引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)朝全電、多電化方向發(fā)展,電液伺服控制裝置正逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械液壓裝置[1-2],其核心部件伺服閥需要通過(guò)電流信號(hào)驅(qū)動(dòng),因此在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中,對(duì)電流驅(qū)動(dòng)電路的需求十分迫切。

結(jié)合系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),電流驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具備以下條件:1)電路結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單,以便集成在電子控制器中;2)電路輸出值應(yīng)足夠穩(wěn)定以確保電磁閥十分靈敏[3];3)電路的輸出值應(yīng)當(dāng)可調(diào),以滿足越發(fā)復(fù)雜的控制率;4)根據(jù)機(jī)載設(shè)備的特點(diǎn),電路應(yīng)具有測(cè)試性,便于故障定位和維修;5)電路應(yīng)具有高安全性,以保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的飛行安全。

本文針對(duì)上述特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種持續(xù)輸出、穩(wěn)定可調(diào)且高安全性的電流驅(qū)動(dòng)電路。

1電流驅(qū)動(dòng)電路原理

傳統(tǒng)的電流驅(qū)動(dòng)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(cè)電路、電流輸出的開(kāi)路檢測(cè)電路。

電壓/電流變換電路由兩片運(yùn)放形成的反饋電路以及兩個(gè)三極管形成的推挽電流電路組成,R4和R5并聯(lián)用來(lái)匹配外部的負(fù)載電阻,流經(jīng)的電流ICD即為輸出電流。設(shè)電阻R4、R5上端電壓為V1,下端電壓為V2,運(yùn)放N2輸出電壓為VOUT,DA的輸出電壓為VDA,根據(jù)放大器的“虛短”“虛斷”特性可得如下關(guān)系式:

2)電流輸出的BIT檢測(cè)電路是將運(yùn)放N2輸出電壓通過(guò)分壓線性縮小到2.5 V之內(nèi),并通過(guò)一個(gè)電壓跟隨器將結(jié)果CD—BIT回采至模擬量采集電路,用來(lái)做自檢BIT。

3)電流輸出的開(kāi)路檢測(cè)電路將輸出電流端并聯(lián)大電阻R14和R15。當(dāng)外部輸出通路時(shí),開(kāi)路檢測(cè)電路相當(dāng)于斷路,開(kāi)路檢測(cè)信號(hào)CD—0PENBIT無(wú)輸出;而當(dāng)外部輸出斷路時(shí),輸出電流只能流入開(kāi)路檢測(cè)電路,此時(shí)開(kāi)路檢測(cè)信號(hào)CD—0PENBIT有輸出,實(shí)現(xiàn)開(kāi)路檢測(cè)的功能。

2電路優(yōu)化方法

2.1邏輯控制開(kāi)關(guān)

由上文分析可知,傳統(tǒng)的電流驅(qū)動(dòng)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(fù)位、初始化等特殊條件下,DA芯片有概率不受控或被錯(cuò)誤控制,使電流驅(qū)動(dòng)電路仍在輸出電流,被控執(zhí)行機(jī)構(gòu)如電磁閥等將會(huì)誤動(dòng),極大地威脅飛行安全,因此需要考慮在電路中設(shè)置開(kāi)關(guān),確保該電路在可靠穩(wěn)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(shí)現(xiàn)對(duì)電流驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)保護(hù)。

當(dāng)邏輯開(kāi)關(guān)為高(5 V)時(shí),場(chǎng)管V4截止,電流驅(qū)動(dòng)電路上輸出的信號(hào)不受邏輯控制電路的影響,此時(shí)電流輸出電路按上述工作原理正常工作;當(dāng)邏輯開(kāi)關(guān)為低(0 V)時(shí),場(chǎng)管V4導(dǎo)通,電流驅(qū)動(dòng)電路上輸出的信號(hào)被拉低,此時(shí)電流驅(qū)動(dòng)電路無(wú)法正常工作,輸出電流幾乎為0。

2.2開(kāi)關(guān)型電流驅(qū)動(dòng)電路

將邏輯控制電路與電流驅(qū)動(dòng)電路組合成開(kāi)關(guān)型電流驅(qū)動(dòng)電路,如圖3所示(省去開(kāi)路檢測(cè)和BIT檢測(cè)部分)。

理論上R2左側(cè)電壓被拉低至0 V,通過(guò)后方電流驅(qū)動(dòng)電路后,輸出的電流為0。實(shí)際上,三極管V4的VCE之間有壓降,且E端接地,因此,R2左側(cè)(即三極管C端)仍有電壓值,該電壓進(jìn)入電流驅(qū)動(dòng)電路后,電路仍有微弱電流輸出。該開(kāi)關(guān)型電流驅(qū)動(dòng)電路達(dá)不到邏輯開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)無(wú)電流輸出的效果。

2.3改進(jìn)的開(kāi)關(guān)型電流驅(qū)動(dòng)電路

為確保當(dāng)邏輯控制電路為“關(guān)”時(shí)進(jìn)入電流驅(qū)動(dòng)電路的電壓值為0,采用圖4所示改進(jìn)的開(kāi)關(guān)型電流驅(qū)動(dòng)電路。改進(jìn)思路為在DA輸出和電流驅(qū)動(dòng)電路之間增加一級(jí)運(yùn)放,利用運(yùn)放的輸出特性,確保輸出至電流驅(qū)動(dòng)電路的電壓值為0;同時(shí)將邏輯控制電路最后一級(jí)的三極管更換為場(chǎng)管,減小管內(nèi)的壓降。

三極管更換為場(chǎng)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(shí)際上UDS不可能為0,因此可在N3正端通過(guò)分壓得到一個(gè)與V4的UDS值相當(dāng)?shù)碾妷褐?可略小,這樣最終輸出的電流為負(fù)值,也可以讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)不工作),這樣通過(guò)運(yùn)放的輸出特性可以使進(jìn)入電流驅(qū)動(dòng)電路的輸入為0,即后端輸出的電流值為0。

為使關(guān)斷效果更好,應(yīng)使運(yùn)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(jìn)一步調(diào)整R25/R26的比值,不過(guò)會(huì)影響邏輯開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)輸出的精度。

3電路仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1電路仿真結(jié)果

基于Multisim平臺(tái)[3],搭建上述2.2節(jié)、2.3節(jié)的電路,仿真的電流結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6標(biāo)注。

由仿真結(jié)果可以看出,開(kāi)關(guān)型電流驅(qū)動(dòng)電路可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)邏輯控制為“關(guān)”時(shí),DA輸出不影響電流驅(qū)動(dòng),輸出電流很小。而對(duì)比之下,改進(jìn)的開(kāi)關(guān)型電流驅(qū)動(dòng)電路在“關(guān)”狀態(tài)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(yàn)驗(yàn)證

按照改進(jìn)的開(kāi)關(guān)型電流驅(qū)動(dòng)電路搭建測(cè)試電路進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,部分電阻之間的關(guān)系如下:

其中負(fù)載電阻阻值并不影響采樣精度,但若負(fù)載電阻過(guò)大,在三極管驅(qū)動(dòng)能力飽和后將無(wú)法輸出較大的電流值,因此采用外接負(fù)載電阻50Ω。試驗(yàn)驗(yàn)證通過(guò)設(shè)定不同的DA輸出電壓值對(duì)負(fù)載電阻上的電流進(jìn)行檢測(cè),數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1測(cè)試結(jié)果可以看出,本文提出的開(kāi)關(guān)型電流驅(qū)動(dòng)電路具有輸出穩(wěn)定、可調(diào)和安全性高的特點(diǎn)。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出的改進(jìn)開(kāi)關(guān)型電流驅(qū)動(dòng)電路具有輸出值可精確調(diào)節(jié)的特點(diǎn),同時(shí)引入邏輯控制功能,能準(zhǔn)確控制電流輸出。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等需要高安全性的系統(tǒng)中,該電路可以在軟件復(fù)位或初始化過(guò)程中,通過(guò)邏輯控制保證此時(shí)無(wú)電流輸出,執(zhí)行機(jī)構(gòu)不會(huì)誤動(dòng)作,提高了在特殊情況下整個(gè)系統(tǒng)的安全性。該電路具有廣泛的應(yīng)用空間,已在某型發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器中得到應(yīng)用驗(yàn)證。