曾 帆，張科迪，楊曉瑋

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042)

0 引 言

振動主動控制技術(shù)可以有效減弱潛艇動力機械振動向艇體傳遞，提高潛艇的聲隱身性能。因此采用各種主動隔振技術(shù)，如主動、混合隔振器，甚至主動浮筏技術(shù)來提高裝備的聲隱身性能。作動器是主動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)有的作動器幾乎無法達到設(shè)計要求。與其他作動器相比，超磁致伸縮作動器（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器在潛艇主動隔振系統(tǒng)中的應(yīng)用，對于我國軍事發(fā)展具有重大意義[1]。

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

張偉等[2]研制了稀土超磁致伸縮換能器驅(qū)動器，該作動器由計算機PCI 總線FPGA 信號發(fā)射卡、IGBT 驅(qū)動器、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效應(yīng)對管組成的放大電路組成驅(qū)動電路，李國平等[5]用電壓跟隨器與單級場效應(yīng)管組成可調(diào)驅(qū)動電路，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)動電路。由于作動器為感性負載，如何保證驅(qū)動電源的線性度成為目前急需解決的難題。

1 驅(qū)動電源的工作原理

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

本設(shè)計中的驅(qū)動放大器是標準的三級直偶功率放大器的結(jié)構(gòu)，采用輸出電流負反饋。和其他形式的驅(qū)動放大器相比較，電路結(jié)構(gòu)具有一系列優(yōu)點：

1）直流特性方面，由于輸入級是差分電路，可以抑制溫度漂移，使整機直流工作點更加穩(wěn)定，并可以和信號源直接耦合，成為純直流放大器。三級放大結(jié)構(gòu)雖然是直接耦合形式，但每一級都可以進行單獨的靜態(tài)工作點設(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驅(qū)動放大器具有優(yōu)良的共模抑制比和電源抑制比；設(shè)計成大的開環(huán)增益和深度的負反饋也使驅(qū)動放大器獲得寬的頻率響應(yīng)和優(yōu)秀的線性；主極點補償簡單可靠，保證放大器的穩(wěn)定性；大環(huán)路負反饋，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。輸入級Q1，Q2接成差分電路，Q8，Q9是差分級的電流鏡負載，可以提高開環(huán)增益和轉(zhuǎn)換速率；Q10是共射級放大器，為中間電壓放大級，為整機提供電壓增益，Q11是射級跟隨器緩沖級，C4是放大器的密勒補償（極點分離）電容；Q4和Q3分別為輸入差分級和電壓放大級提供恒流源。前級放大電路如圖2 所示。

圖2 前級放大電路Fig.2 Preamplifier circuit

Q6，Q7，Q12，Q13組成兩級射級跟隨器結(jié)構(gòu)的輸出級，具有很大的電流增益，以足夠的輸出電流驅(qū)動作動器線圈產(chǎn)生交變磁場，輸出端D1，D2為保護二極管，防止電感線圈反向感應(yīng)電壓把輸出功率三極管擊穿。作動器線圈等效電路為35 mH，電感串聯(lián)2.88Ω。在作動器驅(qū)動頻率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。后級輸出級電路如圖3 所示。

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

2 驅(qū)動電源特性仿真分析

2.1 穩(wěn)定性仿真分析

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

其中：CC是主極點補償電容，本電源里為330 pF；Gm是電壓放大級的跨導(dǎo)；RL是電壓放大級負載電阻，而

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

驅(qū)動電源采用主極點補償，可以算出次主極點的位置，并且說明驅(qū)動器閉環(huán)后，閉環(huán)增益曲線和開環(huán)增益曲線的交點落在次主極點和主極點之間，所以這個區(qū)域開環(huán)增益還是以-6 dB/oct 滾降的，驅(qū)動器能保證相位穩(wěn)定余量。

由于采用了密勒補償，產(chǎn)生了極點分離，使次主極點推到更高的頻率處，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，整個驅(qū)動放大器的開環(huán)增益約125 dB，主極點在7 Hz，而在驅(qū)動頻率40 Hz 處，由主極點產(chǎn)生的相移（約80°）和電感線圈產(chǎn)生的相移（約72°）疊加也不會導(dǎo)致穩(wěn)定性問題（有足夠的相位裕量），與計算結(jié)果趨于一致。輸出信號見仿真圖，如圖5 所示。灰色是輸入電壓，黑色是輸出取樣電阻上電壓，1 V對應(yīng)1 A 電流。波形清晰，無振蕩跡象。

圖5 輸入輸出信號圖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載，電壓和電流產(chǎn)生了相位移動，這對輸出級功率管造成了額外的壓力，設(shè)計不當(dāng)會因為過功率而損壞，所以有必要進行功率核算。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，輸出級上臂晶體管Q6和下臂晶體管Q13的管耗仿真?？梢钥闯觯敵黾壣媳劬w管（灰色標示）的動態(tài)功耗跟隨驅(qū)動信號的頻率周期性地達到峰值，功率峰值達到了103.7 W，對照晶體管的數(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（黑色標示）的動態(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）的時間為1.67 ms，對照管子的SOA 曲線，是完全滿足要求的。

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

2.3 驅(qū)動電源線性度仿真

圖9為驅(qū)動電源線性度的仿真曲線，表示輸出的驅(qū)動電流隨輸入信號電壓的變化關(guān)系。橫坐標是輸入電壓，范圍?1 000～1 000 mV，縱坐標是輸出的驅(qū)動電流，范圍?3～3 A，都是線性坐標，并且輸出電流范圍滿足驅(qū)動作動器線圈的要求。可以看出，曲線越趨于一次函數(shù)關(guān)系，說明本驅(qū)動電源線性度越好。還可以通過曲線的斜率直觀地得出驅(qū)動電源的跨導(dǎo)增益，約為3 A/V。當(dāng)輸入電壓信號為0 時，輸出驅(qū)動電流并不為0，這個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)動電源測試實驗

實驗采用的負載線圈電感量為35 mH，靜態(tài)電阻為2.88Ω。通過實驗得到驅(qū)動電源輸入輸出關(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)動電源輸出電流與輸入電流保持一定的線性比例。

圖10 作動器驅(qū)動電源實物圖Fig.10 Physical picture of driving power supply

4 結(jié) 語

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