基于壓控電流源的磁粉離合器控制電路設計與實現

2022-12-12 09:39:02曾鋒，左強

通信電源技術 2022年15期

曾鋒，左強

（1.北京青云航空儀表有限公司，北京 101300；2.空軍裝備部駐北京地區第五軍事代表室，北京 101300）

0 引言

磁粉離合器的打滑力矩與流過的電流成正比，其在航空的油門執行機構中通常用于力矩打滑，是油門類產品中一種重要的裝置。由于磁粉離合器打滑力矩具有離散的特點，因此需要針對每個離合器分別進行電流調節。傳統的磁粉離合器電流調節是通過手動調節電路中電位計的方式來實現，調節時存在精度不高、時間較長等問題，而且每個離合器只能搭配對應調節好的電路進行使用，產品維護時互換性較差。本文提出了一種基于壓控電流源的磁粉離合器控制電路，控制電路能夠通過更改軟件參數的方式實現磁粉離合器電流調節，調節時間較短，后期維護也十分方便。

1 傳統磁粉離合器方案

傳統磁粉離合器的控制電路如圖1所示。

圖1 傳統離合器控制電路

根據電路推導出電流Iout的公式為

式中：Uout為Q1發射極的輸出電壓；Uce為Q1的集電極和發射極電壓差；?U為穩壓電路兩端固定電壓差；Ube為Q1基極和發射極的電壓差，工作時恒為0.7 V；R1為固定的限流電阻阻值，目的是防止電流過大；Rp為電位計的阻值。電路工作時，Q1處于飽和輸出狀態，Uce為定值，Iout隨Rp的變化而變化[1]。

這種控制電路的優點是調節方式簡單，適用于離合器力矩指標不太精確的情況。與此同時，該電路缺點也很明顯，其電流通過手動調節電位計Rp值的方式來實現，前期調節完成后再使用就需要拆卸產品手動對電位計進行調節，維護十分不便。

2 壓控電流源方案

2.1 基本型壓控電流源方案

為了解決傳統電路需要手動調節和后期維護不方便的問題，采用壓控電流源的控制電路設計方式，通過軟件程序實現電流調節。常見的基本型壓控電流源電路如圖2所示[2]。

圖2 基本壓控電流源電路

處理器控制數模轉換器（Digital to Analog Converter，DAC）輸出電壓，通過改變DA輸出電壓，控制后端壓控電路的電流輸出。后端壓控電流源電路主要由1個運算放大器（以下簡稱運放）、1個PNP三極管以及電阻構成，該電路電流輸出公式為

式中：UDD為供電電源；Uin為DAC輸出電壓；RS為電流源的敏感電阻。

理論上，基本型壓控電流源電路能通過調節Uin來調節輸出電流I'out，實現了電流的軟件可調。但是在實際應用中，UDD電壓是直接采用機上供電的直流電源，該電源電壓值在18～32 V波動，并不是一個穩定值。根據式（2），輸出電流I'out會受到UDD的波動而變化，無法達到電流穩定輸出的目的，從而影響磁粉離合器的打滑力矩。

2.2 改進的壓控電流源方案

本文設計了1種改進的電流源電路，克服了基本型壓控電流源電路電流輸出受電源波動影響的問題。本電路采用2級壓控電流源電路的設計方式，在基本型壓控電流源上增加了少量元器件，實現了電流源的電流輸出穩定和輸出電流值的軟件可調[3,4]。改進的壓控電流源電路原理如圖3所示。

圖3 改進的壓控電流源電路

圖 3中，R1、N1、RS1、M1（N溝道 MOSFET晶體管）構成了第一級電流源，RS2、N2、RS3、M2（P溝道MOSFET晶體管）構成了第二級電流源。第一級電流源中，Uin為電壓輸入端，由處理器控制數模轉換器輸出，電壓通過電阻R1連接到運放N1的正端，即U1+=Uin。根據電流源原理，N1負端的電壓為

流過RS1的電流為

由于流過RS2的電流與流過RS1的電流一致，并且根據電流源工作原理可知運放N2的負端電壓與正端電壓相等，因此運放N2的輸入端電壓為

根據電路原理，流過RS3的電流為

將式（3）、式（4）、式（5）分別帶入式（6），計算得到

由式（7）可知，輸出電流I''out與輸入電壓成正比，且電流輸出大小與電源電壓無直接關系，不受電源電壓波動的影響。

3 仿真分析

建立電路仿真模型，通過Multisim軟件進行功能仿真分析。磁粉離合器在電路中等效于一個理想電感L1和一個電阻RL串聯，模型如圖4所示。

圖4 改進的電流源仿真模型

根據磁粉離合器的實際負載參數，設置純感性負載L1=330 mH、直流阻抗RL=107 Ω。根據實際應用情況，設置電流源電路的RS1=3.3 kΩ、RS2=4.7 kΩ、RS3=47 Ω。Q1采用小型N溝道MOSFET晶體管2N7002，Q2采用大功率P溝道MOSFET晶體管IRF5210，運放采用通用型運算放大器LM158。根據式（7），可以得到I''out為

通過仿真調整Uin值，可以得到不同的電流輸出值仿真結果。在某型號的磁粉離合器控制電路上采用該設計，數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）通過串行外設接口(Serial Peripheral Interface，SPI）控制DAC的輸出電壓Uin，從而控制電流源電路的輸出電流，在電路中串聯電流表對電流進行測試[5,6]。通過更改DSP軟件參數，在常溫下選取了9個點對輸出電流值進行測試驗證，仿真結果如表1和圖5所示。