伺服閥驅動電路的改進

楊添博,袁慶一,孫 健,韓 明,王月明,王明遠

(中機試驗裝備股份有限公司,吉林 長春 130103)

1 引 言

伺服控制系統是一種能對試驗裝置的機械運動按預定要求進行自動控制的操作系統。在很多情況下,伺服控制系統專指被控制量是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統,其作用是使輸出的機械位移準確地跟蹤輸入的位移。伺服驅動電路應用于伺服控制系統,用來驅動伺服閥,控制系統中的DA芯片輸出電壓信號,通過伺服驅動電路轉換為電流信號,精準地控制伺服閥的運動。圖1所示為MOOG的761伺服閥。

圖1 伺服閥

2 常規伺服閥驅動電路

2.1 電流負反饋電路

電流負反饋電路屬于負反饋運放電路的一種,其主要特點是:

(1)提高增益穩定性。深度負反饋條件下,閉環增益不受外圍元器件參數變化影響或影響較小,從而提高增益穩定性。

(2)減小非線性失真。深度負反饋與開環增益無關,也就與開環傳輸中的非線性變化關系不大,從而減小非線性失真。

(3)抑制噪聲,主要抑制外圍器件噪聲。

(4)擴展帶寬,受頻率變化影響較小。

基本的電流負反饋電路如圖2所示,電壓信號通過負反饋運放電路和限流電阻R3的共同作用,使得負載電阻RL上流過恒定的電流值,實現電壓對電流的控制。

圖2 電流負反饋電路

2.2 伺服閥驅動電路

現有伺服閥驅動電路是通過在電流負反饋電路上增加功率運放的方式實現對伺服閥的驅動,如圖3所示,功率放大器使用的是TI公司的功率放大器驅動芯片,其特點主要有:(1)高輸出電流,最大為475mA;(2)高壓擺率,最大為1700V/μs;(3)高輸入帶寬,最大為120MHz;(4)較寬的供電電壓范圍,最小為±5V,最大為±15V;(5)低噪聲特性,擁有較低的電流和電壓輸出噪聲。結合以上特性,該芯片作為伺服閥驅動功率放大芯片是非常適合的,對于較低或者較高的驅動頻率都能夠很好地適配。

圖3 傳統伺服驅動電路

從圖3可以看出,電流負反饋電路借助功率運放的驅動能力實現電壓信號對輸出電流信號的穩定控制。R4是伺服閥的內阻,控制電流流過R4實現對伺服閥開口大小的控制,R5則是設計用來限制輸出電流的最大值,一般要選用高功率電阻。

3 伺服閥驅動電路的改進

通過圖3可以發現,這種模式下的驅動電流,也就是流過R4的電流值并不能完全通過輸入電壓信號和限制電流最大值的R5計算得出,因為一部分電流要通過反饋電路回流到輸入端,這會導致控制的精準度下降。參考圖上探針4的值,約有0.5mA的電流回流到輸入端,這樣通過最初計算得到的控制電流值就多出來0.5mA,如圖上的探針3顯示。測試發現,回流的電流值與反饋電阻R3的大小也有密切關系,這就進一步導致控制信號與輸出電流之間偏差的變化,即R3越小,偏差越大。

為了使控制精確度更高,就要盡量減小回流,因此得到圖4所示的改進電路,其反饋電路部分使用跟隨器設計,這樣就截斷了回流電流,同時又不影響反饋電路的工作。

圖4 改進后伺服驅動電路

從圖4可以看到,探針1處的電流值和探針3處的電流值基本一致,都是25mA,也就是說流過伺服閥的電流值與流過設計限流電阻的值一致,即輸入電壓信號5V除以限流電阻200Ω等于25mA,這樣通過輸入的電壓信號與輸出電流值就建立起了對應關系,可以完美地控制輸出到伺服閥的電流值。

4 結束語

在現代工業控制領域,伺服控制系統的應用非常重要,此系統能夠通過采集反饋的信號值來實現閉環控制,從而達到精準的控制。對于提高控制的精準度,除了提高采集信號的精準度外,本文通過改進驅動電路的設計方案,使得理論計算值和實際值更加接近,誤差更小,從而達到較理想的控制狀態。