高感電磁閥驅(qū)動(dòng)恒流源的設(shè)計(jì)

李佳鑫，朱玉玉,2，林茂松

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，綿陽 621000；2.電子科技大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，成都 610054）

0 引言

電磁閥在核工業(yè)中應(yīng)用廣泛，在反應(yīng)堆棒控系統(tǒng)中作為重要的執(zhí)行單元，用以完成控制棒的提升、保持、下插等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆反應(yīng)性以及功率特性的控制功能[1]，其準(zhǔn)確性及可靠性決定了反應(yīng)堆控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，關(guān)系到反應(yīng)堆的正常運(yùn)行和安全。清華大學(xué)10MW高溫氣冷堆、中國先進(jìn)研究堆CARR采用基于IGBT和可編程控制器PLC控制臺(tái)方式[2～5]實(shí)現(xiàn)電磁閥驅(qū)動(dòng)，其具有良好的運(yùn)行可靠性、動(dòng)作響應(yīng)迅速，但動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力略有不足，控制精度不夠高，開發(fā)成本高，對(duì)電磁閥負(fù)載特性有一定的限制要求。文獻(xiàn)[6]指出電磁閥驅(qū)動(dòng)因采用電壓開環(huán)控制的不可靠性而加入電流反饋控制，但輸出電流紋波較大。

針對(duì)核工業(yè)對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的要求，本文設(shè)計(jì)一款由STM32控制實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的高感電磁閥驅(qū)動(dòng)恒流源。該恒流源在硬件上采用模擬與數(shù)字混合電路設(shè)計(jì)[7]，軟件上采用電壓-電流環(huán)雙PID算法，實(shí)現(xiàn)高精度恒流輸出調(diào)節(jié)功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為DC/DC恒流源總體結(jié)構(gòu)框圖，主要包括DC/DC全橋變換器、穩(wěn)流控制模塊、按鍵、數(shù)碼管及ARM控制器。ARM控制器獲取按鍵設(shè)置參數(shù)，產(chǎn)生控制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)全橋DC/DC變換器和穩(wěn)流控制模塊輸出恒流并在數(shù)碼管上顯示。

圖1 DC/DC恒流源總體結(jié)構(gòu)框圖

2 電路設(shè)計(jì)與分析

2.1 全橋DC/DC變換器主電路設(shè)計(jì)

根據(jù)電磁閥在核工業(yè)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種全橋DC/DC變換器拓?fù)?，如圖2所示。輸入電壓范圍為315≤Vin≤385V，采用4個(gè)N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET組成全橋開關(guān)管Q1～Q4，變壓器T1的變比為n=1:1.2，電感L1和輸出電容Cout形成輸出濾波器。Q1、Q4和Q2、Q3兩對(duì)橋臂交替各導(dǎo)通不超過180°，占空比D變化范圍為0～50%，可控制輸出滿足要求的直流電壓給到負(fù)載，全橋DC/DC變換器的輸入和輸出電壓關(guān)系為：

其中，占空比D=ton/ T（0＜D＜0.5）。

圖2 全橋DC/DC變換器拓?fù)?/p>

2.2 穩(wěn)流電路設(shè)計(jì)

穩(wěn)流電路是恒流源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定輸出的基礎(chǔ)，核心電路基于串聯(lián)負(fù)反饋式非線性調(diào)整的恒流源電路，其基本原理是通過電流負(fù)反饋改變與負(fù)載串聯(lián)的調(diào)整管（功率NMOSFET）的內(nèi)阻來調(diào)整輸出電流的變化。由于采用了場(chǎng)效應(yīng)管作為調(diào)整管，恒流系統(tǒng)不受運(yùn)算放大器的最大輸出電流限制而獲得較大的輸出電流。圖3為串聯(lián)負(fù)反饋式穩(wěn)流電路。

圖3 串聯(lián)負(fù)反饋式穩(wěn)流電路圖

穩(wěn)流電路主要由高精度運(yùn)算放大器A1、A2，反饋放大器M1、調(diào)整管Q0及其外圍電阻、電容組成。為了實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)定控制，運(yùn)放A1、A2選用80nVpp低噪聲、0.2 μV/°C低溫漂的高速精密運(yùn)算放大器OP37。穩(wěn)流電路的工作原理：采樣電阻Rs對(duì)輸出電流Iout（由于負(fù)載和調(diào)整管Q0串聯(lián)，所以Is=Iout）進(jìn)行采樣，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)并通過反饋放大器M1得到反饋電壓Vs。反饋電壓Vs與經(jīng)過電壓跟隨器A1之后的恒流參考電壓Vref進(jìn)行比較，其差值再經(jīng)過積分器A2得到輸出電壓Vo2。由于調(diào)整管Q0是場(chǎng)效應(yīng)管，即電壓控制型器件，通過改變柵源電壓Vgs來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小；簡(jiǎn)而言之，通過Vo2的大小對(duì)輸出電流Iout進(jìn)行調(diào)整控制。

假設(shè)A1、A2均為理想運(yùn)算放大器，A1作為同相電壓跟隨器根據(jù)虛短、虛斷原則可得：

因電壓跟隨器的輸入電阻Ri→∞，輸出電阻Ro→0可知當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓Vo1幾乎不變，從而消除了負(fù)載變化對(duì)輸出電壓Vo1的影響。

A2作為積分電路，利用理想運(yùn)放的特性可得：

整理可得：

其中τ=R3×C1為積分時(shí)間常數(shù)。

圖4 反饋放大電路

反饋放大器M1實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、放大功能。其由兩個(gè)同相輸入連接的運(yùn)放A3、A4構(gòu)成的一級(jí)差分放大電路和運(yùn)放A5構(gòu)成的二級(jí)差分放大電路組成，如圖4所示。M1作為穩(wěn)流系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性是穩(wěn)流系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，所以A3、A4、A5選用低噪聲、低溫漂、額定溫度范圍為-55℃～125℃的高精度運(yùn)算放大器AD708S。在一級(jí)電路中，Vb、Vc分別為A3、A4的同相端輸入，R4和兩個(gè)R5構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)理想運(yùn)放的虛短、虛斷原則，可知：Vb=Vn3，Vc=Vn4和in=0，故而可得到關(guān)系式如下：

由式(7)～式(9)得：

同理，二級(jí)差分電路輸出電壓方程為：

選取阻值滿足R9/R8=R7/R6的關(guān)系，輸出電壓可簡(jiǎn)化為：

由式(10)、式(12)得：

反饋放大電路的電壓增益為：

當(dāng)A3、A4兩輸入端有相同的干擾電壓vic時(shí)，反相端也有相等的干擾電壓vn3=vn4=vic，使流過R4的干擾電流為零，故在電阻R5上沒有干擾電流，一級(jí)放大電路不對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行放大，即A3、A4輸出端的干擾電壓為voc3=voc4=vic。在二級(jí)差分放大電路中，A5只會(huì)放大Vo3-Vo4的差分信號(hào)，輸入端的干擾信號(hào)將相互抵消，即voc3-voc4=0。此反饋放大電路M1抑制干擾信號(hào)能力強(qiáng)。同時(shí)，當(dāng)阻值R8=R9時(shí)，可通過選擇電阻R4、R5的比值來調(diào)節(jié)M1的電壓增益AMv。

恒流系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)，恒流參考電壓Vref和反饋電壓V_s相等，可得到關(guān)系式如下：

由上式分析可知，AMvRs為定值，通過改變恒流參考電壓Vref來調(diào)節(jié)恒流系統(tǒng)穩(wěn)定輸出電流Iout。為保證檢測(cè)精確度，R4、R5和Rs選擇低溫漂的精密薄膜電阻，R4=2kΩ，R5=99kΩ，Rs=0.1Ω。由此，可以得到具體的恒流參考電壓Vref和輸出電流Iout的數(shù)學(xué)關(guān)系式：Iout=0.1×Vref。同時(shí)，為了提高輸出電流精度，本文選用一款4ppm℃低溫漂、16位D/A轉(zhuǎn)換器DAC8563。STM32處理器通過同步串行接口SPI控制DAC8563獲得精密電壓輸出Vref，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，Din為數(shù)據(jù)碼，取值范圍為0≤Din≤2n-1，模數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)n=16，D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)源VREF=5V。

調(diào)整管Q0作為恒流系統(tǒng)的被控對(duì)象，需工作在飽和區(qū)實(shí)現(xiàn)恒流輸出，應(yīng)滿足以下條件：1）柵源極電壓大于等于開啟電壓，即VDS≥VTN；2）漏源極電壓大于柵源極電壓與開啟電壓的差值，即VDS＞VGS-VTN。由于在飽和區(qū)，可近似看成iD不隨VDS變化而受VDS控制。因此，可得到恒流區(qū)的工作電流iD表達(dá)式為：

調(diào)整管Q0選用IRFP460型N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管，它的導(dǎo)通電阻約0.2Ω，最大工作電流不超過300mA，所以導(dǎo)通損耗較小;開啟延時(shí)為23ns，關(guān)閉延時(shí)為150ns，而上升下降時(shí)間均為70ns左右，它的開關(guān)速度快；漏極脈沖電流最大可達(dá)80A，對(duì)瞬間短路電流具有較強(qiáng)的承受能力；結(jié)區(qū)溫度范圍是-55℃～150℃，滿足核工業(yè)的工作環(huán)境要求。

3 恒流系統(tǒng)控制策略分析

3.1 恒流輸出時(shí)序

恒流輸出時(shí)序如圖5所示。Imax表示輸出最大值,其調(diào)節(jié)范圍為200mA～300mA，設(shè)置步進(jìn)為10mA；Imin表示輸出最小值，調(diào)節(jié)范圍為100～200mA，設(shè)置步進(jìn)為10mA；t1～t2表示恒流建立階段，時(shí)間為t1～t2≤100ms；t2～t3表示最大電流維持階段，時(shí)間為200ms≤t2～t3≤600ms，設(shè)置步進(jìn)為10ms；t3～t4表示恒流再調(diào)節(jié)階段，時(shí)間為t3～t4≤50ms；t4以后表示恒流輸出常態(tài)階段。

圖5 恒流輸出時(shí)序

3.2 恒流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

恒流驅(qū)動(dòng)電源主要功能是為作為高感負(fù)載的電磁閥提供所需恒定的驅(qū)動(dòng)電流，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高精度的電流輸出，需注意以下幾個(gè)問題：

1）由于電磁閥內(nèi)部阻抗差異和高溫對(duì)電磁閥阻抗的影響，所以需要調(diào)控全橋DC/DC變換器輸出合適的驅(qū)動(dòng)電壓，否則，造成驅(qū)動(dòng)電壓-輸出電流不匹配問題甚至燒毀器件。

2）考慮到穩(wěn)定性和損耗問題，調(diào)整管需保持工作在飽和區(qū)，其漏源極壓差不宜過大，否則會(huì)發(fā)熱發(fā)燙甚至毀壞器件。

根據(jù)以上問題，本文提出一種恒流“粗-細(xì)”調(diào)節(jié)控制策略，如圖6所示。在恒流“粗”調(diào)節(jié)階段，采用電壓控制，調(diào)整管Q0漏源極參考電壓為Vdsref，漏源極反饋電壓為Vds，誤差通過PI控制器得到調(diào)制信號(hào)PWM，再通過PWM細(xì)化輸出器控制DC/DC變換器提供平滑的驅(qū)動(dòng)電壓Vout。在恒流“細(xì)”調(diào)節(jié)階段，采用電流控制，恒流輸出參考電流為Iref，負(fù)載反饋電流為Is，誤差通過PI控制器得到調(diào)制信號(hào)WCC，再通過WCC細(xì)化輸出器控制D/A轉(zhuǎn)換器DAC8563輸出精密的恒流參考電壓Vref。啟動(dòng)器為恒流“細(xì)”調(diào)節(jié)控制開關(guān)，根據(jù)調(diào)整管Q0的漏源極電壓和負(fù)載電流大小進(jìn)行控制。細(xì)化輸出器對(duì)調(diào)制信號(hào)再細(xì)化輸出處理，減小驅(qū)動(dòng)電壓、負(fù)載電流在短時(shí)間內(nèi)變化過大而產(chǎn)生大的反向電壓的影響。

圖6 恒流“粗-細(xì)”調(diào)節(jié)控制策略

3.3 恒流系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)采用“粗-細(xì)”調(diào)節(jié)控制策略，對(duì)恒流輸出四個(gè)階段進(jìn)行控制，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

4 仿真結(jié)果

根據(jù)穩(wěn)流電路設(shè)計(jì)原理和恒流控制策略，在MATLAB/Simulink平臺(tái)下搭建仿真模型，驗(yàn)證恒流效果，如圖8所示。積分電路A2中R3=1kΩ、C1=4.7uF；反饋放大器M1增益為100；反饋電阻Rs=0.1Ω；電磁閥等效負(fù)載L=8H、RL=680Ω；調(diào)整管Q0根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)建模。

圖8 恒流源仿真模型

恒流系統(tǒng)在“粗-細(xì)”調(diào)節(jié)控制下的恒流效果，如圖9所示。從圖9(a)中看出，在恒流建立階段和再調(diào)節(jié)階段，調(diào)整管漏源極的壓差最大不超過80V，而在其余階段，壓差基本上保持在10V以下，調(diào)整管保持工作在飽和區(qū)。圖9(b)是恒流輸出波形，從圖中可以看出輸出電流穩(wěn)定、無振蕩現(xiàn)象，其最大電流值為300mA，最小電流值為250mA。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用型號(hào)STM32F429的ARM處理器作為控制芯片，通過按鍵設(shè)置恒流參數(shù)，可以方便的控制恒流源輸出波形。測(cè)試時(shí)恒流源輸入電壓350V DC,用鞍山電磁閥與滑動(dòng)變阻器模擬核工業(yè)中電磁閥負(fù)載，其電感值8H，電阻值范圍為650Ω～1360Ω。在輸出100mA～300mA范圍內(nèi)，不同負(fù)載電阻情況下，每隔10mA為一組數(shù)據(jù)，每組進(jìn)行20min穩(wěn)定性測(cè)試，共測(cè)試200組，部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出輸出電流相對(duì)誤差均低于0.2%。

下面為三組典型值的恒流波形，電流最大、最小值分別是圖10(a)300mA～200mA、圖10(b)250mA～150mA、圖10(c)200mA～100mA，如圖10所示。

圖9 恒流控制效果

表1 恒流測(cè)試數(shù)據(jù)

圖10 恒流波形

為驗(yàn)證恒流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文從輸入電壓變化、改變滑動(dòng)變阻器阻值模擬電磁閥阻抗在高溫環(huán)境下改變等方面進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試波形如圖11所示。從圖11(a)、圖11(b)看出，無論是輸入電壓變化(315～395V)還是快速改變滑動(dòng)變阻器阻值（691～812Ω），恒流源在“粗-細(xì)”調(diào)節(jié)控制下依然穩(wěn)定輸出電流，調(diào)整管漏源極電壓保持在8V內(nèi)，工作在飽和區(qū)，具有良好的穩(wěn)定性和跟隨性。

6 結(jié)語

圖11 恒流穩(wěn)定性測(cè)試

根據(jù)核工業(yè)對(duì)電磁閥安全穩(wěn)定地運(yùn)行的要求，設(shè)計(jì)了一款基于STM32的DC/DC恒流源。硬件上完成數(shù)字鍵控輸入、可程控精密D/A轉(zhuǎn)換、全橋DC/DC變換器、穩(wěn)流電路等設(shè)計(jì)；軟件上采用恒流“粗-細(xì)”調(diào)節(jié)控制策略，實(shí)現(xiàn)電壓-電流雙閉環(huán)PID算法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。經(jīng)過仿真和實(shí)驗(yàn)表明恒流源實(shí)現(xiàn)對(duì)高感電磁閥驅(qū)動(dòng)電流100mA～300mA連續(xù)可調(diào)、穩(wěn)定輸出，對(duì)于寬輸入電壓、寬負(fù)載變化，系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力和穩(wěn)定性。