一種高安全性電流驅動電路研究

楊姍姍 趙建平 喻鳴

摘要：在航空發動機控制系統中，像電磁閥、力矩馬達等這樣的執行機構，需要輸出持續、穩定且可調節的電流驅動。然而，傳統的電流驅動電路僅通過軟件對輸出值進行控制，缺少硬件上的開關保護，很可能導致在軟件復位、初始化等過程中執行機構的誤動作，這在航空發動機控制系統中是十分危險的。因此，設計了一種高安全性電流驅動電路，以實現驅動電路的開關保護。

關鍵詞：電流源電路；高安全性；開關保護

中圖分類號：TN709? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）07-0018-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.07.005

0? ? 引言

隨著航空發動機控制系統朝全電、多電化方向發展，電液伺服控制裝置正逐步取代傳統機械液壓裝置[1-2]，其核心部件伺服閥需要通過電流信號驅動，因此在航空發動機控制系統中，對電流驅動電路的需求十分迫切。

結合系統及執行機構的特點，電流驅動電路應具備以下條件：1）電路結構應簡單，以便集成在電子控制器中；2）電路輸出值應足夠穩定以確保電磁閥十分靈敏[3]；3）電路的輸出值應當可調，以滿足越發復雜的控制率；4）根據機載設備的特點，電路應具有測試性，便于故障定位和維修；5）電路應具有高安全性，以保障航空發動機控制系統的飛行安全。

本文針對上述特點設計了一種持續輸出、穩定可調且高安全性的電流驅動電路。

1? ? 電流驅動電路原理

傳統的電流驅動電路[4-5]如圖1所示，由以下三部分組成：電壓/電流變換電路、電流輸出的BIT檢測電路、電流輸出的開路檢測電路。

1）電壓/電流變換電路由兩片運放形成的反饋電路以及兩個三極管形成的推挽電流電路組成，R4和R5并聯用來匹配外部的負載電阻，流經的電流ICD即為輸出電流。設電阻R4、R5上端電壓為V1，下端電壓為V2，運放N2輸出電壓為VOUT，DA的輸出電壓為VDA，根據放大器的“虛短” “虛斷”特性可得如下關系式：

V1×■=VOUT×■+V2×■

■+■=0

ICD=■

2）電流輸出的BIT檢測電路是將運放N2輸出電壓通過分壓線性縮小到2.5 V之內，并通過一個電壓跟隨器將結果CD_BIT回采至模擬量采集電路，用來做自檢BIT。

3）電流輸出的開路檢測電路將輸出電流端并聯大電阻R14和R15。當外部輸出通路時，開路檢測電路相當于斷路，開路檢測信號CD_OPENBIT無輸出；而當外部輸出斷路時，輸出電流只能流入開路檢測電路，此時開路檢測信號CD_OPENBIT有輸出，實現開路檢測的功能。

2? ? 電路優化方法

2.1? ? 邏輯控制開關

由上文分析可知，傳統的電流驅動電路受DA輸出的電壓值控制，在正常工作情況下，由軟件控制DA輸出，但是在軟件復位、初始化等特殊條件下，DA芯片有概率不受控或被錯誤控制，使電流驅動電路仍在輸出電流，被控執行機構如電磁閥等將會誤動，極大地威脅飛行安全，因此需要考慮在電路中設置開關，確保該電路在可靠穩定的情況下輸出，提高電路的安全性。采用圖2所示的邏輯控制電路實現對電流驅動電路的開關保護。

當邏輯開關為高（5 V）時，場管V4截止，電流驅動電路上輸出的信號不受邏輯控制電路的影響，此時電流輸出電路按上述工作原理正常工作；當邏輯開關為低（0 V）時，場管V4導通，電流驅動電路上輸出的信號被拉低，此時電流驅動電路無法正常工作，輸出電流幾乎為0。

2.2? ? 開關型電流驅動電路

將邏輯控制電路與電流驅動電路組合成開關型電流驅動電路，如圖3所示（省去開路檢測和BIT檢測部分）。

理論上R2左側電壓被拉低至0 V，通過后方電流驅動電路后，輸出的電流為0。實際上，三極管V4的VCE之間有壓降，且E端接地，因此，R2左側（即三極管C端）仍有電壓值，該電壓進入電流驅動電路后，電路仍有微弱電流輸出。該開關型電流驅動電路達不到邏輯開關關閉時無電流輸出的效果。

2.3? ? 改進的開關型電流驅動電路

為確保當邏輯控制電路為“關”時進入電流驅動電路的電壓值為0，采用圖4所示改進的開關型電流驅動電路。改進思路為在DA輸出和電流驅動電路之間增加一級運放，利用運放的輸出特性，確保輸出至電流驅動電路的電壓值為0；同時將邏輯控制電路最后一級的三極管更換為場管，減小管內的壓降。

三極管更換為場管，V4的UDS值更小，理論上更接近為0，這樣R2左端電壓更接近0，則輸出電流值更小。但是實際上UDS不可能為0，因此可在N3正端通過分壓得到一個與V4的UDS值相當的電壓值（可略小，這樣最終輸出的電流為負值，也可以讓執行機構不工作），這樣通過運放的輸出特性可以使進入電流驅動電路的輸入為0，即后端輸出的電流值為0。

為使關斷效果更好，應使運放輸出電壓盡可能地小，即使R23/R24的比值盡可能地小，也可以進一步調整R25/R26的比值，不過會影響邏輯開關開啟時輸出的精度。

3? ? 電路仿真與試驗驗證

3.1? ? 電路仿真結果

基于Multisim平臺[3]，搭建上述2.2節、2.3節的電路，仿真的電流結果見圖5、圖6標注。

由仿真結果可以看出，開關型電流驅動電路可以實現當邏輯控制為“關”時，DA輸出不影響電流驅動，輸出電流很小。而對比之下，改進的開關型電流驅動電路在“關”狀態下，輸出電流更小，幾乎為0，具有更高的安全性。

3.2? ? 電路試驗驗證

按照改進的開關型電流驅動電路搭建測試電路進行試驗驗證，部分電阻之間的關系如下：

R9=R11，R4=R5，R23=R27=R2=R16=R8=R10，代入第1節的公式可得：

I=■

其中負載電阻阻值并不影響采樣精度，但若負載電阻過大，在三極管驅動能力飽和后將無法輸出較大的電流值，因此采用外接負載電阻50 Ω。試驗驗證通過設定不同的DA輸出電壓值對負載電阻上的電流進行檢測，數據如表1所示。

由表1測試結果可以看出，本文提出的開關型電流驅動電路具有輸出穩定、可調和安全性高的特點。

4? ? 結束語

本文提出的改進開關型電流驅動電路具有輸出值可精確調節的特點，同時引入邏輯控制功能，能準確控制電流輸出。在航空發動機控制系統等需要高安全性的系統中，該電路可以在軟件復位或初始化過程中，通過邏輯控制保證此時無電流輸出，執行機構不會誤動作，提高了在特殊情況下整個系統的安全性。該電路具有廣泛的應用空間，已在某型發動機電子控制器中得到應用驗證。

[參考文獻]

[1] 楊恒輝，趙小勇，王浩.航空發動機燃油力矩馬達控制電路設計[J].測控技術，2016，35（6）：79-81.

[2] 吳吉麟，張金，金林山，等.航空發動機作動筒的伺服控制建模與分析[J].航空發動機，2019，45（2）：23-28.

[3] 余飛，馮宇剛，顧長恂.控制與保護開關電器用4～20 mA標準電流輸出電路[J].電器與能效管理技術，2014（19）：19-23.

[4] 趙振宇，汪曉明，馮浩.一種±300 mA范圍輸出可調節電流型驅動電路[J].電子測試，2018（8）：40-41.

[5] 王曉勇，樊迪.一種高精度雙極性電流輸出電路設計[J].信息通信，2019（2）：107-108.

收稿日期：2023-12-07

作者簡介：楊姍姍（1990—），女，陜西人，工程師，研究方向：機載嵌入式設計。