為3MHz，器件工作溫度可達(dá)-40 攝氏度至150 攝氏度，可以滿足使用要求。

功率放大電路采用±30V 供電，功率放大器最大輸出電壓Vo約為±28V；Voh 和Vol 通過(guò)電纜接到伺服閥線圈上。Vin 為D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出端接口，+5Vref1 為+5V 參考電壓，U2 為功率放大器件，R1 為正向輸入電阻，R2 為負(fù)向輸入電阻，R3 為反饋電阻，R6 為取樣電阻，R4 為限流電阻。R5 為空載時(shí)高低端保護(hù)電阻，為避免放大器不帶閥線圈負(fù)載時(shí)開(kāi)路輸出，設(shè)計(jì)開(kāi)路保護(hù)電路，提高功率放大電路的可靠性。

2 雙極性設(shè)計(jì)

雙極性電路設(shè)計(jì)為滿足伺服閥電流是雙極性設(shè)計(jì)的需求，在功率放大器的輸入端電壓為0V ～+5V 的情況下，需要實(shí)現(xiàn)輸出端-5V ～+5V 的信號(hào)變化范圍。

系統(tǒng)中D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出范圍為0 ～+5V 的單向電壓，本電路使用+5V 參考源+5Vref，將Vin 輸入的單向0V～+5V 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙向-5V～+5V 的電壓信號(hào)：

由（1）～（4），可知Vol=2Vin-5，即Vin 的范圍為0 ～5V 時(shí)，Vol 的輸出范圍為-5V ～+5V。

通過(guò)上述功率放大電路實(shí)現(xiàn)了雙極性的電壓信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)了伺服閥電流的雙極性。

3 限流設(shè)計(jì)

限流電路在電子電路中應(yīng)用廣泛，指的是通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)從而使在正常或者某些故障條件下，從該電路流出的電流不會(huì)太大，不會(huì)對(duì)電路造成危害，從而保證其他元器件的工作安全。采用電阻限流，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，適用于小電流的電路。

功率放大電路主要是由伺服放大器及其外圍電路組成，用于D/A 輸出指令信號(hào)的功率放大，為伺服閥線圈提供電流信號(hào)。為避免功率放大器過(guò)流失效，需為放大器設(shè)計(jì)限流保護(hù)電路。

另外，在實(shí)際應(yīng)用中還有兩種異常情況需要考慮。功率放大器不帶閥線圈負(fù)載時(shí)，開(kāi)路輸出會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生危害。另外，也同伺服作動(dòng)器的行程如果超出限位也會(huì)對(duì)系統(tǒng)有不利影響。為避免功率放大器開(kāi)率輸出和作動(dòng)器超出限位，設(shè)計(jì)放大器限流保護(hù)電路。在功率放大器輸出端增加限流電阻，將放大器最大輸出電流控制在60mA 以內(nèi)。流過(guò)閥線圈的電流IRf計(jì)算如下：

閥線圈電阻Rf=298Ω，高低端空載保護(hù)電阻R5=400K，反饋電阻R3=100K，

因

可認(rèn)為由R5 和R3 造成的分流忽略不計(jì)，即

又

由元器件手冊(cè)知Vo 的最大輸出電壓約為±28V，項(xiàng)目要求R6=100Ω，所以由|IRf|≤60mA 可得限流電阻R4=68Ω。可通過(guò)限流電阻R4 來(lái)調(diào)節(jié)流過(guò)閥線圈電阻的最大電流，從而進(jìn)行限流保護(hù)。

根據(jù)項(xiàng)目要求，設(shè)置和計(jì)算出功率放大電路的電容和電阻值見(jiàn)表1。此時(shí)，還需進(jìn)行阻抗匹配，設(shè)計(jì)負(fù)向輸入電阻R2 和反饋電阻R3 均為100K，正向輸入電阻R1 為50K；設(shè)計(jì)反饋電阻并聯(lián)電容C4 為20pF，伺服閥線圈并聯(lián)電容C2 為0.33pF，采樣電阻并聯(lián)電容C3 為47pF。

4 結(jié)論

伺服機(jī)構(gòu)的位置與閥電流成正比，在數(shù)字指令輸出前，對(duì)三個(gè)閥電流進(jìn)行判斷，如果正常，則將數(shù)字指令平均分配給三路D/A 轉(zhuǎn)換器，如果有一個(gè)閥電流被判異常，則在數(shù)字指令分配時(shí)，由另兩路進(jìn)行補(bǔ)償，即能實(shí)現(xiàn)單路輸出效果等同于三路輸出的功能，所以輸出電流范圍較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的電液反饋伺服閥的電流；且伺服作動(dòng)器需實(shí)現(xiàn)雙向動(dòng)作，要求伺服閥電流是雙極性；伺服作動(dòng)器需要對(duì)行程進(jìn)行限位，即需在電路中增加伺服閥電流的限流保護(hù)功能。本文針對(duì)三冗余機(jī)械反饋式伺服閥輸出電流范圍較大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了雙極性限流式驅(qū)動(dòng)電路，可實(shí)現(xiàn)三冗余機(jī)械反饋伺服閥電流的大電流輸出的要求，并能實(shí)現(xiàn)電流的雙極性，且電路中有限流保護(hù)設(shè)計(jì)，相對(duì)于傳統(tǒng)的閥電流驅(qū)動(dòng)電路，輸出電流的范圍更大。該方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、可靠、通用性好，具有良好的推廣價(jià)值。