曾 鋒，左 強(qiáng)

（1.北京青云航空儀表有限公司，北京 101300；2.空軍裝備部駐北京地區(qū)第五軍事代表室，北京 101300）

0 引 言

磁粉離合器的打滑力矩與流過(guò)的電流成正比，其在航空的油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)中通常用于力矩打滑，是油門類產(chǎn)品中一種重要的裝置。由于磁粉離合器打滑力矩具有離散的特點(diǎn)，因此需要針對(duì)每個(gè)離合器分別進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的磁粉離合器電流調(diào)節(jié)是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)電路中電位計(jì)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)時(shí)存在精度不高、時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題，而且每個(gè)離合器只能搭配對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)好的電路進(jìn)行使用，產(chǎn)品維護(hù)時(shí)互換性較差。本文提出了一種基于壓控電流源的磁粉離合器控制電路，控制電路能夠通過(guò)更改軟件參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)磁粉離合器電流調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)間較短，后期維護(hù)也十分方便。

1 傳統(tǒng)磁粉離合器方案

傳統(tǒng)磁粉離合器的控制電路如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)離合器控制電路

根據(jù)電路推導(dǎo)出電流Iout的公式為

式中：Uout為Q1發(fā)射極的輸出電壓；Uce為Q1的集電極和發(fā)射極電壓差；?U為穩(wěn)壓電路兩端固定電壓差；Ube為Q1基極和發(fā)射極的電壓差，工作時(shí)恒為0.7 V；R1為固定的限流電阻阻值，目的是防止電流過(guò)大；Rp為電位計(jì)的阻值。電路工作時(shí)，Q1處于飽和輸出狀態(tài)，Uce為定值，Iout隨Rp的變化而變化[1]。

這種控制電路的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)單，適用于離合器力矩指標(biāo)不太精確的情況。與此同時(shí)，該電路缺點(diǎn)也很明顯，其電流通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)電位計(jì)Rp值的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，前期調(diào)節(jié)完成后再使用就需要拆卸產(chǎn)品手動(dòng)對(duì)電位計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，維護(hù)十分不便。

2 壓控電流源方案

2.1 基本型壓控電流源方案

為了解決傳統(tǒng)電路需要手動(dòng)調(diào)節(jié)和后期維護(hù)不方便的問(wèn)題，采用壓控電流源的控制電路設(shè)計(jì)方式，通過(guò)軟件程序?qū)崿F(xiàn)電流調(diào)節(jié)。常見(jiàn)的基本型壓控電流源電路如圖2所示[2]。

圖2 基本壓控電流源電路

處理器控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter，DAC）輸出電壓，通過(guò)改變DA輸出電壓，控制后端壓控電路的電流輸出。后端壓控電流源電路主要由1個(gè)運(yùn)算放大器（以下簡(jiǎn)稱運(yùn)放）、1個(gè)PNP三極管以及電阻構(gòu)成，該電路電流輸出公式為

式中：UDD為供電電源；Uin為DAC輸出電壓；RS為電流源的敏感電阻。

理論上，基本型壓控電流源電路能通過(guò)調(diào)節(jié)Uin來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流I'out，實(shí)現(xiàn)了電流的軟件可調(diào)。但是在實(shí)際應(yīng)用中，UDD電壓是直接采用機(jī)上供電的直流電源，該電源電壓值在18～32 V波動(dòng)，并不是一個(gè)穩(wěn)定值。根據(jù)式（2），輸出電流I'out會(huì)受到UDD的波動(dòng)而變化，無(wú)法達(dá)到電流穩(wěn)定輸出的目的，從而影響磁粉離合器的打滑力矩。

2.2 改進(jìn)的壓控電流源方案

本文設(shè)計(jì)了1種改進(jìn)的電流源電路，克服了基本型壓控電流源電路電流輸出受電源波動(dòng)影響的問(wèn)題。本電路采用2級(jí)壓控電流源電路的設(shè)計(jì)方式，在基本型壓控電流源上增加了少量元器件，實(shí)現(xiàn)了電流源的電流輸出穩(wěn)定和輸出電流值的軟件可調(diào)[3,4]。改進(jìn)的壓控電流源電路原理如圖3所示。

圖3 改進(jìn)的壓控電流源電路

圖 3中，R1、N1、RS1、M1（N溝 道 MOSFET晶體管）構(gòu)成了第一級(jí)電流源，RS2、N2、RS3、M2（P溝道MOSFET晶體管）構(gòu)成了第二級(jí)電流源。第一級(jí)電流源中，Uin為電壓輸入端，由處理器控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出，電壓通過(guò)電阻R1連接到運(yùn)放N1的正端，即U1+=Uin。根據(jù)電流源原理，N1負(fù)端的電壓為

流過(guò)RS1的電流為

由于流過(guò)RS2的電流與流過(guò)RS1的電流一致，并且根據(jù)電流源工作原理可知運(yùn)放N2的負(fù)端電壓與正端電壓相等，因此運(yùn)放N2的輸入端電壓為

根據(jù)電路原理，流過(guò)RS3的電流為

將式（3）、式（4）、式（5）分別帶入式（6），計(jì)算得到

由式（7）可知，輸出電流I''out與輸入電壓成正比，且電流輸出大小與電源電壓無(wú)直接關(guān)系，不受電源電壓波動(dòng)的影響。

3 仿真分析

建立電路仿真模型，通過(guò)Multisim軟件進(jìn)行功能仿真分析。磁粉離合器在電路中等效于一個(gè)理想電感L1和一個(gè)電阻RL串聯(lián)，模型如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的電流源仿真模型

根據(jù)磁粉離合器的實(shí)際負(fù)載參數(shù)，設(shè)置純感性負(fù)載L1=330 mH、直流阻抗RL=107 Ω。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，設(shè)置電流源電路的RS1=3.3 kΩ、RS2=4.7 kΩ、RS3=47 Ω。Q1采用小型N溝道MOSFET晶體管2N7002，Q2采用大功率P溝道MOSFET晶體管IRF5210，運(yùn)放采用通用型運(yùn)算放大器LM158。根據(jù)式（7），可以得到I''out為

通過(guò)仿真調(diào)整Uin值，可以得到不同的電流輸出值仿真結(jié)果。在某型號(hào)的磁粉離合器控制電路上采用該設(shè)計(jì)，數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）通過(guò)串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI）控制DAC的輸出電壓Uin，從而控制電流源電路的輸出電流，在電路中串聯(lián)電流表對(duì)電流進(jìn)行測(cè)試[5,6]。通過(guò)更改DSP軟件參數(shù)，在常溫下選取了9個(gè)點(diǎn)對(duì)輸出電流值進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，仿真結(jié)果如表1和圖5所示。

圖5 測(cè)試結(jié)果曲線

表1 仿真結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，該電路的實(shí)際值和理論計(jì)算值基本重合，電流控制精度高。此外，電路輸入和電路輸出的線性度良好，電路性能完全能夠滿足磁粉離合器的控制需求。

4 結(jié) 論

基于改進(jìn)型壓控電流源的磁粉離合器控制電路保留了電流的軟件可調(diào)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也避免了基本型壓控電流源電路受電源波動(dòng)影響的問(wèn)題。該電路極大地方便了磁粉離合器的調(diào)節(jié)和維護(hù)，可以應(yīng)用于不同狀態(tài)的磁粉離合器，減少了裝配的適配環(huán)節(jié)。除此之外，該電路也適用于對(duì)電流控制精度有較高要求的磁粉離合器控制場(chǎng)合。