柳虎　張倩倩

【關(guān)鍵詞】雙電源；反接卸荷；功率驅(qū)動(dòng)電路；PWM

引言

電液比例閥是液壓領(lǐng)域重要的控制元件，比例控制放大器是電液比例控制元件的重要組成部分[1]，由信號(hào)處理單元、調(diào)節(jié)單元、功率放大單元、反饋單元等組成。其中，功率驅(qū)動(dòng)電路是連接控制器與比例電磁鐵的功率放大接口，比例電磁鐵的動(dòng)作與功率驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流直接相關(guān)，所以功率驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)速度直接影響到比例電磁鐵的性能[2]。常見的比例電磁鐵功率驅(qū)動(dòng)電路主要有模擬式功率驅(qū)動(dòng)電路與開關(guān)式功率驅(qū)動(dòng)電路，模擬式比例控制放大電路具有較優(yōu)的穩(wěn)態(tài)控制性能，但功耗較高、需要做散熱處理。開關(guān)式比例控制放大電路功耗較小，其中以脈寬調(diào)制式（PWM）最為常用。常見的反接卸荷電路如圖1所示[3]。

圖1 常見的反接卸荷式電路

在反接卸荷電路之中，當(dāng)PWM信號(hào)給高電平時(shí)，N型MOS管Q1、P型MOS管Q2導(dǎo)通，電流流經(jīng)Q2、比例電磁鐵、Q1；當(dāng)PWM信號(hào)為低電平時(shí)，Q1、Q2關(guān)閉，由于比例電磁鐵的續(xù)流效應(yīng)，此時(shí)比例電磁鐵反向接在電源上，電流流經(jīng)D2、比例電磁鐵、D1，電流迅速衰減?？纱蠓岣弑壤姶盆F的動(dòng)態(tài)頻寬。

一、 反接卸荷電路分析

設(shè)計(jì)高響應(yīng)速度的逆解卸荷電路以及相應(yīng)的PWM信號(hào)發(fā)生電路

（一）改進(jìn)式卸荷電路

為滿足控制要求需要，本文設(shè)計(jì)改進(jìn)型反接卸荷電路，如圖2所示。改進(jìn)型反接卸荷電路與常見的反接卸荷電路最大的不同就是添加一高速光耦，高速光耦可以隔離控制電路與驅(qū)動(dòng)電路，提高比例驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性。此外，為實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的控制邏輯，特在Q2之前添加N型MOS管Q3，并添加兩個(gè)分壓電阻，這樣當(dāng)PWM信號(hào)輸入高電平時(shí)，光耦輸出為高電平，Q1、Q2 、Q3均導(dǎo)通，比例電磁鐵接+24V電源，當(dāng)PWM信號(hào)輸入低電平時(shí)，Q1、Q2 、Q3均關(guān)閉，比例電磁鐵接-24V電源，實(shí)現(xiàn)反接卸荷功能。

圖2 改進(jìn)型反接卸荷電路

利用Multisim軟件搭建仿真電路，對(duì)改進(jìn)型反接卸荷電路進(jìn)行仿真，利用信號(hào)發(fā)生器作為PWM信號(hào)（占空比50%）的輸入，檢測(cè)比例電磁鐵兩端電壓的變化，得到電壓變化曲線如圖3所示。輸入的PWM信號(hào)頻率為100kHz，在圖3可以看出當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)，比例電磁鐵兩端電壓為24V左右，當(dāng)PWM信號(hào)為低電平時(shí)，比例電磁鐵兩端電壓為-26V左右，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是電路中存在電磁鐵之外的電阻，主要有采樣電阻，三極管的導(dǎo)通電阻和二極管的正向?qū)娮鑋4]。

圖3 改進(jìn)式反接卸荷電路比例電磁鐵兩端電壓曲線

（二）高頻PWM波

PWM信號(hào)是工程中常用的控制信號(hào)，主要應(yīng)用在電機(jī)控制領(lǐng)域、比例電磁鐵控制領(lǐng)域。本文采用TL494芯片來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)。TL494 是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路芯片，它的典型工作頻率為40kHz，最高工作頻率為200kHz，本文中采取100 kHz的振蕩頻率。TL494的頻率由引腳5、6的引腳的電容電阻決定。

二、電流反饋電路分析

（一）反饋電路設(shè)計(jì)

比例電磁鐵的驅(qū)動(dòng)是由輸入電流的大小決定的，為保證比例驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流在可控范圍內(nèi)，故采用電流負(fù)反饋的形式，反饋信號(hào)送至TL494芯片的同相輸入端。電流負(fù)反饋的測(cè)量放大電路是一個(gè)具有濾波作用的差動(dòng)電壓放大電路，可以對(duì)電流采樣進(jìn)行綜合、濾波和放大。電流負(fù)反饋電路如圖4所示。

圖4 電流負(fù)反饋電路簡(jiǎn)圖

（二）電流負(fù)反饋?lái)憫?yīng)分析

通過(guò)調(diào)節(jié)電流反饋放大的電路的放大系數(shù)，使得放大電流在一定范圍內(nèi)可由輸入信號(hào)控制。本文驅(qū)動(dòng)電路中電磁鐵系數(shù)為電阻r=10Ω，電感L=50mH。分別設(shè)置輸入信號(hào)幅值為4V，5V，頻率為100Hz，按照設(shè)定的放大系數(shù)可知此時(shí)的電流應(yīng)分別為0.8A，1A，通過(guò)Multisim仿真，得到驅(qū)動(dòng)電流如圖5所示。由圖5可以看出輸入為4V時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流的響應(yīng)時(shí)間約為2.9ms。輸入為5V時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流的響應(yīng)時(shí)間約為4.2ms。

圖5 驅(qū)動(dòng)電流

對(duì)應(yīng)的TL494誤差放大器輸入信號(hào)比較如圖6所示。由圖6可以看出，電流負(fù)反饋效果較好，能快速追蹤到給定信號(hào)，電流響應(yīng)曲線平滑，毛刺小，達(dá)到期望值后波動(dòng)較小，響應(yīng)效果較好。

三、 雙電源快速響應(yīng)電路

圖6 電流反饋

（一）電源快速切換電路設(shè)計(jì)

為提高反接卸荷驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)速度，本文提出一種雙電源供電策略，即在比例電磁鐵上電階段，施加高壓電源，使得電流快速上升。當(dāng)電流接近期望值時(shí)，切換為低壓電源，以維持電流恒定，因?yàn)楦邏弘娫吹淖饔脮r(shí)間在整個(gè)反接卸荷周期中占比很少，故大部分時(shí)間電路是在低壓電源驅(qū)動(dòng)下工作的。這樣既可以起到快速響應(yīng)的目的，又可以減小器件的發(fā)熱，降低電路的整體功耗。并不會(huì)降低驅(qū)動(dòng)電路的使用壽命。實(shí)現(xiàn)雙電源快速切換電路的原理如圖7所示。圖中輸出電壓點(diǎn)接到圖2改進(jìn)型反接卸荷電路的24V電源處。

圖7 雙電源快速切換電路簡(jiǎn)圖

雙電源切換策略是令電流反饋信號(hào)與輸入信號(hào)作差放大，本文采用放大系數(shù)為1。差值利用電壓比較器與給定比較信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)兩者差值大于給定比較值0.5V時(shí)，電壓比較器輸出高電平，電壓比較器輸出與放大器輸出結(jié)果進(jìn)行與運(yùn)算，如果此時(shí)輸入信號(hào)大于反饋信號(hào)，即電磁鐵處于正向?qū)A段且電流未接近理想電流值時(shí)，放大器輸出為正信號(hào)，與門輸出高電平，Q1、Q2導(dǎo)通，Q3、Q4截止，48V電壓選通，當(dāng)電流反饋信號(hào)與輸入信號(hào)差值小于0.5V或輸入信號(hào)低于反饋信號(hào)時(shí)，即處于電流接近理想電流值或反接卸荷階段時(shí)，與門輸出低電平，Q1、Q2截止，Q3、Q4導(dǎo)通，24V電壓選通，此時(shí)電磁鐵兩端電壓為24V。選擇圖7中Q2與Q4漏極電壓進(jìn)行檢測(cè)，得到電壓波形如圖8所示。

圖8 雙電源切換

從圖8可以看出，所設(shè)計(jì)電路可以按照預(yù)先設(shè)定邏輯實(shí)現(xiàn)48V，24V電源的切換。切換速度極快且切換過(guò)程無(wú)波動(dòng)。圖中Q2點(diǎn)電壓存在由48V電壓逐漸下降的情況，是因?yàn)殡娐分须姼谐潆姷倪^(guò)程以及切換電路中電阻和MOS管等器件分壓所導(dǎo)致。切換至24V之后Q4漏極電壓存在波動(dòng)情況，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是電流在此時(shí)已達(dá)到期望電流值，處于波動(dòng)保持恒定值的狀態(tài)，造成Q4漏極電壓的波動(dòng)。

（二）單雙電源驅(qū)動(dòng)比較分析

比較單電源與雙電源的電流響應(yīng)速度，設(shè)計(jì)兩組仿真，分別是輸入信號(hào)為4V與輸入信號(hào)為5V時(shí)的電流響應(yīng)速度比較。當(dāng)輸入階躍信號(hào)為4V，頻率為100Hz時(shí)，單電源與雙電源電流反饋比較如圖9所示。

圖9 單雙電源反饋比較

圖10 輸入為5V時(shí)單雙電源反饋比較

此時(shí)可以看出采用雙電源工作模式時(shí)，響應(yīng)時(shí)間約為1.1ms，單電源工作時(shí)，響應(yīng)時(shí)間約為2.9ms?？芍p電源切換比單電源工作響應(yīng)速度可提高58.6%。且不僅電流上升過(guò)程加快，電流的反接卸荷過(guò)程也要比單電源的響應(yīng)變快。

當(dāng)輸入信號(hào)為5V，頻率為100Hz時(shí)，單電源與雙電源電流反饋比較如圖10所示。此時(shí)可以看出采用雙電源工作模式時(shí)，響應(yīng)時(shí)間約為1.5ms，單電源工作時(shí)，響應(yīng)時(shí)間約為4.2ms。可知雙電源切換比單電源工作響應(yīng)速度可提高64.3%。

結(jié)論

本文研究了一種雙電源快響應(yīng)的反接卸荷式比例驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)對(duì)電路的仿真分析，驗(yàn)證這個(gè)電路可實(shí)現(xiàn)電流的快速響應(yīng)，且響應(yīng)過(guò)程平滑，波動(dòng)較小。證實(shí)雙電源切換策略可大幅提高驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)速度。輸出電流為0.8A和1A時(shí)，雙電源響應(yīng)比之24V單電源響應(yīng)速度提高分別為58.6%和64.3%。