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
(華東理工大學智能傳感測控研究室,上海 200237)

研制了一種驅動直動式電液閥的單電源伺服放大器,該放大器具有限幅、調零、增益可調功能,同時具有可以實時監控閥芯位置的特點;根據技術指標設計了伺服放大電路,并采用Multisim軟件對電路模型進行了仿真分析;制成印刷電路板,對其性能進行了測試,并與仿真結果作對比。結果表明:研制的放大器輸出電流線性度好,有效幅值可調范圍寬,滿足技術要求。

伺服放大器; 單電源供電; 仿真; 脈寬調制; H橋電路

隨著液壓技術在工業領域的廣泛應用,液壓控制技術也在飛速發展,其中直動型電液閥由于其抗污染能力強、動態響應寬等優良特性,受到工業界的普遍重視。伺服放大器作為驅動電液閥的核心部件,其性能的好壞往往決定著電液閥的動態響應和控制精度,因此其研制具有很強的現實意義和工程使用價值。傳統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[1],這種放大器能耗大,發熱嚴重,需要大體積散熱裝置,可靠性比較低,另外在制作負電源時,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 伺服放大器設計

1.1 概述

伺服放大器是一種功率放大器件,能夠將小功率電壓輸入信號轉化為大功率電流輸出信號,其工作原理如圖1所示。所設計放大器的供電方式有別于傳統設計,采用+16 V單電源供電,對供電要求簡單,選擇+8 V基準電壓,可以將單極信號偏置成“雙極信號”。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和功率放大級組成,前者對電壓放大,后者由脈寬調制(PWM)驅動,是一種開關式功率放大級,優點是功耗很小。另外脈寬調制方式(PWM)信號中已經包含了一定頻率的脈沖分量,所以無需再單獨加入顫振信號電流去減輕伺服閥閥芯的遲滯現象[2]。

圖1 伺服放大器工作原理

1.2 設計技術指標

所設計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、可調范圍廣等特點。具體技術指標如下:

(1) 控制信號為0～±10 V,便于指令元件實現控制,并采用差分方式輸入,且零位可調;

(2) 位移傳感器電路反饋電壓輸入滿足3～13 V,且零位可調;

(3) 可檢測位置傳感器的實際位置;

(4) 功率放大級采用PWM驅動,功放采用H橋驅動芯片;

(5) 輸出電流可達150 mA,增益可調且有限幅保護;

(6) 帶有電流負反饋和速度校正;

(7) 放大器頻寬要高于1 000 Hz,以適應高頻響應;

(8) 輸出電流精度小于1.5%,非線性度小于5%。

1.3 放大器電路設計

根據放大器的工作原理和技術指標設計放大器的電路,為保證電路的可靠性,采用模塊化設計,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

控制信號模塊和位置傳感器反饋信號模塊在電路結構上相似,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,二是識別微小信號能力強,三是無須依賴虛地的穩定性。通過調節電位器R4和R37分別對兩路電路進行零點補償,可以抑制放大器的零漂影響。運放U1C構成二階低通濾波電路,U1D構成一階低通濾波電路,可以濾掉信號中不需要的高頻信號,消除系統的高頻信號干擾。

前置放大模塊對控制信號和位置傳感器反饋信號的綜合偏差進行放大,可以通過調節電位器R40的值改變電路放大增益,以適應后續電路。運放U2D構成電壓跟隨器,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,同時將前置級和功率級隔離開。

反向并聯二極管D4和D5組成一個簡易限幅模塊,能夠將輸入到功放電路的電壓限定在一定范圍內,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動器,其內部結構是H橋結構,4個性能相同的MOS管構成橋式推挽功率放大電路,圖3是其結構示意圖。三角波信號由內置三角波發生器生成,與運放U3B的輸出進行比較后,得到PWM信號為全橋驅動器提供輸入,PWM波的頻率與三角波的頻率相同,由電路原理圖可知,信號的震蕩頻率為f=R62/(4R59R65C9)。當IN1為高電平,IN2為低電平時,電流由OUT1流向OUT2;當IN1為低電平,IN2為高電平時,電流由OUT2流向OUT1。控制U3B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反饋環節,采樣電阻R64對流過負載線圈的電流進行采樣,通過運算放大器U3A進行負反饋,從而穩定輸出電流。電位器R54起調零作用,確保當控制信號和位移信號均為零時,輸出也為零。速度校正模塊采用PD調節,對位置反饋信號超前校正,一方面改善放大器的動態性能,另一方面對系統進行及早修正,以消除系統偏差。

電壓-電流轉換模塊是將位置反饋信號(電壓)轉換成4～20 mA電流輸出,使用標定儀器將LVDT(差動變壓器式壓力傳感器)的位置量與電流值進行匹配,比如12 mA對應LVDT的零位,因此可以通過采集電流值來獲取LVDT實際位置量,應用中可以對位置量進行顯示,便于工作人員實時觀察閥芯的動作。

圖3 H橋結構示意圖

1.4 伺服放大器電路計算

1.4.1 信號輸入的傳遞函數 如圖2,控制信號為U1,位置傳感器反饋信號為U2,由差分電路特點,R1=R10,R5=R8,R20=R30,R22=R27,控制信號電路中U3對于U1的傳遞函數與反饋信號電路中U4對于U2的傳遞函數[5]分別為

(1)

(2)

通過分析兩個傳遞函數,選擇合適的元件參數,改善信號輸入的頻域特性和動態響應。靜態時,兩路電壓信號經放大運算后分別為

(3)

(4)

選擇合適的電阻參數,針對不同型號的LVDT,調節可變電阻R2以保證U4的輸出范圍為3～13 V,以適應后續電路。

1.4.2 檢測電流Iout在圖2的電壓-電流轉換模塊電路中,R11=R12+R19,R16=R28,當電路處于穩態時,由運算放大器的“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成線性關系,針對不同型號的LVDT,選取合適的元件參數,即能使Iout的輸出范圍為4～20 mA。

1.4.3 負載線圈電流有效值IL電路中電阻R31=R35,穩態時控制信號和位置傳感器反饋信號的綜合偏差為

(12)

代入式(3)和式(4),得

(13)

經過前置放大和電壓跟隨運算后,得

(14)

由式(13)、(14)得

(15)

選擇合適的電阻參數,使得UD和U5的輸出范圍均為3～13 V,以適應后續電路。讓采樣電阻R64對輸出電流采樣后經U3A差分運算反饋到運放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負反饋。電路中電阻R57=R69,R58=R68,R60=R63,則U3A輸出為

(16)

根據基爾霍夫電流定律和負反饋特點,有

(17)

(18)

則負載線圈電流

(19)

由式(19)可以看出負載電流IL與負載RL(一定范圍內)無關,且與U1和U2成線性關系,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

根據放大器的電路原理圖,在NI Multisim軟件里建立電路仿真模型,對所設計的電路進行理論上的仿真分析,以便優化參數。4～20 mA檢測電流的掃描分析結果如圖4所示,仿真過程中選定U4的范圍為3～13 V。力矩馬達線圈的參數定為:電阻RL=70 Ω,電感LL=1 H,偏差綜合信號電壓UD在3～13 V范圍內變化時,負載線圈電流的掃描分析結果如圖5所示,由仿真結果可知,所設計的伺服放大器輸出電流表現出很好的線性特性,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時的頻響特性曲線,由仿真曲線可以看出,理論上設計的放大器響應頻帶寬可高達2 000 Hz左右。

圖4 U4與檢測電流Iout掃描仿真結果

圖5 UD與IL掃描仿真結果

2.2 實驗分析

根據電路原理圖生成PCB板,加工制成伺服放大器電路板如圖7所示。

實驗中,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-電流對應的特殊點,并采用Origin8.5軟件對點進行曲線擬合,得到如圖8所示的曲線圖。由圖可知,實驗結果與仿真結果基本吻合。

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系

3 結束語

設計過程中采用Multisim軟件對電路進行輔助設計和仿真,一方面縮短了研制周期,另一方面可以為設計提供理論依據,方便了電路的優化和改進。根據電路圖制成PCB板,并對其進行相關性能測試,測試結果與仿真基本一致。經仿真和實驗雙重驗證,表明單電源伺服放大器輸出電流精度高,線性度好,響應頻帶寬,在性能上完全滿足生產工作要求。

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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

國家自然科學基金(51275170)

徐明天(1992- ),男,安徽人,碩士生,主要研究方向為伺服放大器的研究。

曹 恒,E-mail:hengcao@163.com

TH702

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