徐明天, 曹 恒, 江金林, 朱 鈞(華東理工大學(xué)智能傳感測控研究室,上海 200237)

單電源液壓伺服放大器的研制

徐明天, 曹 恒, 江金林, 朱 鈞
(華東理工大學(xué)智能傳感測控研究室,上海 200237)

研制了一種驅(qū)動(dòng)直動(dòng)式電液閥的單電源伺服放大器,該放大器具有限幅、調(diào)零、增益可調(diào)功能,同時(shí)具有可以實(shí)時(shí)監(jiān)控閥芯位置的特點(diǎn);根據(jù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)了伺服放大電路,并采用Multisim軟件對(duì)電路模型進(jìn)行了仿真分析;制成印刷電路板,對(duì)其性能進(jìn)行了測試,并與仿真結(jié)果作對(duì)比。結(jié)果表明:研制的放大器輸出電流線性度好,有效幅值可調(diào)范圍寬,滿足技術(shù)要求。

伺服放大器; 單電源供電; 仿真; 脈寬調(diào)制; H橋電路

隨著液壓技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,液壓控制技術(shù)也在飛速發(fā)展,其中直動(dòng)型電液閥由于其抗污染能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)寬等優(yōu)良特性,受到工業(yè)界的普遍重視。伺服放大器作為驅(qū)動(dòng)電液閥的核心部件,其性能的好壞往往決定著電液閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制精度,因此其研制具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和工程使用價(jià)值。傳統(tǒng)的伺服放大器大部分是采用雙電源供電和模擬式功率放大級(jí)[1],這種放大器能耗大,發(fā)熱嚴(yán)重,需要大體積散熱裝置,可靠性比較低,另外在制作負(fù)電源時(shí),需要使用變壓器或帶鐵芯的電感、大電容等。綜合以上因素,研究一種能夠單電源供電且功耗低的伺服放大器很有必要。

1 伺服放大器設(shè)計(jì)

1.1 概述

伺服放大器是一種功率放大器件,能夠?qū)⑿」β孰妷狠斎胄盘?hào)轉(zhuǎn)化為大功率電流輸出信號(hào),其工作原理如圖1所示。所設(shè)計(jì)放大器的供電方式有別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì),采用+16 V單電源供電,對(duì)供電要求簡單,選擇+8 V基準(zhǔn)電壓,可以將單極信號(hào)偏置成“雙極信號(hào)”。由伺服放大器的原理框圖可知,放大器主體部分由前置放大級(jí)和功率放大級(jí)組成,前者對(duì)電壓放大,后者由脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng),是一種開關(guān)式功率放大級(jí),優(yōu)點(diǎn)是功耗很小。另外脈寬調(diào)制方式(PWM)信號(hào)中已經(jīng)包含了一定頻率的脈沖分量,所以無需再單獨(dú)加入顫振信號(hào)電流去減輕伺服閥閥芯的遲滯現(xiàn)象[2]。

圖1 伺服放大器工作原理

1.2 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

所設(shè)計(jì)的放大器要具有良好的性能,滿足輸出電流精度高、線性度好、可調(diào)范圍廣等特點(diǎn)。具體技術(shù)指標(biāo)如下:

(1) 控制信號(hào)為0～±10 V,便于指令元件實(shí)現(xiàn)控制,并采用差分方式輸入,且零位可調(diào);

(2) 位移傳感器電路反饋電壓輸入滿足3～13 V,且零位可調(diào);

(3) 可檢測位置傳感器的實(shí)際位置;

(4) 功率放大級(jí)采用PWM驅(qū)動(dòng),功放采用H橋驅(qū)動(dòng)芯片;

(5) 輸出電流可達(dá)150 mA,增益可調(diào)且有限幅保護(hù);

(6) 帶有電流負(fù)反饋和速度校正;

(7) 放大器頻寬要高于1 000 Hz,以適應(yīng)高頻響應(yīng);

(8) 輸出電流精度小于1.5%,非線性度小于5%。

1.3 放大器電路設(shè)計(jì)

根據(jù)放大器的工作原理和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)放大器的電路,為保證電路的可靠性,采用模塊化設(shè)計(jì),盡量采用集成度高的芯片,圖2所示為電路原理圖。

圖2 伺服放大器電路原理

控制信號(hào)模塊和位置傳感器反饋信號(hào)模塊在電路結(jié)構(gòu)上相似,均采用差分輸入方式,這種輸入方式有3種好處:一是可以有效地免疫外部電磁干擾,二是識(shí)別微小信號(hào)能力強(qiáng),三是無須依賴虛地的穩(wěn)定性。通過調(diào)節(jié)電位器R4和R37分別對(duì)兩路電路進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償,可以抑制放大器的零漂影響。運(yùn)放U1C構(gòu)成二階低通濾波電路,U1D構(gòu)成一階低通濾波電路,可以濾掉信號(hào)中不需要的高頻信號(hào),消除系統(tǒng)的高頻信號(hào)干擾。

前置放大模塊對(duì)控制信號(hào)和位置傳感器反饋信號(hào)的綜合偏差進(jìn)行放大,可以通過調(diào)節(jié)電位器R40的值改變電路放大增益,以適應(yīng)后續(xù)電路。運(yùn)放U2D構(gòu)成電壓跟隨器,利用其高輸入阻抗、低輸出阻抗特性,能夠保證輸入到功率放大電路的電壓近似為恒壓源,同時(shí)將前置級(jí)和功率級(jí)隔離開。

反向并聯(lián)二極管D4和D5組成一個(gè)簡易限幅模塊,能夠?qū)⑤斎氲焦Ψ烹娐返碾妷合薅ㄔ谝欢ǚ秶鷥?nèi),防止過大的尖峰電壓損壞元器件。

功率放大模塊是伺服放大器的核心,該模塊的核心元件是全橋驅(qū)動(dòng)器,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是H橋結(jié)構(gòu),4個(gè)性能相同的MOS管構(gòu)成橋式推挽功率放大電路,圖3是其結(jié)構(gòu)示意圖。三角波信號(hào)由內(nèi)置三角波發(fā)生器生成,與運(yùn)放U3B的輸出進(jìn)行比較后,得到PWM信號(hào)為全橋驅(qū)動(dòng)器提供輸入,PWM波的頻率與三角波的頻率相同,由電路原理圖可知,信號(hào)的震蕩頻率為f=R62/(4R59R65C9)。當(dāng)IN1為高電平,IN2為低電平時(shí),電流由OUT1流向OUT2;當(dāng)IN1為低電平,IN2為高電平時(shí),電流由OUT2流向OUT1?？刂芔3B的輸出大小去改變PWM波的占空比,得到不同有效值的電流輸出。在功率放大電路中引入了電流負(fù)反饋環(huán)節(jié),采樣電阻R64對(duì)流過負(fù)載線圈的電流進(jìn)行采樣,通過運(yùn)算放大器U3A進(jìn)行負(fù)反饋,從而穩(wěn)定輸出電流。電位器R54起調(diào)零作用,確保當(dāng)控制信號(hào)和位移信號(hào)均為零時(shí),輸出也為零。速度校正模塊采用PD調(diào)節(jié),對(duì)位置反饋信號(hào)超前校正,一方面改善放大器的動(dòng)態(tài)性能,另一方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行及早修正,以消除系統(tǒng)偏差。

電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊是將位置反饋信號(hào)(電壓)轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流輸出,使用標(biāo)定儀器將LVDT(差動(dòng)變壓器式壓力傳感器)的位置量與電流值進(jìn)行匹配,比如12 mA對(duì)應(yīng)LVDT的零位,因此可以通過采集電流值來獲取LVDT實(shí)際位置量,應(yīng)用中可以對(duì)位置量進(jìn)行顯示,便于工作人員實(shí)時(shí)觀察閥芯的動(dòng)作。

圖3 H橋結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 伺服放大器電路計(jì)算

1.4.1 信號(hào)輸入的傳遞函數(shù) 如圖2,控制信號(hào)為U1,位置傳感器反饋信號(hào)為U2,由差分電路特點(diǎn),R1=R10,R5=R8,R20=R30,R22=R27,控制信號(hào)電路中U3對(duì)于U1的傳遞函數(shù)與反饋信號(hào)電路中U4對(duì)于U2的傳遞函數(shù)[5]分別為

(1)

(2)

通過分析兩個(gè)傳遞函數(shù),選擇合適的元件參數(shù),改善信號(hào)輸入的頻域特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。靜態(tài)時(shí),兩路電壓信號(hào)經(jīng)放大運(yùn)算后分別為

(3)

(4)

選擇合適的電阻參數(shù),針對(duì)不同型號(hào)的LVDT,調(diào)節(jié)可變電阻R2以保證U4的輸出范圍為3～13 V,以適應(yīng)后續(xù)電路。

1.4.2 檢測電流Iout在圖2的電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊電路中,R11=R12+R19,R16=R28,當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí),由運(yùn)算放大器的“虛短”和“虛斷”原理[3]及基爾霍夫電流定律[4],有

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

解得

(11)

由式(11)可知Iout與U4成線性關(guān)系,針對(duì)不同型號(hào)的LVDT,選取合適的元件參數(shù),即能使Iout的輸出范圍為4～20 mA。

1.4.3 負(fù)載線圈電流有效值IL電路中電阻R31=R35,穩(wěn)態(tài)時(shí)控制信號(hào)和位置傳感器反饋信號(hào)的綜合偏差為

(12)

代入式(3)和式(4),得

(13)

經(jīng)過前置放大和電壓跟隨運(yùn)算后,得

(14)

由式(13)、(14)得

(15)

選擇合適的電阻參數(shù),使得UD和U5的輸出范圍均為3～13 V,以適應(yīng)后續(xù)電路。讓采樣電阻R64對(duì)輸出電流采樣后經(jīng)U3A差分運(yùn)算反饋到運(yùn)放U3B的反相輸入端,由于反饋電壓是由電流提供的,因此反饋形式為電流并聯(lián)負(fù)反饋。電路中電阻R57=R69,R58=R68,R60=R63,則U3A輸出為

(16)

根據(jù)基爾霍夫電流定律和負(fù)反饋特點(diǎn),有

(17)

(18)

則負(fù)載線圈電流

(19)

由式(19)可以看出負(fù)載電流IL與負(fù)載RL(一定范圍內(nèi))無關(guān),且與U1和U2成線性關(guān)系,改變電位器R40的值即可改變電流的峰值。

2 伺服放大器性能分析

2.1 軟件仿真分析

根據(jù)放大器的電路原理圖,在NI Multisim軟件里建立電路仿真模型,對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行理論上的仿真分析,以便優(yōu)化參數(shù)。4～20 mA檢測電流的掃描分析結(jié)果如圖4所示,仿真過程中選定U4的范圍為3～13 V。力矩馬達(dá)線圈的參數(shù)定為:電阻RL=70 Ω,電感LL=1 H,偏差綜合信號(hào)電壓UD在3～13 V范圍內(nèi)變化時(shí),負(fù)載線圈電流的掃描分析結(jié)果如圖5所示,由仿真結(jié)果可知,所設(shè)計(jì)的伺服放大器輸出電流表現(xiàn)出很好的線性特性,而且輸出幅值高。圖6(a)和圖6(b)分別為伺服放大器在輸出為±160 mA時(shí)的頻響特性曲線,由仿真曲線可以看出,理論上設(shè)計(jì)的放大器響應(yīng)頻帶寬可高達(dá)2 000 Hz左右。

圖4 U4與檢測電流Iout掃描仿真結(jié)果

圖5 UD與IL掃描仿真結(jié)果

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)電路原理圖生成PCB板,加工制成伺服放大器電路板如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)中,給放大器提供0～±10 V之間的電壓,在伺服閥和放大器輸出端之間接入電流表,通過特殊值法找出一系列電壓-電流對(duì)應(yīng)的特殊點(diǎn),并采用Origin8.5軟件對(duì)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合,得到如圖8所示的曲線圖。由圖可知,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

圖6 頻響特性曲線

圖7 伺服放大器電路板

圖8 伺服放大器輸入電壓與輸出電流的關(guān)系

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)過程中采用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和仿真,一方面縮短了研制周期,另一方面可以為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù),方便了電路的優(yōu)化和改進(jìn)。根據(jù)電路圖制成PCB板,并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性能測試,測試結(jié)果與仿真基本一致。經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)雙重驗(yàn)證,表明單電源伺服放大器輸出電流精度高,線性度好,響應(yīng)頻帶寬,在性能上完全滿足生產(chǎn)工作要求。

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Development of Hydraulic Servo Amplifier with Single Supply

XU Ming-tian,CAO Heng,JIANG Jin-lin,ZHU Jun

(Intelligent Sensor Measurement and Control Laboratory,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

In order to develop a single-supply servo amplifier driving electro-hydraulic valve,which can limit the amplitude of input voltage and output current,set zero,adjust gain,and monitor the position of valve core in real time,the amplifier circuit is designed according to technical indicators.Then the circuit model is simulated by using Multisim.PCB is manufactured and tested.Compared with the simulation results,it can be found that the developed servo amplifier meets the technical requirements,and its output current performs good linearity and wide adjustable range.

servo amplifier; single power supply; simulation; PWM; H-bridge circuit

1006-3080(2017)02-0292-05

10.14135/j.cnki.1006-3080.2017.02.022

2016-06-01

國家自然科學(xué)基金(51275170)

徐明天(1992- ),男,安徽人,碩士生,主要研究方向?yàn)樗欧糯笃鞯难芯俊?/p>

曹 恒,E-mail:hengcao@163.com

TH702

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