用于磁流變液體阻尼器的可控電流放大器

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)處理芯片為核心開發(fā)出精確可控的電流控制器。但這些研究與開發(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)須斷開開關(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?？煽仉娏鞣糯笃黧w積小、成本極低，不僅可用于磁流變液體，還滿足許多場(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。