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。它是一種由高磁導率、低磁滯性的微小(微米甚至納米級)軟磁性顆粒和非導磁體液體混合而成的磁性粒懸浮液[1]。當無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，懸浮的微粒鐵顆粒自由地隨液體運動(dòng)；當施加磁場(chǎng)時(shí)，這些懸浮的微粒鐵顆粒被互相吸引，形成一串串鏈式結構從磁場(chǎng)一極到另一極，此時(shí)磁流變液體就在毫秒級的瞬間由牛頓流體變成塑性體或有一定屈服剪應力的粘彈性體。當改變磁場(chǎng)線(xiàn)圈中的電流從而獲得不同強度的磁場(chǎng)，磁流變液的屈服剪應力也發(fā)生變化，即在強磁場(chǎng)作用下，抗剪切力很大，呈現出高粘度、低流動(dòng)性的液體特性；在零磁場(chǎng)條件下呈現出低粘度的特性。其剪切屈服強度與磁場(chǎng)強度(或電流大小)具有穩定的對應關(guān)系。正是磁流變液的這種流變可控性使其能夠實(shí)現阻尼力的連續可變，從而達到對振動(dòng)的主動(dòng)控制目的。

磁流變液體屬于國際研究前沿技術(shù)，在車(chē)輛、機械、航空航天、艦船、建筑等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。磁流變液體技術(shù)越來(lái)越多地應用到振動(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(chē)的懸掛系統、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)調節和外加電壓控制調節兩種方式下，能與計算機或PLC構成閉環(huán)控制系統。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[5]采用摩托羅拉公司MC68HC908GP32 MCU為核心設計了用于磁流變阻尼器的電流控制系統。文獻[6]用美國TEXAS儀器公司推出的16位定點(diǎn)通用數字信號處理芯片為核心開(kāi)發(fā)出精確可控的電流控制器。但這些研究與開(kāi)發(fā)較為復雜，不能脫離計算機工作而且成本較高。在現場(chǎng)調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(脈寬調制)閉環(huán)電流放大器，具有精度高、線(xiàn)性度好、效率高、調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(xiàn)圈電路、加熱器或照明電路。

1 DRV系列PwM驅動(dòng)器結構

電磁線(xiàn)圈的電流控制方法通常有電壓控制和電流控制兩種。電壓控制法是調節線(xiàn)圈的端電壓來(lái)控制通過(guò)電磁線(xiàn)圈的電流；電流控制法是在全額電壓下改變電磁線(xiàn)圈的電流大小。由于負載變化，例如線(xiàn)圈電阻由于溫度而變化，僅調控電壓會(huì )帶來(lái)電流誤差。磁場(chǎng)強度正比于電流大小，而且阻尼缸要求反應很快。假定一個(gè)負載電阻是5 Ω，某時(shí)刻該負載需要1 A電流，對于電壓控制型放大器，此時(shí)需要負載電壓控制為5 V。對于電流控制型放大器，此時(shí)負載電壓可能是12 V或更高，在一個(gè)信號脈沖輸入的一瞬間，負載電流將超出1 A，然后回復到1 A。電流上升波形如圖1所示。同樣的線(xiàn)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(xiàn)圈，而且電流型放大器容易實(shí)現電流補償。撤消信號脈沖后，兩種類(lèi)型的放大器波形基本重合，這是由于線(xiàn)圈放電成指數衰減的緣故。

傳統的線(xiàn)性輸出電源為電子系統提供了持續的電壓；不過(guò)，這種供電方式工作在半導體器件線(xiàn)性區，將會(huì )造成大最的電能損耗。在采樣控制理論中有一個(gè)重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節上寸，其效果基本相同。SPWM(正弦PWM)法就是以該結論為理論牲礎，用脈沖寬度按正弦規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(kāi)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區間內的面積相等，通過(guò)改變調制波的頻率和幅值則可調節電路輸出電壓的頻率和幅值或調節電路輸出電流。PWM采用數字輸出方式驅動(dòng)模擬電路，以獲得最高的能源傳輸效率并節省功率并具有更高可靠性，可調控的PWM能夠更精密地控制負載電流。

美國TExAs儀器公司專(zhuān)為驅動(dòng)繼電器、電磁線(xiàn)圈、電動(dòng)執行機構、加熱器及照明優(yōu)化設計生產(chǎn)了PWM集成芯片系列，DRV103是其中之一，其尺寸為5 mm×6 mm,可調延時(shí)時(shí)間、可調振蕩頻率、可調占空比及價(jià)格低，使它廣泛適用于各種場(chǎng)合。DRV103有開(kāi)關(guān)驅動(dòng)和連續驅動(dòng)兩種工作方式。DRV103能夠設置為原始封閉模式，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)調整占空比。這個(gè)模擬電壓范圍在1.3 V～3.9 V之間。當PWM頻率設置在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轉換器時(shí)，模擬電壓或D/A轉換器必須能夠提供灌電流能力(=2.75，Iref而Iref=1.3 V/Rfreq)。

腳2是設置上電后DRV103從DC(100％占空比)轉到PWM模式的初始時(shí)間，即延時(shí)調節。它在內部連接到一個(gè)3μA的電流源和一個(gè)2.6 V閾值的比較器。當腳2上電壓低于2.6 V時(shí)，DRV103是100％占 空比輸出_。當此腳懸空時(shí)，延時(shí)時(shí)間為18μs。這是由內部奇生電容引起的。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，外接電阻值將達到lO MΩ。腳2將成為高阻抗輸入節點(diǎn)，會(huì )對電噪信號非常敏感。當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驅動(dòng)電流(腳5)，足夠驅動(dòng)中小型電磁線(xiàn)圈。其導通電阻為0.5 Q，確保低功耗。最高上升速率限制的柵極驅動(dòng)能夠減少RFI/EFI輻射噪聲。當驅動(dòng)電感負載時(shí)，DRV103內部的鉗位二極符ESD不能取代外部放電二極管。腳7是故障指示輸出。當過(guò)電流或過(guò)熱時(shí)，提供一個(gè)灌電流通道來(lái)驅動(dòng)發(fā)光二極僻，最大灌電流限制在10 mA之內。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，它必須大于負載供電電壓 。

DRV103電特性參數(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；

導通電阻0.4 Ω；

輸出時(shí)飽和電壓+0.4 V，I0=1 A；

數字控制輸入(腳8)+2.2 V～+5.5 V(TTL電平)，高電平使能；

恒定DC輸出對PWM延時(shí)(腳2)110 ms，取決于外部電容；

占宅比調節(腳1)10％～90％；

占空比精度±2％，25 kHz、50％占空比；

非線(xiàn)性l％FSR；

動(dòng)態(tài)響應：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+160℃，+140℃時(shí)恢復；

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。當達到輸出電流上限，輸出電流將被置為0。恒定DC輸出對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(cháng)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(kāi)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、負載電流反饋環(huán)節、占空比電壓信號線(xiàn)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，特地在DRV103輸出增加一級電流驅動(dòng)，使之最大驅動(dòng)電流能夠達到40 A。這級驅動(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，導通電阻為0.02 Ω?？焖倩謴屯庋佣壒蹹SE120為電磁線(xiàn)圈放電提供快速通道，保護MOSFET管IRF5210。PWM振蕩頻率可調，當該電阻Rref調到205 kΩ時(shí)，振蕩頻率設置在25 kHz，該電阻Rref調到100 kΩ時(shí)，振蕩頻率設置在50 kHz。但是，若振蕩頻率設置在50 kHz，占空比調節將會(huì )發(fā)生變化，不再是圖3所示曲線(xiàn)。上電后系統自動(dòng)地工作(自動(dòng)使能)，無(wú)須另加控制信號。

當溫度變化引起負載電阻值改變會(huì )帶來(lái)電流不穩定，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計成電流反饋控制型，如圖5所示。即在負載上串聯(lián)一個(gè)采樣電阻Rsense,取出電流信號，輸入一個(gè)負反饋放大器A1，取出電壓V1：



經(jīng)過(guò)誤差比較放大器A2，當R4=R5=R6時(shí)，有誤差輸出電壓V2:

經(jīng)過(guò)PI運算，其輸出V3為：

在一個(gè)確定不變的D/A輸入信號下，若負載電流由于溫度而變大，則Vsense變大，根據式(3)，V3將變小，占空比減小，導致輸出電流減小從而抵消負載電流的增大，維持負載電流穩定。若考慮到當大電流時(shí)，采樣電阻功耗太大，發(fā)熱嚴重，可取消電流反饋回路。

考慮到許多新的D/A轉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 )出現大的死區，除非在軟件編程上做分隔。為了方便使用，需要對占空比輸入控制電壓作一線(xiàn)性變換。根據圖3，設PWM調節方程為：

D/A轉換器輸出方程為：



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是在新坐標系中的縮小和旋轉因子；(b2-b1)/a1是在新坐標系中的平移因子。

為了實(shí)現這個(gè)線(xiàn)性變換，采用高速單電源四運放LF324N(A4)作為電壓輸入信號變換適配器。根據下式適當選擇外圍電阻參數[7]：



當D/A輸出為OV時(shí)，運算放大器A4輸出為1.3 V；當D/A輸出為10 V時(shí)，A4輸出為3.9 V，正好在占空比調節范圍。100 pF電容是為了改善大電流在快速開(kāi)關(guān)時(shí)的波形而并接在占空比調節電阻上。200 kn電位器可以手動(dòng)調節系統輸出，無(wú)需連接計算機或D/A，手動(dòng)調節時(shí)須斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K。

采用本電流放大器驅動(dòng)電磁鐵OP2025(其內阻為3.5 Ω)，GM04高斯表用來(lái)測量電磁鐵OP2025的磁場(chǎng)強度，D/A輸出電壓與輸出電流及磁場(chǎng)強度的關(guān)系測量結果如圖6所示,其線(xiàn)性同歸誤差為±1％，當D/A輸出為10 V時(shí)，占空比為1 00％，功率場(chǎng)效應管全開(kāi)通，電源電壓加在負載上，顯示出良好控制效果。

圖7給出不同電流(磁場(chǎng))強度下用粘度儀測量自制磁流變液體的機械特性。當在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)數量級。

3 結束語(yǔ)

磁流變液體可控電流放大器能夠線(xiàn)性地改變磁場(chǎng)強度，實(shí)現變阻尼工作。該可控電流放大器由高度集成的。PWM芯片構成。在全額電壓下，電磁線(xiàn)圈能夠快速響應電流變化，即變阻尼缸能迅速提供不同阻尼。這個(gè)特性應用在高速運動(dòng)的對象時(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(mǎn)足許多場(chǎng)合的特殊要求。整個(gè)系統能脫離計算機而獨自工作，各種參數方便設置及可調。采用電流閉環(huán)補償溫度漂移，系統能長(cháng)期穩定工作，控制效果好。實(shí)驗曲線(xiàn)及結果給出D/A控制電壓與磁場(chǎng)強度的關(guān)系，顯示出很好的控制效果。