《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 模擬設(shè)計(jì) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 用于磁流變液體阻尼器的可控電流放大器
用于磁流變液體阻尼器的可控電流放大器
摘要: 磁流變液體(MagnetoRheologicalFluids)是一種新型相變材料。它是一種由高磁導(dǎo)率,、低磁滯性的微小(微米甚至納米級(jí))軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁體液體混合而成的磁性粒懸浮液[1],。
Abstract:
Key words :

0 引 言

磁流變液體(Magneto Rheological Fluids)是一種新型相變材料。它是一種由高磁導(dǎo)率,、低磁滯性的微小(微米甚至納米級(jí))軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁體液體混合而成的磁性粒懸浮液[1],。當(dāng)無(wú)磁場(chǎng)時(shí),懸浮的微粒鐵顆粒自由地隨液體運(yùn)動(dòng),;當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí),,這些懸浮的微粒鐵顆粒被互相吸引,形成一串串鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)從磁場(chǎng)一極到另一極,,此時(shí)磁流變液體就在毫秒級(jí)的瞬間由牛頓流體變成塑性體或有一定屈服剪應(yīng)力的粘彈性體。當(dāng)改變磁場(chǎng)線圈中的電流從而獲得不同強(qiáng)度的磁場(chǎng),,磁流變液的屈服剪應(yīng)力也發(fā)生變化,,即在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下,抗剪切力很大,,呈現(xiàn)出高粘度,、低流動(dòng)性的液體特性;在零磁場(chǎng)條件下呈現(xiàn)出低粘度的特性,。其剪切屈服強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度(或電流大小)具有穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。正是磁流變液的這種流變可控性使其能夠?qū)崿F(xiàn)阻尼力的連續(xù)可變,從而達(dá)到對(duì)振動(dòng)的主動(dòng)控制目的,。

磁流變液體屬于國(guó)際研究前沿技術(shù),,在車(chē)輛、機(jī)械,、航空航天,、艦船、建筑等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,。磁流變液體技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用到振動(dòng)的主動(dòng)控制和扭矩傳遞場(chǎng)合,,像沖擊吸收器、防振動(dòng)變阻尼器,、凱迪拉克汽車(chē)的懸掛系統(tǒng),、大型建筑工程的抗震隔離裝置、離合器、柔性?shī)A具,、光學(xué)器件拋光等,,甚至在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,人工義肢也采用磁流變液體技術(shù)[1-3],。LORD公司已經(jīng)研制出了適用于Rheonetic系列磁流變器件的電流控制器RD-3002,。它可以工作在手動(dòng)調(diào)節(jié)和外加電壓控制調(diào)節(jié)兩種方式下,能與計(jì)算機(jī)或PLC構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),。RD-3002需要外加12 V/2 A的電源,,輸出電流為0~2 A,價(jià)格較貴[4],。文獻(xiàn)[5]采用摩托羅拉公司MC68HC908GP32 MCU為核心設(shè)計(jì)了用于磁流變阻尼器的電流控制系統(tǒng),。文獻(xiàn)[6]用美國(guó)TEXAS儀器公司推出的16位定點(diǎn)通用數(shù)字信號(hào)處理芯片為核心開(kāi)發(fā)出精確可控的電流控制器。但這些研究與開(kāi)發(fā)較為復(fù)雜,,不能脫離計(jì)算機(jī)工作而且成本較高,。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試磁流變液體阻尼裝置時(shí)尤為不便。

本文提出一種簡(jiǎn)便緊奏的可控PWM(脈寬調(diào)制)閉環(huán)電流放大器,,具有精度高,、線性度好、效率高,、調(diào)試方便和成本低等特點(diǎn),,不僅可用于磁流變液體阻尼裝置,也可用于任何電磁線圈電路,、加熱器或照明電路,。

1 DRV系列PwM驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

電磁線圈的電流控制方法通常有電壓控制和電流控制兩種。電壓控制法是調(diào)節(jié)線圈的端電壓來(lái)控制通過(guò)電磁線圈的電流,;電流控制法是在全額電壓下改變電磁線圈的電流大小,。由于負(fù)載變化,例如線圈電阻由于溫度而變化,,僅調(diào)控電壓會(huì)帶來(lái)電流誤差,。磁場(chǎng)強(qiáng)度正比于電流大小,而且阻尼缸要求反應(yīng)很快,。假定一個(gè)負(fù)載電阻是5 Ω,,某時(shí)刻該負(fù)載需要1 A電流,對(duì)于電壓控制型放大器,,此時(shí)需要負(fù)載電壓控制為5 V,。對(duì)于電流控制型放大器,此時(shí)負(fù)載電壓可能是12 V或更高,,在一個(gè)信號(hào)脈沖輸入的一瞬間,,負(fù)載電流將超出1 A,,然后回復(fù)到1 A。電流上升波形如圖1所示,。同樣的線圈電流下,,電流控制型放大器的電流上升時(shí)間明顯小于電壓控制型放大器的上升時(shí)間。這是由于全額電壓下,,電流型放大器能更快通過(guò)線圈,,而且電流型放大器容易實(shí)現(xiàn)電流補(bǔ)償。撤消信號(hào)脈沖后,,兩種類(lèi)型的放大器波形基本重合,,這是由于線圈放電成指數(shù)衰減的緣故。

 

傳統(tǒng)的線性輸出電源為電子系統(tǒng)提供了持續(xù)的電壓,;不過(guò),,這種供電方式工作在半導(dǎo)體器件線性區(qū),將會(huì)造成大最的電能損耗,。在采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上寸,,其效果基本相同。SPWM(正弦PWM)法就是以該結(jié)論為理論牲礎(chǔ),,用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而與正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷,,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)電路輸出電壓的頻率和幅值或調(diào)節(jié)電路輸出電流,。PWM采用數(shù)字輸出方式驅(qū)動(dòng)模擬電路,,以獲得最高的能源傳輸效率并節(jié)省功率并具有更高可靠性,可調(diào)控的PWM能夠更精密地控制負(fù)載電流,。

美國(guó)TExAs儀器公司專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)繼電器,、電磁線圈,、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),、加熱器及照明優(yōu)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)了PWM集成芯片系列,DRV103是其中之一,,其尺寸為5 mm×6 mm,可調(diào)延時(shí)時(shí)間,、可調(diào)振蕩頻率、可調(diào)占空比及價(jià)格低,,使它廣泛適用于各種場(chǎng)合,。DRV103有開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)和連續(xù)驅(qū)動(dòng)兩種工作方式。DRV103能夠設(shè)置為原始封閉模式,,在這個(gè)模式下,,能夠自動(dòng)地切換到省電方式。圖2顯示DRV103的簡(jiǎn)略框圖及引腳,。

 

腳1連接到一個(gè)比較器和一個(gè)電流源(=2.75ref而Iref=1.3V/Rfreq),。腳1可通過(guò)一個(gè)電阻RPWM接地,,或連接一個(gè)模擬電壓來(lái)調(diào)整占空比。這個(gè)模擬電壓范圍在1.3 V~3.9 V之間,。當(dāng)PWM頻率設(shè)置在25 kHz,,RPWM被取為75 kΩ時(shí),占空比為10%,;RPWM被取為200 kΩ時(shí),,占空比為90%。若川模擬電壓或D/A轉(zhuǎn)換器時(shí),,模擬電壓或D/A轉(zhuǎn)換器必須能夠提供灌電流能力(=2.75,,Iref而Iref=1.3 V/Rfreq)。

腳2是設(shè)置上電后DRV103從DC(100%占空比)轉(zhuǎn)到PWM模式的初始時(shí)間,,即延時(shí)調(diào)節(jié),。它在內(nèi)部連接到一個(gè)3μA的電流源和一個(gè)2.6 V閾值的比較器。當(dāng)腳2上電壓低于2.6 V時(shí),,DRV103是100%占 空比輸出_,。當(dāng)此腳懸空時(shí),延時(shí)時(shí)間為18μs,。這是由內(nèi)部奇生電容引起的,。若有需要更少時(shí)間,它可以連接到+5 V,,延時(shí)時(shí)問(wèn)可減少到1μs當(dāng)腳2接上10μF電容時(shí),,延時(shí)時(shí)間可到11 s。PWM頻率是通過(guò)腳3的接地電阻值}殳定,。DRV103內(nèi)部振蕩器的頻率范圍在500 Hz~100 kHz,。但是在500 Hz下,外接電阻值將達(dá)到lO MΩ,。腳2將成為高阻抗輸入節(jié)點(diǎn),,會(huì)對(duì)電噪信號(hào)非常敏感。當(dāng)PWM頻率是10 kHz,、2 5 kHz和5 0 kHz時(shí)外接電阻值分別為523 kΩ,、205 kΩ和1100 kΩ。

DRV103通過(guò)一個(gè)功率DMOS管輸出3 A驅(qū)動(dòng)電流(腳5),,足夠驅(qū)動(dòng)中小型電磁線圈,。其導(dǎo)通電阻為0.5 Q,確保低功耗,。最高上升速率限制的柵極驅(qū)動(dòng)能夠減少RFI/EFI輻射噪聲,。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載時(shí),DRV103內(nèi)部的鉗位二極符ESD不能取代外部放電二極管,。腳7是故障指示輸出,。當(dāng)過(guò)電流或過(guò)熱時(shí),,提供一個(gè)灌電流通道來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極僻,最大灌電流限制在10 mA之內(nèi),。腳8是TTL電平兼容的輸入端口,,高于1.7 V時(shí),DRV103提供PWM輸出,;低于1.7 V時(shí),,DRV103無(wú)PWM輸出。腳8不能"接連接到電源上,,否則會(huì)損壞DRV103,。腳6是電源,其范圍是+8 v~+32 V,,它必須大于負(fù)載供電電壓 ,。

DRV103電特性參數(shù)(典型值)如下:

輸出電流(腳5)1.5 A,SO-8封裝(U),;

輸出電流(腳5)3 A,,功率PADTM封裝(H);

最大電流限制(腳5)3.5 A,,超過(guò)此值,,歸零;

導(dǎo)通電阻0.4 Ω,;

輸出時(shí)飽和電壓+0.4 V,,I0=1 A;

數(shù)字控制輸入(腳8)+2.2 V~+5.5 V(TTL電平),,高電平使能,;

恒定DC輸出對(duì)PWM延時(shí)(腳2)110 ms,取決于外部電容,;

占宅比調(diào)節(jié)(腳1)10%~90%,;

占空比精度±2%,25 kHz,、50%占空比,;

非線性l%FSR,;

動(dòng)態(tài)響應(yīng):輸出電壓上升時(shí)間0.2μs,,輸出電壓下降時(shí)間0.2μs,振蕩頻率范圍0.5 kHz~100 kHz,,Rosc=205 kΩ,,f=25 kHz;

工作溫度-55℃~+125℃,;

溫度保護(hù)+160℃,,+140℃時(shí)恢復(fù),;

故障輸出(腳7)5 V,20 kΩ上拉到+5 V,;

故障輸出灌電流2 mA,;

電源供給范圍(腳6)+8 V~+32 V。

注:輸出電流被DRV103功率耗散所限,。當(dāng)達(dá)到輸出電流上限,,輸出電流將被置為0。恒定DC輸出對(duì)PWM延時(shí)=1.1 Cn×106(CD單位為F),。功率PADTMSO-8(H)封裝在散熱片下長(zhǎng)期最大工作電流為2 A,。

圖3展示了PWM控制電壓與占空比的關(guān)系。

 

2 磁流變液體可控電流放大器

利用DRV103開(kāi)發(fā)出的磁流變液體可控電流放大器電路如圖4所示,。

 

可控電流放大器由PWM控制DRV103,、負(fù)載電流反饋環(huán)節(jié)、占空比電壓信號(hào)線性變換3部分組成,。由于在磁流變液體研究中需要大電流進(jìn)行多種性能實(shí)驗(yàn),,特地在DRV103輸出增加一級(jí)電流驅(qū)動(dòng),使之最大驅(qū)動(dòng)電流能夠達(dá)到40 A,。這級(jí)驅(qū)動(dòng)采用International Rectifier公司生產(chǎn)的HEXFET功率MOSFET管IRF5210,,其最大工作電流為40 A,反向電壓為100 V,,導(dǎo)通電阻為0.06 Ω,。若需要更大的輸出電流,可采用IRF4905,,其最大工作電流為74 A,,反向電壓為55 V,導(dǎo)通電阻為0.02 Ω,??焖倩謴?fù)外延二級(jí)管DSE120為電磁線圈放電提供快速通道,保護(hù)MOSFET管IRF5210,。PWM振蕩頻率可調(diào),,當(dāng)該電阻Rref調(diào)到205 kΩ時(shí),振蕩頻率設(shè)置在25 kHz,,該電阻Rref調(diào)到100 kΩ時(shí),,振蕩頻率設(shè)置在50 kHz。但是,,若振蕩頻率設(shè)置在50 kHz,,占空比調(diào)節(jié)將會(huì)發(fā)生變化,不再是圖3所示曲線,。上電后系統(tǒng)自動(dòng)地工作(自動(dòng)使能),,無(wú)須另加控制信號(hào),。

當(dāng)溫度變化引起負(fù)載電阻值改變會(huì)帶來(lái)電流不穩(wěn)定,進(jìn)而影響磁流變液體阻尼效果,。磁流變液體可控電流放大器可設(shè)計(jì)成電流反饋控制型,,如圖5所示。即在負(fù)載上串聯(lián)一個(gè)采樣電阻Rsense,取出電流信號(hào),,輸入一個(gè)負(fù)反饋放大器A1,,取出電壓V1:



經(jīng)過(guò)誤差比較放大器A2,當(dāng)R4=R5=R6時(shí),,有誤差輸出電壓V2:



經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算,,其輸出V3為:



 

在一個(gè)確定不變的D/A輸入信號(hào)下,若負(fù)載電流由于溫度而變大,,則Vsense變大,,根據(jù)式(3),V3將變小,,占空比減小,,導(dǎo)致輸出電流減小從而抵消負(fù)載電流的增大,維持負(fù)載電流穩(wěn)定,。若考慮到當(dāng)大電流時(shí),,采樣電阻功耗太大,發(fā)熱嚴(yán)重,,可取消電流反饋回路,。

考慮到許多新的D/A轉(zhuǎn)換器不具有灌電流能力,而且D/A的輸出通常是0 V~+10 V,,若直接將D/A接入腳1,,將會(huì)出現(xiàn)大的死區(qū),除非在軟件編程上做分隔,。為了方便使用,,需要對(duì)占空比輸入控制電壓作一線性變換。根據(jù)圖3,,設(shè)PWM調(diào)節(jié)方程為:



D/A轉(zhuǎn)換器輸出方程為:



考慮同樣的輸出效果,,y1=y2,則可求出兩個(gè)輸入之間的關(guān)系:



式中:a2/a1是在新坐標(biāo)系中的縮小和旋轉(zhuǎn)因子,;(b2-b1)/a1是在新坐標(biāo)系中的平移因子,。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)線性變換,采用高速單電源四運(yùn)放LF324N(A4)作為電壓輸入信號(hào)變換適配器,。根據(jù)下式適當(dāng)選擇外圍電阻參數(shù)[7]:



當(dāng)D/A輸出為OV時(shí),,運(yùn)算放大器A4輸出為1.3 V,;當(dāng)D/A輸出為10 V時(shí),,A4輸出為3.9 V,,正好在占空比調(diào)節(jié)范圍。100 pF電容是為了改善大電流在快速開(kāi)關(guān)時(shí)的波形而并接在占空比調(diào)節(jié)電阻上,。200 kn電位器可以手動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出,,無(wú)需連接計(jì)算機(jī)或D/A,手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)須斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K,。

采用本電流放大器驅(qū)動(dòng)電磁鐵OP2025(其內(nèi)阻為3.5 Ω),,GM04高斯表用來(lái)測(cè)量電磁鐵OP2025的磁場(chǎng)強(qiáng)度,D/A輸出電壓與輸出電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系測(cè)量結(jié)果如圖6所示,其線性同歸誤差為±1%,,當(dāng)D/A輸出為10 V時(shí),,占空比為1 00%,功率場(chǎng)效應(yīng)管全開(kāi)通,,電源電壓加在負(fù)載上,,顯示出良好控制效果。

 


圖7給出不同電流(磁場(chǎng))強(qiáng)度下用粘度儀測(cè)量自制磁流變液體的機(jī)械特性,。當(dāng)在3.6 A電流下,,磁流變液體的粘度比無(wú)電流時(shí)增加至少2個(gè)數(shù)量級(jí)。

 

3 結(jié)束語(yǔ)

磁流變液體可控電流放大器能夠線性地改變磁場(chǎng)強(qiáng)度,,實(shí)現(xiàn)變阻尼工作,。該可控電流放大器由高度集成的。PWM芯片構(gòu)成,。在全額電壓下,,電磁線圈能夠快速響應(yīng)電流變化,即變阻尼缸能迅速提供不同阻尼,。這個(gè)特性應(yīng)用在高速運(yùn)動(dòng)的對(duì)象時(shí)尤為重要,。可控電流放大器體積小,、成本極低,,不僅可用于磁流變液體,還滿(mǎn)足許多場(chǎng)合的特殊要求,。整個(gè)系統(tǒng)能脫離計(jì)算機(jī)而獨(dú)自工作,,各種參數(shù)方便設(shè)置及可調(diào)。采用電流閉環(huán)補(bǔ)償溫度漂移,,系統(tǒng)能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作,,控制效果好。實(shí)驗(yàn)曲線及結(jié)果給出D/A控制電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系,,顯示出很好的控制效果,。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。