引言

隨著航空發(fā)動機(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電流信號驅(qū)動,因此在航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中,對電流驅(qū)動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,電流驅(qū)動電路應(yīng)具備以下條件:1)電路結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單,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,電路應(yīng)具有測試性,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)動機(jī)控制系統(tǒng)的飛行安全。

本文針對上述特點設(shè)計了一種持續(xù)輸出、穩(wěn)定可調(diào)且高安全性的電流驅(qū)動電路。

1電流驅(qū)動電路原理

傳統(tǒng)的電流驅(qū)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。

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(lián)用來匹配外部的負(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(nèi),并通過一個電壓跟隨器將結(jié)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(lián)大電阻R14和R15。當(dāng)外部輸出通路時,開路檢測電路相當(dāng)于斷路,開路檢測信號CD—0PENBIT無輸出;而當(dāng)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—0PENBIT有輸出,實現(xiàn)開路檢測的功能。

2電路優(yōu)化方法

2.1邏輯控制開關(guān)

由上文分析可知,傳統(tǒng)的電流驅(qū)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(fù)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(qū)動電路仍在輸出電流,被控執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shè)置開關(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現(xiàn)對電流驅(qū)動電路的開關(guān)保護(hù)。

當(dāng)邏輯開關(guān)為高(5 V)時,場管V4截止,電流驅(qū)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(dāng)邏輯開關(guān)為低(0 V)時,場管V4導(dǎo)通,電流驅(qū)動電路上輸出的信號被拉低,此時電流驅(qū)動電路無法正常工作,輸出電流幾乎為0。

2.2開關(guān)型電流驅(qū)動電路

將邏輯控制電路與電流驅(qū)動電路組合成開關(guān)型電流驅(qū)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(cè)電壓被拉低至0 V,通過后方電流驅(qū)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(cè)(即三極管C端)仍有電壓值,該電壓進(jìn)入電流驅(qū)動電路后,電路仍有微弱電流輸出。該開關(guān)型電流驅(qū)動電路達(dá)不到邏輯開關(guān)關(guān)閉時無電流輸出的效果。

2.3改進(jìn)的開關(guān)型電流驅(qū)動電路

為確保當(dāng)邏輯控制電路為“關(guān)”時進(jìn)入電流驅(qū)動電路的電壓值為0,采用圖4所示改進(jìn)的開關(guān)型電流驅(qū)動電路。改進(jìn)思路為在DA輸出和電流驅(qū)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(qū)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(nèi)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(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),這樣通過運放的輸出特性可以使進(jìn)入電流驅(qū)動電路的輸入為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,不過會影響邏輯開關(guān)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(jié)果

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

由仿真結(jié)果可以看出,開關(guān)型電流驅(qū)動電路可以實現(xiàn)當(dāng)邏輯控制為“關(guān)”時,DA輸出不影響電流驅(qū)動,輸出電流很小。而對比之下,改進(jìn)的開關(guān)型電流驅(qū)動電路在“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電路試驗驗證

按照改進(jìn)的開關(guān)型電流驅(qū)動電路搭建測試電路進(jìn)行試驗驗證,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)載電阻過大,在三極管驅(qū)動能力飽和后將無法輸出較大的電流值,因此采用外接負(fù)載電阻50Ω。試驗驗證通過設(shè)定不同的DA輸出電壓值對負(fù)載電阻上的電流進(jìn)行檢測,數(shù)據(jù)如表1所示。

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

4結(jié)束語

本文提出的改進(jìn)開關(guān)型電流驅(qū)動電路具有輸出值可精確調(diào)節(jié)的特點,同時引入邏輯控制功能,能準(zhǔn)確控制電流輸出。在航空發(fā)動機(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)位或初始化過程中,通過邏輯控制保證此時無電流輸出,執(zhí)行機(jī)構(gòu)不會誤動作,提高了在特殊情況下整個系統(tǒng)的安全性。該電路具有廣泛的應(yīng)用空間,已在某型發(fā)動機(jī)電子控制器中得到應(yīng)用驗證。