一種疊加獨立顫振的閥用電機雙向驅動器

馬小剛, 許小慶, 張羅濤

(太原理工大學，山西 太原 030024)

一種疊加獨立顫振的閥用電機雙向驅動器

馬小剛, 許小慶, 張羅濤

(太原理工大學，山西 太原 030024)

為了實現閥用動圈式直線電機雙向驅動及驅動過程中的顫振要求，研發了一種運用脈寬調制信號驅動新型動圈式直線電機的比例放大器，提出將脈寬調制信號與顫振信號相互疊加的驅動方案，能夠實現對動圈式直線電機的顫振調節。理論分析與仿真研究表明，所研發的比例放大器性能可靠，能滿足動圈式直線電機驅動要求。

雙向驅動器； 脈寬調制； 顫振； 閥用電機

0 引 言

電液換向器件作為液壓系統不可缺少的元件，需求量大，廣泛應用于自動化領域，一直以來備受國內外研究人員的高度重視。目前，國外已經有許多液壓元件制造廠家生產出規格齊全的系列化產品，比如：MOOG、Rexroth等公司。在國內，尚無規格化產品。目前，國內的換向閥均采用雙比例電磁鐵驅動閥心實現雙自由度運動，如海門VTOZ公司的MA-DHZ0產品，但這種產品體積大、響應速度慢。為解決這一問題采用動圈式電機械轉換器(以下簡稱直線電機)驅動液壓閥。動圈式直線電機具有以下特點[1]：(1)可以實現雙向驅動的功能，運動方向由輸入電流的方向決定；(2)輸出力的大小與輸入電流成比例；(3)線圈阻抗小，動態響應快。

作為直線電機的控制和驅動以及功率放大裝置，所研發的比例放大器對直線電機的性能有至關重要的影響。目前國內對于控制雙向直線電機驅動的研究還不成熟，現有的比例放大器以驅動單向比例電磁鐵為目的。國內學者對脈寬調制信號控制直線電機過程中的顫振進行了分析，但只是寄生顫振，不能獨立調節[2]。本文所研發的比例放大器可實現獨立顫振調節，對研究直線電機雙向驅動器有重大的意義。綜合考慮，比例放大器采用以下設計要求：(1)采用PWM信號控制;(2)具有正反向驅動能力;(3)需疊加頻率可調的顫振信號[3]。

1 設計思路

比例放大器整體設計框架如圖1所示。

圖1 驅動器設計框架

脈寬調制電路采用專用芯片設計，用于產生所需占空比的PWM信號；顫振電路由放大器芯片搭建，產生的顫振信號用于與脈寬信號疊加；邏輯運算電路由邏輯芯片組成一種運算關系，可對疊加信號進行運算處理，產生用于驅動全橋電路的四路PWM脈沖信號，從而控制全橋電路的導通時序。全橋電路以4個N溝道的MOSFET管為基礎搭建而成，與電機相連接，通過控制MOSFET管的關斷可以改變電機的運動方向，PWM占空比的大小可以控制輸入到電機中的電流的大小。

2 主要電路研發

2. 1 PWM單端輸出電路

PWM的產生有數字式與模擬式兩種，本次研發采用模擬式。PWM信號發生電路如圖2所示。

圖2 PWM信號發生電路

SG3525為單片集成，通用型PWM芯片。腳2為芯片同向輸入端，該引腳接外部給定的輸入控制信號。腳1作為反相輸入端，可與誤差比較器的輸出引腳9構成電壓跟隨器。同時誤差比較器的輸出電壓連接內部PWM信號比較器的反向輸入端，與同向輸入端的設定信號進行比較，從而產生相應的脈寬信號送到PWM鎖存器，再通過外部設定的振蕩頻率觸發鎖存器輸出信號。SG3525的振蕩頻率由RT與CT引腳控制，圖2中Rd與CT腳連接形成放電通道， PWM的死區時間與Rd的電阻有關。SG3525鋸齒波信號的頻率計算公式為[4]

式中：CT——CT引腳的外接電容；RT——RT引腳的外接電阻；Rd——引腳DISC的外接電阻。

SG3525芯片由OUTA引腳11與OUTB引腳12作為輸出時，PWM輸出信號的占空比受限，為提高占空比，采用單端輸出。引腳13通過一只電阻與電源接通，并作為脈沖輸出端。引腳11與引腳14共地。

單端PWM信號產生流程如下：芯片內部集成的比較器將誤差信號與設定的鋸齒波信號比較，產生的PWM信號鎖存在內部鎖存器中。分相電路由兩個或非門電路組成，并由時鐘信號觸發器的前沿觸發，產生兩個相位相反的方波信號。這些方波信號與PWM信號共同輸入到或非門。當采用單端輸出時，引腳11與引腳14同時接地，當兩個或非門中無論哪一個導通時，引腳13都會有信號輸出，從而使引腳輸出的脈沖信號的頻率與SG3525內部振蕩器的頻率相同。圖3為PWM單端脈寬調制信號產生過程。

圖3 PWM信號的產生過程

2. 2 顫振信號產生電路

顫振電路用來產生疊加在脈寬調制信號PWM上的三角波信號。該電路能夠周期性地微調PWM占空比的大小，從而調節輸出電流，使負載產生顫振的效果，提高負載的運動性能。

顫振信號發生電路由兩部分組成，如圖4所示。第一部分是由運算放大器搭建的遲滯電路，用來產生穩定的方波信號，第二部分是由運算放大器搭建的積分電路，用來將產生的方波信號轉化成三角波信號。

圖4 顫振信號產生電路

遲滯比較器又可以理解為加正反饋的比較器，放大器的反向輸入端接地，正向輸入端接遲滯比較器與積分電路的輸出作為反饋。由疊加原理可知，遲滯比較器正向端的電勢計算公式如下：

式中：U1+——遲滯比較器的正向端輸入電壓；UO1——遲滯比較器的輸出端電壓；UO——積分電路輸出端電壓。

穩壓管具有穩壓特性，穩壓值設為UZ。初始時，電容未進行充放電，電容端值電壓為0，即UO為0。遲滯比較器的輸出端電壓UO1為穩壓二極管的穩壓值，即：UO1=+UZ。由積分電路計算公式：

式中：C——積分電路的反饋電容；UZ——穩壓二極管的穩壓值。

可知，積分電路的輸出與輸入反向，當輸入為+UZ時，輸出電壓UO將負方向增長，又由疊加原理計算公式可知，U1+將隨之減小。當U1+減小到0時，達到遲滯比較器的跳變值，UO1跳變為-UZ,U1+也將變為負值。當UO1變為-UZ時，UO將隨著時間正向增長，U1+也逐漸增大，當U1+增大到0時，遲滯比較器的輸出端再次發生跳變，UO1由-UZ變為+UZ。如此反復，遲滯比較器產生周期性的方波脈沖信號，積分電路產生周期性的三角波脈沖，如圖5所示。

圖5 信號波形圖

三角波的最大輸出幅度是由遲滯比較器輸出電壓決定的，當UO1變為-UZ時，積分電路的輸出電壓逐漸增長，從而U1+也將增長，當U1+增長到0時，UO1將發生突變，由-UZ變為+UZ。此時三角波處于最大幅值。即當UO達到最大值時，UO1等于-UZ，U1+為0，由式(1)可知：

式中：UOMAX——三角波幅值的最大值。

三角波的輸出頻率可以通過積分電路的充放電時間計算，遲滯比較器的輸出電壓由-UZ變為+UZ的過程為整個周期的一半，電壓的變化范圍為2UOMAX,可得

振蕩周期：

振蕩頻率：

設計要求:

UOMAX≤0.1 V，f=(50～500)Hz

主要參數選擇：

R2=400 kΩ,R3=100 kΩ,

R4=100 Ω,C8=C9=C10=100 nF

2. 3 邏輯運算電路

邏輯運算電路對H橋的控制至關重要。如圖6所示，由反向器芯片、與門邏輯芯片、與非門邏輯芯片及三態緩沖門邏輯芯片組成，用于將一路PWM信號轉換成四路用于控制H橋電路的時序信號；同時對時序脈沖實現互鎖，起到保護電路的作用。

圖6 邏輯信號運算原理圖

IN1=PWM×FX1

IN3=PWM×FX2

2. 4 全橋電路

全橋電路(H橋)如圖7所示，由4個低阻抗、高效率的MOSFET管組成。控制方式采用脈寬調制。運用專門的H橋驅動芯片IR2110對MOSFET管脈沖控制信號進行功率放大[5-6]。當Q1、Q4導通時直線電機正向移動，當Q2、Q3導通時直線電機反向移動。

圖7 全橋電路

3 仿真分析與結果

本次設計過程運用EDA軟件SABER對電路進行仿真分析，得出SG3525芯片的占空比與輸出電流的關系如圖8所示：占空比與輸出電流存在近似的比例關系，通過控制占空比的變化，可以實現驅動電流的控制。

圖8 占空比與輸出電流的關系

為了驗證顫振電路對占空比的影響，對SG3525輸入2.5 V的電壓，給輸入電壓疊加頻率為200 Hz的顫振信號，結果如圖9所示。在一個周期內，輸出PWM信號的占空比將呈現有規律的變化，占空比的波動范圍：0.38

圖9 疊加顫振信號后PWM的仿真波形

本次研發的電路制作出了PCB板，測試選擇項目組所研制的直線電機，線圈的直流電阻R=10 Ω，電感L=10 MH。圖10為電路中通過電機的電流波形。從圖10可以看出，電路能夠產生正向、負向兩個方向的電流波形；電流的波形按顫振電路所設計的規律變化，即顫振電流能夠實現對動圈式直線電機的顫振調節。

圖10 電流正向、負向波形

4 結 語

(1) 所研發比例放大器的輸出電流與輸入信號成比例，可實現雙向輸出驅動。

(2) 在所研發的比例放大器中，利用外接顫振電路與PWM信號產生電路的疊加能夠產生穩定的顫振電流。

[1] 許小慶.新型電液伺服比例閥用電機械轉換器的理論分析和實驗研究[D].太原: 太原理工大學,2010.

[2] 朱玉田,唐興華.脈寬調制中的顫振算法[J].機械工程學報,2009,45(4): 214-218.

[3] 吳根茂,魏建華.新編實用電液比例技術[M].杭州: 浙江大學出版,2006.

[4] 高陽,黃懿赟,王俊傢,等.一種隔離80 kV大功率開關電源的設計[J].電力電子技術,2010,44(4): 31-35.

[5] 伍洲,方彥軍.IR2110在電機驅動器設計中的應用[J].儀表技術與傳感器,2008(11): 88-90.

[6] 高宇,許小慶.動圈式電機械轉換器用雙向控制器的研究和設計[J].微特電機,2015(2): 69-71.

Bidirectional Used in Value Motor by Superimposing Dither with Independent

MA Xiaogang, XU Xiaoqing, ZHANG Luotao

(Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

In order to solve the problem of bidirectional driving of the liner motor for valve moving and the dither during the process, researched and developed an amplifier that driving a new type of dynamic electromechanical transducer by using pulse width modulated signal, put forward a driving scheme that overlay dither signal on a pulse width modulated signal. The solution could solve the hysteresis phenomenon of motor during the movements, improved static and dynamic performance of proportional valve, reduced motion loss. Theoretical analysis and simulation results showed that the proportion amplifier device was reliable and could meet the electromechanical converter moving coil drive requirement.

bidirectional proportional amplifier; pulse width modulated (PWM); dither; value motor

山西省自然基金資助項目(2015011057)

馬小剛(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為動圈式電機用比例放大器。 許小慶(1964—)，男，副教授，碩士生導師，研究方向為閥用動圈式電機械轉換器。

TM 359.1

A

1673-6540(2017)07- 0030- 04

2016 -12 -12