比例放大器驱动电路特性分析及控制器设计

作者:徐兵;苏琦;张军辉;陆振宇; 刊名:浙江大学学报(工学版) 上传者:孙毅

【摘要】由于"反接卸荷"式驱动电路电流的非线性特性,当采用传统比例积分控制器进行电磁铁电流闭环控制时存在零位滞后现象,为了解决这一问题,建立"反接卸荷"式驱动电路的非线性数学模型.通过实验验证了该模型的有效性,分析非线性对电流控制器的设计影响.基于分析结论,提出新型的电流控制器设计方案.该方案的主要特征是通过采用死区跨越和抗饱和控制思路,使控制器快速跨越驱动电路的非线性区域.试验结果表明,该控制器能够有效地消除零位滞后现象.

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比例放大器是电液比例阀的核心控制元件,而在比例放大器中,驱动电路是连接电流控制器与比例电磁铁等电-机械转换器的功率放大接口,输入-输出特性直接决定了比例电磁铁驱动电流控制器的设计,进而影响比例电磁铁的比例控制性能[1-2].常见的比例电磁铁驱动电路主要有两种结构类型:单管驱动式和“反接卸荷”式.“反接卸荷”式具有更快的电流衰减速度,越来越多的设计方案采用这种驱动电路结构[3-6].对于驱动电路的建模分析,在以往的比例阀建模研究中,通常将驱动电路等效为理想的比例环节,即输入指令(占空比)与电磁铁电流/电压成比例关系[7-9].实际上,比例电磁铁的驱动电路往往采用PWM(脉宽调制)驱动方式,电磁铁两端的电压不是恒定值,输入-输出特性与驱动电路形式相关.近年来,有些学者考虑了PWM驱动电路在建模分析中的重要性,一般将驱动电路等效为幅值放大的方波输入输出模型[10].对于单管驱动方式,输出电压波形不存在反向电压,在高频PWM驱动方式下,电磁铁两端的电压近似与占空比成正比,采用该方法具有良好的适用性.对于“反接卸荷”式驱动电路,存在反向“卸荷”过程引起的反向电压,驱动电路的输出电压波形与电磁铁电流相耦合,而且存在占空比“偏移”和电压波形失真等多种非线性现象.驱动电路的特性影响着电流控制器的设计,目前最常用的方法是比例-积分(PI)控制器及其变种[11-12].该方法对于单管驱动式驱动电路具有良好的控制效果,但对于“反接卸荷”式驱动电路,由于固有的输入占空比-稳态电流的非线性特征,采用该方法会引起零位附近电流跟随偏差.本文介绍一种适用于数字式控制器的“反接卸荷”式驱动电路设计方案,并建立该驱动电路的输入-输出数学模型.通过建模分析非线性现象产生的原因及主要影响因素.基于该非线性特性分析,设计改进了电流控制器,通过对比试验验证了该设计方法的有效性.1非线性驱动电路的建模传统“反接卸荷”式驱动电路的主回路拓扑原理如图1所示.基本原理是在输入PWM的控制下,两个三极管同时动作,当输入PWM信号为高电平时,两个三极管同时打开,电磁铁两端的电压为供电电压;当输入PWM信号为低电平时,两个三极管同时关闭,由于电磁铁的电感续流效应,电磁铁两端的电压反接至电源电压,加速了线圈的电流衰减速度.为了满足数字式控制器设计的需要,设计改进型“反接卸荷”式驱动电路,如图2所示.与传统的“反接卸荷”式驱动电路相比,增加了光耦用于隔离数字量输入与模拟驱动级,提高控制器的抗干扰性能;增加分压电阻R1和R2(R1=R2),实现开关管MOSFET-P和MOSFET-N的同步启闭;增加电流采样电阻R0,用于采集电磁铁电流.为了分析该驱动电路的输入输出特性,需要建立驱动电路的数学模型,并基于该模型对比例驱动电路的输入-输出特性进行分析.为了简化分析流程,对比例电磁铁进行如下简化,简化后的驱动电路及充电和卸荷过程如图3所示.1)考虑到分析驱动电路的稳态输入输出特性,忽略电磁铁的非线性电感,将比例电磁铁等效为定值电阻R和电感L的串联模型.图1传统“反接卸荷”式驱动电路示意图Fig.1Schematicoftraditionalinversedischargingdrivecircuit图2改进型“反接卸荷”式驱动电路示意图Fig.2Schematicofimprovedinversedischargingdrivecircuit图3简化驱动电路模型及其充电和卸荷过程Fig.3Simplifieddrivemodelandtwoworkingproces-sesofthedrivecircuit2)假设

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