電液控制常用電路

第第頁電液控制常用電路

脈寬調(diào)制（PWM）一般用于控制電液比例閥。該技術(shù)目前應(yīng)用廣泛：它可以將大功率傳遞到負(fù)載（例如比例閥線圈），但同時(shí)又能獲得較小的功率損耗，此外還能產(chǎn)生較好的顫振效果（使閥芯處于低幅高頻抖動(dòng)狀態(tài)），當(dāng)PWM頻率設(shè)置合適時(shí)，可以減少靜摩擦引起的滯環(huán)。

PWM原理如下圖所示：可以通過調(diào)整電壓的占空比來控制負(fù)載。使電壓脈沖從零到全（電源）電壓進(jìn)行調(diào)整，并改變其導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間之間的關(guān)系。通過將電壓轉(zhuǎn)換速率設(shè)置得很高（PWM頻率很高），使得接收端只能響應(yīng)平均電壓值，從而實(shí)現(xiàn)其控制功能。

圖1

負(fù)載以平穩(wěn)，漸進(jìn)的方式進(jìn)行控制，而不是方波指令下的bang-bang響應(yīng)。由于負(fù)載僅對波形的平均值作出響應(yīng)，因此控制很平穩(wěn)。

可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求來調(diào)整開關(guān)速率，以獲得滿意的顫振（信號）。通過控制導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間的比率（占空比），可以改變流經(jīng)負(fù)載的平均（電流）。此處討論的工況，負(fù)載是比例（電磁鐵）或直流電壓表。在此工況下，這些負(fù)載會對PWM信號的平均值作出響應(yīng)。但是，如果負(fù)載是比PWM信號反應(yīng)快得多的（示波器），則示波器將顯示實(shí)際的PWM波形，波形類似于上圖中的方波曲線。

功率輸出級

要了解完整的PWM電路，首先要分析其功率輸出級，一般是由分離式的NPN功率（晶體管）Q1組成，如下圖所示（更大功率可以采用MOS管）。電磁鐵線圈一端連接在晶體管的集電極，另一端連接在直流電源+Vcc端。同時(shí)，基極接收PWM方波電壓Vb，如示波器捕捉的波形圖（b）所示。PWM電壓通常從零擺動(dòng)到最大電源電壓+Vcc。假設(shè)基級輸入（電阻）R和晶體管Q1的放大增益B一定（一般約為200倍），則當(dāng)基級輸入電壓為電源+Vcc時(shí)，Q1輸出將飽和。

圖2PWM功率輸出級電路（a）驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵線圈。

輸出波形（b）連接至功率輸出晶體管Q1的基級。如果Re和Q1增益一定，當(dāng)基極電壓Ve從+Vcc變?yōu)榱銜r(shí)Q1輸出從飽和變?yōu)榻刂埂?/p>

也就是說，當(dāng)Q1的基級達(dá)到+Vcc時(shí)將完全導(dǎo)通。當(dāng)然，當(dāng)基極電壓信號Vcc降至零時(shí)，就沒有基極電流，此時(shí)Q1完全關(guān)斷，因此Q1僅僅工作在完全導(dǎo)通（飽和）和完全截止兩種狀態(tài)之間。Q1的功能類似于（電子）控制開關(guān)。因此，可以用下圖中的通斷開關(guān)來等效晶體管。Q1與圖中的基極電壓波形Vb同步切換，作為PWM信號源。

這種情況下，如果Vb長時(shí)間保持高電平，而在短時(shí)間內(nèi)為零（類似于高占空比），則線圈接受的電流就比較大。相反，如果Vb長時(shí)間保持零而短時(shí)間保持高電平，則對線圈而言，接受的電流值就比較小，線圈是對Vb的平均值作出反應(yīng)?，F(xiàn)在，我們先來分析Q1在PWM開關(guān)模式下工作時(shí)所消耗的功率。考慮圖下圖所示的電路，其中的集電極-發(fā)射極電流標(biāo)記為（Ic）e，并且用符號ve來測量集電極-地之間的電壓。對于功率晶體管電路，一般情況下集電極飽和電阻Rcs的值

圖3通斷開關(guān)Q1，可以代替晶體管圖4該電路用于分析PWM模式功耗

在任何時(shí)刻，等式（1）的電壓和電流乘積描述了瞬時(shí)功率。通過合理假設(shè)，至少在定性的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建出圖4電路中預(yù)期的電流和電壓波形。考慮到Q1作為通斷開關(guān)工作，并且與PWM基本電壓保持同步。因此，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，沒有電流。在沒有電流的情況下，根據(jù)基爾霍夫定律，電源電壓Vo整個(gè)都消耗在Q1上，因此，當(dāng)晶體管電壓為高時(shí)，晶體管電流為零。

另一方面，當(dāng)Q1閉合并導(dǎo)通時(shí)。晶體管的凈電阻R很小。電阻很小，會有電流，但電壓v也很小。簡而言之，當(dāng)集電極電壓為高時(shí)，電流為低，反之亦然。這可以用圖5的波形來表示。因此，電流和電壓的乘積始終很低，Q1消耗的功率Wo最小。使用通常的經(jīng)驗(yàn)值，傳遞到負(fù)載（電磁鐵）的功率與晶體管消耗的功率之比約為10：1。在30瓦線圈中，輸出晶體管的功耗約為3瓦。這一點(diǎn)很重要，可以降低對電源的需求，晶體管和散熱器的尺寸可以減小。甚至可以不用散熱器。所有這些都可以降低（產(chǎn)品）成本，而不會影響質(zhì)量或性能。

圖5

功率輸出PWM晶體管的電壓電流和功率波形。當(dāng)電流高時(shí)，電壓低，反之亦然。結(jié)果是Q消耗的功率低于平均集電極電流乘以平均集電極電壓所得到的值。

圖5的波形和上述結(jié)論必須在通用，直觀的分析范圍內(nèi)才能得出。在這種方法中，將測量平均集電極電壓和平均集電極電流，然后將兩者相乘來計(jì)算功率（瓦特）。這種方法是不正確的，將導(dǎo)致對輸出晶體管Q消耗功率的錯(cuò)誤評估。為了理解為什么是這樣，請想象一下，我們具有圖5的波形值。假設(shè)電壓V為12伏，最大集電極電流I為2安培。從技術(shù)上講，面積為平均波形的積分，如果觀察電流和電壓波形，會發(fā)現(xiàn)它們看起來好像調(diào)制約為50％。

因此，電壓的平均值約為6伏（最大值的一半），電流約為1安培。電壓和電流的乘積為6瓦特，是先前估計(jì)的3瓦特的兩倍。哪個(gè)是對的？之前的估計(jì)值為3瓦。3瓦正確的原因是，在幅值隨時(shí)間變化的電路中使用平均電流和平均電壓計(jì)算功率是錯(cuò)誤的。應(yīng)該用瞬時(shí)伏安乘積的平均值。也就是說，用瞬時(shí)的電壓和安培值相乘，然后取平均值。如果將各個(gè)波形平均后再相乘，則結(jié)果不正確。這個(gè)非常容易理解，考慮家用的交流電源。顯然，平均電流和平均電壓始終為零，但是家用電器消耗的功率顯然不為零。當(dāng)用正弦電壓乘以正弦電流時(shí)，乘積的平均值并不為零。這才是真正的功率。圖5的電壓和電流波形表明伏安乘積為零，但事實(shí)并非如此。總會消耗一些功率。

圖6

在通用PWM調(diào)制器中，（a）的