楊啟帆，曹 琳，雷文龍

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

電流源作為一種常用的電路單元，廣泛地應(yīng)用于電機(jī)控制、電磁閥控制以及傳感器激勵(lì)等設(shè)計(jì)。本文介紹的數(shù)控高精度電流源用于某民用飛機(jī)空氣管理系統(tǒng)綜合控制器中控制力矩電機(jī)，該力矩電機(jī)主要用于氣源系統(tǒng)左、右發(fā)動(dòng)機(jī)閥門控制以及機(jī)翼防冰系統(tǒng)中機(jī)翼防冰活門的控制，因此對(duì)控制精度、響應(yīng)速度、電流穩(wěn)定性以及過(guò)流保護(hù)都有很高的要求。同時(shí)由于力矩電機(jī)可能隨著飛機(jī)的升級(jí)而變化，因此需要盡可能地消除負(fù)載變化帶來(lái)的影響。本文提供的恒流源設(shè)計(jì)以仿真為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試很好滿足了該型控制器的需求。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

本文介紹的電流源以控制器TMS5703137為核心，通過(guò)SPI總線控制外部DAC芯片產(chǎn)生可變電壓參考，驅(qū)動(dòng)后端改進(jìn)型Howland電流源電路，通過(guò)反饋電路硬件設(shè)計(jì)配合軟件中斷控制實(shí)時(shí)保護(hù)電流源，電路框圖如圖1所示[1,2]。

圖1 電流源設(shè)計(jì)框圖

該控制器恒流源的具體要求如下：電流范圍為0～300 mA，在20～300 mA范圍內(nèi)，電流精度＜±5 mA；電流分辨率≤0.3 mA；過(guò)流保護(hù)范圍為（860±140）mA。一旦發(fā)生短路立即觸發(fā)短路保護(hù)（非熔斷形式的短路保護(hù)）。短路后啟動(dòng)條件為故障清除、控制器冷啟動(dòng)以及人工啟動(dòng)。

1.1 DAC輸出電路

為了保證電流分辨率≤0.3 mA，選用ADI公司的AD5443芯片。該芯片為12 bit電流輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器，供電范圍為2.5～5.5 V，基準(zhǔn)源電壓范圍為±10 V，輸出電壓建立時(shí)間＜160 ns，接口延遲時(shí)間＜75 ns，精度為±0.5 LSB[3]。在單極性模式下，該DAC輸出電壓計(jì)算為：

式中，D為載入DAC的數(shù)字（范圍為0～4 095），Vref為 5 V。

由式（1）可知，輸出電壓極性與直流基準(zhǔn)電壓Vref極性相反[4]。為了獲得正電壓輸出，可以通過(guò)反向放大器的輸出反轉(zhuǎn)電壓，但是由于反向放大器配置的電容和電阻存在誤差，因此可以選用向DAC輸入施加負(fù)基準(zhǔn)電壓的方式。為了生成負(fù)電壓基準(zhǔn)，使用運(yùn)算放大器對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，使基準(zhǔn)電壓源Vout引腳虛擬接地，且基準(zhǔn)源的GND引腳為-5 V。DAC輸出框圖如圖2所示。

圖2 DAC輸出框圖

該DAC為12 bit高帶寬數(shù)模轉(zhuǎn)換器，器件精度為±0.5 LSB。

1.2 改進(jìn)型Howland電流源電路

傳統(tǒng)Howland電路由運(yùn)放和4個(gè)匹配電阻組成，受限于運(yùn)放輸出能力的限制，無(wú)法提供大電流，同時(shí)匹配電阻的比例直接影響電流源的精度，匹配反饋電阻阻值過(guò)大會(huì)影響建立速度[5-7]。此外，在部分應(yīng)用中，由于無(wú)法確定具體負(fù)載大小，負(fù)載的變化也將影響電流源的輸出精度和穩(wěn)定性。

改進(jìn)型Howland電路使用達(dá)林頓電路擴(kuò)展運(yùn)放的輸出能力，提升電流源輸出電流大小，解決運(yùn)放輸出能力的限制。當(dāng)外部電阻匹配情況下，可以忽略負(fù)載對(duì)電流源的影響，具體電路如圖3所示。

圖3 改進(jìn)型Howland電流源框圖

輸出電流為：

當(dāng)電阻完全匹配，RG1=RG2=RG，RF1=RF2=RF且R1=R2=R時(shí)，輸出電流為：

由式（3）所示，輸出電流不隨負(fù)載而變化，同時(shí)該控制器恒流源輸出電流最大為1 A，考慮后端監(jiān)控電流電阻功率要求，選擇RG=100 kΩ，RF=100 kΩ，R=0.5 Ω。此時(shí)輸出電流范圍為0～1 A+0.05 mA，為保證輸出電流的準(zhǔn)確性，需要在軟件上校正的誤差。

當(dāng)Vout=1.5 V時(shí)，此時(shí)輸出的電流為300 mA，當(dāng)電阻選用公差為0.5%時(shí)，Iout的最大值為：

Iout的最小值為：

電流分辨率為：

1.3 電流監(jiān)測(cè)保護(hù)電路

為實(shí)時(shí)監(jiān)控電流源輸出電流值，保證輸出過(guò)流情況下及時(shí)關(guān)閉輸出，有效保護(hù)左、右發(fā)動(dòng)機(jī)閥門以及防冰活門。電流監(jiān)測(cè)保護(hù)電路通過(guò)軟件和硬件獨(dú)立控制，將電流回路的電流經(jīng)過(guò)分流電阻Rsense轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，再通過(guò)運(yùn)放將電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)比例的調(diào)整，分別送入TMS570內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和遲滯功能比較器。比較器的結(jié)果送入到TMS570的外部中斷管腳，從而完成軟件和硬件的控制，具體電路如圖4所示[8,9]。

回采的Vabc信號(hào)通過(guò)軟件比較可以禁止DAC輸出，同時(shí)當(dāng)Vabc大于Vref時(shí)，輸出的使能信號(hào)同TMS570輸出的使能信號(hào)做與邏輯后通過(guò)硬件直接關(guān)斷DAC輸出。

2 測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電流源的輸出精度，將10 Ω和30 Ω電阻負(fù)載接入到輸出端，在輸出0～1 A情況下通過(guò)高精度萬(wàn)用表測(cè)得對(duì)應(yīng)的輸出電壓值，并通過(guò)TMS570內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器計(jì)算出回采電壓值[10]。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

測(cè)試結(jié)果表明，該電流源通過(guò)上位機(jī)軟件可以實(shí)時(shí)控制，并且按照設(shè)定值正常輸出穩(wěn)定的電流源。通過(guò)上表可知，在20～300 mA范圍內(nèi)時(shí)，電流精度＜±5 mA，同時(shí)在改變負(fù)載電阻的情況下，該電路依舊可以穩(wěn)定輸出相對(duì)應(yīng)的電流值，滿足設(shè)計(jì)需求。

3 結(jié) 論

本文以實(shí)際工程應(yīng)用為基礎(chǔ)，重點(diǎn)討論了改進(jìn)型Howland電流源電路。基于TMS570控制的電流源從根本上解決了輸出負(fù)載對(duì)電流源的影響，提高了電流源的穩(wěn)定性。通過(guò)軟硬件反饋電路實(shí)時(shí)監(jiān)控電流源輸出，極大地提高了電流源的安全性。測(cè)試證明，精度和分辨率等參數(shù)都滿足該控制器電流源需求，具有較為廣闊的市場(chǎng)前景和使用價(jià)值。