MC34161在電動(dòng)執(zhí)行器中的應(yīng)用

摘要：MC34161／MC33161系列集成電路是一種廉價(jià)的通用電壓監(jiān)測(cè)器，可用于各種電子設(shè)備的電源電壓監(jiān)測(cè)，該器件可通過(guò)模式選擇方式來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)正、負(fù)電壓的過(guò)、欠壓，以及某一正或負(fù)電壓的上、下限電壓，可直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管顯示或蜂嗚器報(bào)警，也可根據(jù)需要接成控制電路。文中介紹由MC34161系列集成電路構(gòu)成的電動(dòng)執(zhí)行器應(yīng)用電路。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)執(zhí)行器；伺服放大器；電動(dòng)操作器；位置發(fā)生器；集成電路

1 MC34161系列電壓檢測(cè)集成電路簡(jiǎn)介
MC34161／MC33161系列集成電路采用8腳雙列直插封裝，外形和引腳如圖1所示，內(nèi)部等效電路如圖2所示。它由兩個(gè)相同的檢測(cè)通道組成，分別由輸入比較器、模式選擇電路、通道比較器、異或門及輸出級(jí)電路組成，同時(shí)，該電路內(nèi)部還提供了一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓源。

1．1 輸入比較器
兩個(gè)輸入比較器的門限電壓相同，其數(shù)值為1．27V±2％，并且都有25mv的滯迥電壓，以防止比較器輸入信號(hào)穿越閥值電壓時(shí)產(chǎn)生振蕩，輸入比較器采用同相輸入，具有較高的輸入阻抗。
1．2 模式選擇電路
該器件設(shè)有模式選擇電路，可通過(guò)模式選擇輸入端接入不同的輸入電壓以達(dá)到不同的功能，不同接法時(shí)的真值表如表1所示。

1．3 基準(zhǔn)電壓源
該器件提供一路輸出電壓為2．54V，電流為2mA的基準(zhǔn)電壓源，可供檢測(cè)負(fù)電壓或模式選擇時(shí)使用?；鶞?zhǔn)電壓源具有內(nèi)部保護(hù)電路，當(dāng)輸出電流超過(guò)2mA時(shí)，保護(hù)電路將使輸出關(guān)斷。
1．4 輸出級(jí)電路
器件的輸出級(jí)為集電極開(kāi)路輸出，使應(yīng)用更加靈活。由于內(nèi)部電路采用了正反饋?zhàn)耘e電路，使該器件在靜態(tài)電流較小的情況下，具有較低的飽合壓降。器件的電氣參數(shù)可參閱文獻(xiàn)。
電動(dòng)執(zhí)行器是電動(dòng)單元組合儀表中的執(zhí)行單元，通常由伺服放大器，電動(dòng)操作器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其中的電路部分包括：伺服放大器電路，電動(dòng)操作器電路，位置發(fā)送器電路等。在上述三種電路中有一個(gè)共同點(diǎn)，就是都用到具有滯迥特性的電壓比較器，因此用MC34161電壓檢測(cè)集成電路對(duì)上述電路進(jìn)行改進(jìn)，在保證原電路功能的前提下，可達(dá)到簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)成本，改善電路性能的效果。

2 MC34161在伺服放大器中的應(yīng)用
伺服放大器是電動(dòng)執(zhí)行器中的重要部件，其主要作用是將來(lái)自調(diào)節(jié)器的電流信號(hào)與位置發(fā)送器的電流信號(hào)進(jìn)行綜合放大，根據(jù)其差值控制交流電子開(kāi)關(guān)的通斷，進(jìn)而控制伺服電機(jī)按要求運(yùn)轉(zhuǎn)。
目前普通型伺服放大器內(nèi)部通常由前置級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)組成。其中前置級(jí)多為隔離放大器(本文以磁放大器為例)；中間級(jí)為交流開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)級(jí)，其實(shí)質(zhì)是電壓比較器；輸出級(jí)為交流電子開(kāi)關(guān)。驅(qū)動(dòng)級(jí)的作用是對(duì)磁放的輸出信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)磁放輸出電壓的絕對(duì)值大于死區(qū)電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)級(jí)會(huì)使某個(gè)交流電子開(kāi)關(guān)的通斷發(fā)生變化，根據(jù)伺放中間級(jí)的功能和作用，用MC34161集成電路構(gòu)成伺放的交流開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)級(jí)，由于其自身具有滯迥特性可使電路更加簡(jiǎn)單，性能更加優(yōu)良。

用MC34161構(gòu)成伺放的中間級(jí)，其實(shí)質(zhì)就是將磁放的輸出電壓作為被監(jiān)測(cè)的電壓信號(hào)，由于MC34161內(nèi)部輸入電壓比較器的門限電壓為1．27V±0．2％，而磁放在輸入信號(hào)之差大于150μA(II)或240μA(III)時(shí)，其輸出電壓為±1V，因此，為使MC34161能對(duì)磁放的輸出電壓進(jìn)行有效檢測(cè)，需將磁放的輸出電壓進(jìn)行遷移，即加一個(gè)偏移電壓使磁放的輸出電壓大于MC34161內(nèi)部的門限電壓，圖3中給出了重新設(shè)計(jì)的伺放原理電路。圖中，前置級(jí)仍然采用磁放大器，I1、I2、I3為輸入信號(hào)，If為位置發(fā)送器信號(hào)。中間級(jí)采用MC34161構(gòu)成驅(qū)動(dòng)級(jí)，輸出級(jí)采用固態(tài)繼電器作為交流電子開(kāi)關(guān)。
在圖3電路中，將MC34161模式選擇端接在大于2．8V的電源上，使通道比較器A3、A4的輸出均為“0”，從而構(gòu)成雙路正電壓過(guò)壓檢測(cè)電路。恒流管2DH及電阻R5用于產(chǎn)生遷移電壓。電阻R1、R2(R1=R2)、R3、R4(R3=R4)將磁放大器的差動(dòng)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)地的單端信號(hào)，以利于檢測(cè)電路的信號(hào)處理。
由伺服放大器的原理可知，當(dāng)磁放大器的輸出端電壓Uab=Ua-Ub=0(或小于死區(qū)電壓)時(shí)，伺服放大器中的電子開(kāi)關(guān)SSR1、SSR2均關(guān)斷，此時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)；當(dāng)Uab>0時(shí)，其中一個(gè)電子開(kāi)關(guān)(例如SSR1)導(dǎo)通，電機(jī)朝著一個(gè)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，而當(dāng)Uab0時(shí)，另一個(gè)電子開(kāi)關(guān)SSR2導(dǎo)通，電機(jī)將朝著另一方向運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)伺服放大器的原理，由圖3可知，當(dāng)磁放的輸出電壓Uab>0時(shí)，應(yīng)有：

式中：Uab為MC34161內(nèi)部輸入電壓比較器的門限電壓，其值為1．27V±0．2％，Up=IhR5為遷移電壓。而此時(shí)：

因此，只要合理選擇電路參數(shù)，就可在Uab>0時(shí)，SSR1導(dǎo)通，SSR2關(guān)斷，電機(jī)正轉(zhuǎn)；同理，當(dāng)Uab0時(shí)，SSR1關(guān)斷，SSR2導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)。
由圖可知，改變R5的阻值可調(diào)節(jié)伺服放大器的靈敏度即“死區(qū)”電壓的大小。電路中，R1=R2=2．2kΩ，R3=R4=10kΩ，2DH選1mA左右的恒流二極管，R5用1．5kΩ的電位器代替，調(diào)節(jié)電位器使Up=1．27V左右即可。

3 D型電動(dòng)操作器中的中途限位電路
電動(dòng)操作器是電動(dòng)單元組合儀表中的輔助單元，通常與電動(dòng)執(zhí)行器配合使用，安裝在控制室內(nèi)，完成對(duì)電動(dòng)執(zhí)行器的手動(dòng)操作及手動(dòng)／自動(dòng)之間的無(wú)擾動(dòng)切換，同時(shí)具有閥位指示和中途限位功能。利用MC34161集成電路對(duì)D型操作器的限位電路進(jìn)行改進(jìn)，可使電路更加簡(jiǎn)單可靠，安裝調(diào)試更加方便，其原理電路如圖4所示。圖中，將MC34161的模式選擇端接在基準(zhǔn)電壓輸出端，使通道比較器A3的輸出為“1”，A4的輸出為“0”，從而構(gòu)成正電壓上、下限電壓檢測(cè)器電路。電流If為位置發(fā)送器的輸出電流，Rf為電流取樣電阻，通過(guò)測(cè)量取樣電阻上的電壓Uf可以判斷電動(dòng)執(zhí)行器輸出軸的位置，據(jù)此，可判斷執(zhí)行器輸出軸是否需要限位。由于通過(guò)取樣電阻的電流是位置發(fā)送器的輸出電流，其阻值不能太大，而為了滿足MC34161對(duì)檢測(cè)電壓的要求，需要在取樣電壓Vf上疊加一個(gè)偏移電壓，使檢測(cè)電壓數(shù)值加大，圖中采用恒流二極管2DH及電位器Rw1、Rw2、電阻R1、R2組成偏移電壓產(chǎn)生電路。

由圖可知，由輸入電壓比較器A2、通道比較器A4、異或門y2及晶體管T2以及外接繼電器J2組成上限限位比較器電路，而由A1、A3、y1、T1以及繼電器J1組成下限限位比較器電路。當(dāng)位置發(fā)送器輸出電流If大于上限設(shè)定值時(shí)，U3>1.27V，使輸入比較器A2的輸出為高電平“1”，于是異或門y2使晶體管T2導(dǎo)通，繼電器J2觸點(diǎn)動(dòng)作，使放大器相對(duì)應(yīng)的電子開(kāi)關(guān)關(guān)斷，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)位置發(fā)送器電流If小于下限設(shè)定值時(shí)，U21．27V，輸入比較器A1輸出低電平“0”，異或門y1使晶體管T1導(dǎo)通，繼電器J1觸點(diǎn)動(dòng)作，使伺服放大器相對(duì)應(yīng)的電子開(kāi)關(guān)關(guān)斷，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
在圖4電路中，選恒流管的恒流值Ih=2mA，Rw1+R1=Rw2+R2，設(shè)電位器Rw1的動(dòng)點(diǎn)對(duì)Uf點(diǎn)的電阻為R1f電位器Rw2的動(dòng)點(diǎn)對(duì)UL點(diǎn)的電阻為R2f。因此由圖可得，上限比較器的輸入電壓為：

以III型儀表為例，If為4～20mA，如果要求執(zhí)行器上限設(shè)定范圍為45°～90°，則對(duì)應(yīng)的電流If為12～20mA，若選Rf=50Ω，則由(3)式可得上限電路參數(shù)R1f=170Ω～570Ω；如果要求執(zhí)行器輸出軸的下限設(shè)定范圍為0°～45°，則對(duì)應(yīng)的電流If為4～12mA，由(4)式可得下限電路參數(shù)R2f=570Ω～970Ω。綜合上述，我們可選R1=R2=560Ω，Rw1=Rw2=620Ω。因此，圖4電路只要合理選擇Rw1、Rw2的阻值就可滿足III型儀表的需要。

4 位置發(fā)送器中的電子限位電路
位置發(fā)送器通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)一起安裝在工作現(xiàn)場(chǎng)，工作環(huán)境惡劣，對(duì)其可靠性要求很高，目前大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的位置發(fā)送器，都具有行程限位功能，有機(jī)械限位及電子限位兩種，電子限位是通過(guò)電子電路間接檢測(cè)并判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)輸出軸的所在位置，然后控制交流電子開(kāi)關(guān)，進(jìn)而達(dá)到控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。由于MC34161的輸入電壓比較器自身具有滯回特性，因此用其改造位置發(fā)送器的電子限位電路能達(dá)到簡(jiǎn)化電路，改善性能的效果。圖5是用MC34161構(gòu)成電子限位電路的II型位置發(fā)送器電路。

圖中，將MC34161模式選擇端(7腳)接參考電壓輸出端(1腳)構(gòu)成正電壓上、下限電壓檢測(cè)電路，從而控制雙向可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，進(jìn)而
達(dá)到控制電機(jī)的目的。運(yùn)放A5及晶體管9013等構(gòu)成II型位置發(fā)送器電路，由晶體管9013的集電極輸出0～10mA直流電流IL作為輸出電流。電位器W1為導(dǎo)電塑料電位器，用以檢測(cè)執(zhí)行器輸出軸的位移，W2用于位置發(fā)送器地零位調(diào)節(jié)。R0為輸出電流取樣電阻，通常，晶體管的β>>1，因此，通過(guò)R0的電流可以認(rèn)為與位置發(fā)送器的輸出電流相等，從而通過(guò)對(duì)R0兩端電壓的監(jiān)測(cè)，可間接判斷執(zhí)行器輸出軸所在的位置。由于電路采用單電源供電，當(dāng)電路輸出電流為零時(shí)，運(yùn)放A5輸出低電平，為使三極管可靠截止，將取樣電阻R0的一端通過(guò)穩(wěn)壓管接地，使三極管的射極電壓Ue提高，同時(shí)也有利于MC34161對(duì)三極管射極電壓Ve的檢測(cè)。
圖中，RW1、R1、A1、A4、T2等組成上限限位電路，RW2、R2、A1、A3、T1等組成下限限位電路。其中，尺W1、R1及RW2、R2分別組成上限和下限分壓網(wǎng)絡(luò)，由圖可知，取樣電壓Ue為：
Ue=ILR0+UZ (5)
式中，R0為取樣電阻，取值為100Ω。UZ為可調(diào)穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，通過(guò)調(diào)節(jié)R9、R10的阻值可使其穩(wěn)壓值改變，我們?nèi)?．5V。
4．1 上限分壓網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的確定
當(dāng)執(zhí)行器輸出軸達(dá)到上限設(shè)定值時(shí)，取樣電壓Ue經(jīng)分壓后應(yīng)大于1．27V，即

式中IL的單位為mA，R0的單位為kΩ。
在圖5電路中，如果中途限位的上限值為5～10mA連續(xù)可調(diào)，對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器輸出軸轉(zhuǎn)角為45°～90°，當(dāng)IL=10mA時(shí)，RW1=0．97R1；當(dāng)IL=5mA時(shí)，RW1=0．57R1。因此，可取R1=10kΩ，RW1取5kΩ電阻與5kΩ電位器串聯(lián)組成。
4．2 下限分壓網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的確定
當(dāng)執(zhí)行器輸出軸達(dá)到下限值時(shí)，取樣電壓Ue經(jīng)分壓后應(yīng)小于1．27V，即

同理，如果中途限位的下限值設(shè)置為0～5mA連續(xù)可調(diào)，對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器輸出軸轉(zhuǎn)角為0°～45°，當(dāng)IL=5mA時(shí)，RW2=0．57R2，IL=0mA時(shí)，RW2=0．18R2。因此，可取R2=10kΩ，RW2取1kΩ電阻與5kΩ電位器串聯(lián)組成。