潛艇超磁致伸縮作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源特性研究

曾 帆，張科迪，楊曉瑋

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042)

0 引 言

振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)可以有效減弱潛艇動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)向艇體傳遞，提高潛艇的聲隱身性能。因此采用各種主動(dòng)隔振技術(shù)，如主動(dòng)、混合隔振器，甚至主動(dòng)浮筏技術(shù)來提高裝備的聲隱身性能。作動(dòng)器是主動(dòng)隔振的核心部件之一，它的精度和性能直接影響到系統(tǒng)的隔振效果，但是現(xiàn)有的作動(dòng)器幾乎無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。與其他作動(dòng)器相比，超磁致伸縮作動(dòng)器（Giant Magnetostrictive Actuator，GMA）在響應(yīng)速度、承載能力和使用條件等方面具有很大的優(yōu)越性，其應(yīng)用廣泛，探討超磁致伸縮作動(dòng)器在潛艇主動(dòng)隔振系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)于我國(guó)軍事發(fā)展具有重大意義[1]。

超磁致伸縮作動(dòng)器需要驅(qū)動(dòng)電路放大小功率的控制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)其輸出響應(yīng)信號(hào)。超磁致伸縮作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要根據(jù)超磁致伸縮材料的工作機(jī)理來決定。根據(jù)超磁致伸縮材料的驅(qū)動(dòng)特性，其驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有以下特點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電源是一個(gè)在較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的恒流源；驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)流特性要好，穩(wěn)定性要高；驅(qū)動(dòng)電源具有良好的頻響特性；采取一定的措施進(jìn)行超前補(bǔ)償，同時(shí)還具有保護(hù)電路，以抑制開關(guān)電源等電流變化較大場(chǎng)合所產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓對(duì)功率器件的沖擊。

張偉等[2]研制了稀土超磁致伸縮換能器驅(qū)動(dòng)器，該作動(dòng)器由計(jì)算機(jī)PCI 總線FPGA 信號(hào)發(fā)射卡、IGBT 驅(qū)動(dòng)器、IGBT 逆變器及電源組成；浦軍[3]和楊興[4]分別利用電壓跟隨器與場(chǎng)效應(yīng)對(duì)管組成的放大電路組成驅(qū)動(dòng)電路，李國(guó)平等[5]用電壓跟隨器與單級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管組成可調(diào)驅(qū)動(dòng)電路，劉成文等[6]采用三角波與方波比較產(chǎn)生基于脈寬調(diào)制（PWM）波形的驅(qū)動(dòng)電路。由于作動(dòng)器為感性負(fù)載，如何保證驅(qū)動(dòng)電源的線性度成為目前急需解決的難題。

1 驅(qū)動(dòng)電源的工作原理

本文電源是為驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器特定感性負(fù)載而設(shè)計(jì)的一種線性功率放大器。它輸出電流大，適應(yīng)阻抗變化大的負(fù)載。由于負(fù)載需要的是電流，因而采用恒流工作方式，圖1 為作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源的原理框圖。

本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)放大器是標(biāo)準(zhǔn)的三級(jí)直偶功率放大器的結(jié)構(gòu)，采用輸出電流負(fù)反饋。和其他形式的驅(qū)動(dòng)放大器相比較，電路結(jié)構(gòu)具有一系列優(yōu)點(diǎn)：

1）直流特性方面，由于輸入級(jí)是差分電路，可以抑制溫度漂移，使整機(jī)直流工作點(diǎn)更加穩(wěn)定，并可以和信號(hào)源直接耦合，成為純直流放大器。三級(jí)放大結(jié)構(gòu)雖然是直接耦合形式，但每一級(jí)都可以進(jìn)行單獨(dú)的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定，因此調(diào)試方便可靠。

2）交流特性方面，差分輸入電路使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器具有優(yōu)良的共模抑制比和電源抑制比；設(shè)計(jì)成大的開環(huán)增益和深度的負(fù)反饋也使驅(qū)動(dòng)放大器獲得寬的頻率響應(yīng)和優(yōu)秀的線性；主極點(diǎn)補(bǔ)償簡(jiǎn)單可靠，保證放大器的穩(wěn)定性；大環(huán)路負(fù)反饋，輸出端設(shè)置電流取樣電阻，使放大器的增益調(diào)整方便。

具體工作原理如下：輸入端C3，R19是低通濾波器，濾除不必要的噪聲信號(hào)。輸入級(jí)Q1，Q2接成差分電路，Q8，Q9是差分級(jí)的電流鏡負(fù)載，可以提高開環(huán)增益和轉(zhuǎn)換速率；Q10是共射級(jí)放大器，為中間電壓放大級(jí)，為整機(jī)提供電壓增益，Q11是射級(jí)跟隨器緩沖級(jí)，C4是放大器的密勒補(bǔ)償（極點(diǎn)分離）電容；Q4和Q3分別為輸入差分級(jí)和電壓放大級(jí)提供恒流源。前級(jí)放大電路如圖2 所示。

圖2 前級(jí)放大電路Fig.2 Preamplifier circuit

Q6，Q7，Q12，Q13組成兩級(jí)射級(jí)跟隨器結(jié)構(gòu)的輸出級(jí)，具有很大的電流增益，以足夠的輸出電流驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，輸出端D1，D2為保護(hù)二極管，防止電感線圈反向感應(yīng)電壓把輸出功率三極管擊穿。作動(dòng)器線圈等效電路為35 mH，電感串聯(lián)2.88Ω。在作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)頻率40 Hz 上阻抗為8.792 j+2.88Ω，電壓超前電流θ=arctan(8.792/2.88)≈71.8°

R21為輸出電流取樣電阻，阻值為1Ω的無感功率電阻，最大功耗為20 W。后級(jí)輸出級(jí)電路如圖3 所示。

圖3 兩級(jí)射級(jí)跟隨器結(jié)構(gòu)的輸出級(jí)Fig.3 Two-stage emitter follower configuration of the output stage

2 驅(qū)動(dòng)電源特性仿真分析

2.1 穩(wěn)定性仿真分析

由米勒效應(yīng)的原理，主極點(diǎn)產(chǎn)生在中間電壓放大級(jí)的基極處，忽略VAS 級(jí)晶體管的極間電容，由密勒定理得米勒電容為：

其中：CC是主極點(diǎn)補(bǔ)償電容，本電源里為330 pF；Gm是電壓放大級(jí)的跨導(dǎo)；RL是電壓放大級(jí)負(fù)載電阻，而

式中：ICQ是VAS 級(jí)晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)，這里取10 mA，VT=26 mV 為溫度的電壓當(dāng)量，假設(shè)VAS 級(jí)后面電流放大倍數(shù)為10 000，負(fù)載阻抗為9Ω，則RL約為90 kΩ。由以上可求出CM大小，約504 nF。而VAS 級(jí)輸入端阻抗R一般在40 kΩ 左右，代入下式估算主極點(diǎn)頻率的位置：

驅(qū)動(dòng)電源采用主極點(diǎn)補(bǔ)償，可以算出次主極點(diǎn)的位置，并且說明驅(qū)動(dòng)器閉環(huán)后，閉環(huán)增益曲線和開環(huán)增益曲線的交點(diǎn)落在次主極點(diǎn)和主極點(diǎn)之間，所以這個(gè)區(qū)域開環(huán)增益還是以-6 dB/oct 滾降的，驅(qū)動(dòng)器能保證相位穩(wěn)定余量。

由于采用了密勒補(bǔ)償，產(chǎn)生了極點(diǎn)分離，使次主極點(diǎn)推到更高的頻率處，開環(huán)頻率特性的仿真如圖4 所示。

圖4 開環(huán)頻率特性Fig.4 Open-loop frequency characteristic

由仿真可見，整個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器的開環(huán)增益約125 dB，主極點(diǎn)在7 Hz，而在驅(qū)動(dòng)頻率40 Hz 處，由主極點(diǎn)產(chǎn)生的相移（約80°）和電感線圈產(chǎn)生的相移（約72°）疊加也不會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性問題（有足夠的相位裕量），與計(jì)算結(jié)果趨于一致。輸出信號(hào)見仿真圖，如圖5 所示?；疑禽斎腚妷?，黑色是輸出取樣電阻上電壓，1 V對(duì)應(yīng)1 A 電流。波形清晰，無振蕩跡象。

圖5 輸入輸出信號(hào)圖Fig.5 Input and Output signal diagram

2.2 輸出功率晶體管的功耗核算

由于輸出端為感性負(fù)載，電壓和電流產(chǎn)生了相位移動(dòng)，這對(duì)輸出級(jí)功率管造成了額外的壓力，設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)因?yàn)檫^功率而損壞，所以有必要進(jìn)行功率核算。2SC5200[7]和2SA1943[8]的安全工作區(qū)曲線如圖6 和圖7所示。

圖6 2SC5200 的安全工作區(qū)曲線Fig.6 SOA curve of 2SC5200

圖7 2SA1943 的安全工作區(qū)曲線Fig.7 SOA curve of 2SA1943

圖8 為設(shè)定輸出峰值電流為3 A 時(shí)，輸出級(jí)上臂晶體管Q6和下臂晶體管Q13的管耗仿真。可以看出，輸出級(jí)上臂晶體管（灰色標(biāo)示）的動(dòng)態(tài)功耗跟隨驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率周期性地達(dá)到峰值，功率峰值達(dá)到了103.7 W，對(duì)照晶體管的數(shù)據(jù)表，發(fā)現(xiàn)峰值功率沒有超出允許的功率耗散值。而下臂晶體管（黑色標(biāo)示）的動(dòng)態(tài)管耗雖然和上臂管的周期一致，峰值交替出現(xiàn)（乙類放大器的特性），可功率峰值達(dá)到了155.3 W。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)仿真曲線中峰值大于最大連續(xù)功率（150 W）的時(shí)間為1.67 ms，對(duì)照管子的SOA 曲線，是完全滿足要求的。

圖8 上、下臂晶體管動(dòng)態(tài)管耗仿真圖Fig.8 Dynamic power loss simulation of arm transistor

2.3 驅(qū)動(dòng)電源線性度仿真

圖9為驅(qū)動(dòng)電源線性度的仿真曲線，表示輸出的驅(qū)動(dòng)電流隨輸入信號(hào)電壓的變化關(guān)系。橫坐標(biāo)是輸入電壓，范圍?1 000～1 000 mV，縱坐標(biāo)是輸出的驅(qū)動(dòng)電流，范圍?3～3 A，都是線性坐標(biāo)，并且輸出電流范圍滿足驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器線圈的要求?？梢钥闯?，曲線越趨于一次函數(shù)關(guān)系，說明本驅(qū)動(dòng)電源線性度越好。還可以通過曲線的斜率直觀地得出驅(qū)動(dòng)電源的跨導(dǎo)增益，約為3 A/V。當(dāng)輸入電壓信號(hào)為0 時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電流并不為0，這個(gè)是由于輸入差分晶體管特性差異造成的失調(diào)，可以外接調(diào)零電路予以解決。

圖9 線性度仿真曲線Fig.9 Linearize simulation

3 驅(qū)動(dòng)電源測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用的負(fù)載線圈電感量為35 mH，靜態(tài)電阻為2.88Ω。通過實(shí)驗(yàn)得到驅(qū)動(dòng)電源輸入輸出關(guān)系曲線，即“定度曲線”。定度曲線偏離其擬合直線的程度就是非線性度。驅(qū)動(dòng)電源定度曲線如圖10 所示?？芍渚€性度較好，在輸入電流范圍為?3～3 A 連續(xù)作用下，其驅(qū)動(dòng)電源輸出電流與輸入電流保持一定的線性比例。

圖10 作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源實(shí)物圖Fig.10 Physical picture of driving power supply

4 結(jié) 語

以2SC5200 和2SA1943 大功率晶體對(duì)管作為放大器件，采用恒流工作方式設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電源。仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果都表明該驅(qū)動(dòng)電源具有良好的線性特性，能滿足超磁致伸縮作動(dòng)器的要求。