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(dǎo)率、低磁滯性的微小(微米甚至納米級)軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁體液體混合而成的磁性粒懸浮液[1]。當(dāng)無磁場時，懸浮的微粒鐵顆粒自由地隨液體運(yùn)動；當(dāng)施加磁場時，這些懸浮的微粒鐵顆粒被互相吸引，形成一串串鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)從磁場一極到另一極，此時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(yīng)力的粘彈性體。當(dāng)改變磁場線圈中的電流從而獲得不同強(qiáng)度的磁場，磁流變液的屈服剪應(yīng)力也發(fā)生變化，即在強(qiáng)磁場作用下，抗剪切力很大，呈現(xiàn)出高粘度、低流動性的液體特性；在零磁場條件下呈現(xiàn)出低粘度的特性。其剪切屈服強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度(或電流大小)具有穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系。正是磁流變液的這種流變可控性使其能夠?qū)崿F(xiàn)阻尼力的連續(xù)可變，從而達(dá)到對振動的主動控制目的。

磁流變液體屬于國際研究前沿技術(shù)，在車輛、機(jī)械、航空航天、艦船、建筑等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。磁流變液體技術(shù)越來越多地應(yīng)用到振動的主動控制和扭矩傳遞場合，像沖擊吸收器、防振動變阻尼器、凱迪拉克汽車的懸掛系統(tǒng)、大型建筑工程的抗震隔離裝置、離合器、柔性夾具、光學(xué)器件拋光等，甚至在醫(yī)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。它可以工作在手動調(diào)節(jié)和外加電壓控制調(diào)節(jié)兩種方式下，能與計算機(jī)或PLC構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。RD-3002需要外加12 V/2 A的電源，輸出電流為0～2 A，價格較貴[4]。文獻(xiàn)[5]采用摩托羅拉公司MC68HC908GP32 MCU為核心設(shè)計了用于磁流變阻尼器的電流控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]用美國TEXAS儀器公司推出的16位定點通用數(shù)字信號處理芯片為核心開發(fā)出精確可控的電流控制器。但這些研究與開發(fā)較為復(fù)雜，不能脫離計算機(jī)工作而且成本較高。在現(xiàn)場調(diào)試磁流變液體阻尼裝置時尤為不便。

本文提出一種簡便緊奏的可控PWM(脈寬調(diào)制)閉環(huán)電流放大器，具有精度高、線性度好、效率高、調(diào)試方便和成本低等特點，不僅可用于磁流變液體阻尼裝置，也可用于任何電磁線圈電路、加熱器或照明電路。

1 DRV系列PwM驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

電磁線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(diào)節(jié)線圈的端電壓來控制通過電磁線圈的電流；電流控制法是在全額電壓下改變電磁線圈的電流大小。由于負(fù)載變化，例如線圈電阻由于溫度而變化，僅調(diào)控電壓會帶來電流誤差。磁場強(qiáng)度正比于電流大小，而且阻尼缸要求反應(yīng)很快。假定一個負(fù)載電阻是5 Ω，某時刻該負(fù)載需要1 A電流，對于電壓控制型放大器，此時需要負(fù)載電壓控制為5 V。對于電流控制型放大器，此時負(fù)載電壓可能是12 V或更高，在一個信號脈沖輸入的一瞬間，負(fù)載電流將超出1 A，然后回復(fù)到1 A。電流上升波形如圖1所示。同樣的線圈電流下，電流控制型放大器的電流上升時間明顯小于電壓控制型放大器的上升時間。這是由于全額電壓下，電流型放大器能更快通過線圈，而且電流型放大器容易實現(xiàn)電流補(bǔ)償。撤消信號脈沖后，兩種類型的放大器波形基本重合，這是由于線圈放電成指數(shù)衰減的緣故。

 

傳統(tǒng)的線性輸出電源為電子系統(tǒng)提供了持續(xù)的電壓；不過，這種供電方式工作在半導(dǎo)體器件線性區(qū)，將會造成大最的電能損耗。在采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上寸，其效果基本相同。SPWM(正弦PWM)法就是以該結(jié)論為理論牲礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)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(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)電路輸出電壓的頻率和幅值或調(diào)節(jié)電路輸出電流。PWM采用數(shù)字輸出方式驅(qū)動模擬電路，以獲得最高的能源傳輸效率并節(jié)省功率并具有更高可靠性，可調(diào)控的PWM能夠更精密地控制負(fù)載電流。

美國TExAs儀器公司專為驅(qū)動繼電器、電磁線圈、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、加熱器及照明優(yōu)化設(shè)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(diào)延時時間、可調(diào)振蕩頻率、可調(diào)占空比及價格低，使它廣泛適用于各種場合。DRV103有開關(guān)驅(qū)動和連續(xù)驅(qū)動兩種工作方式。DRV103能夠設(shè)置為原始封閉模式，在這個模式下，能夠自動地切換到省電方式。圖2顯示DRV103的簡略框圖及引腳。

 

腳1連接到一個比較器和一個電流源(=2.75ref而Iref=1.3V/Rfreq)。腳1可通過一個電阻RPWM接地，或連接一個模擬電壓來調(diào)整占空比。這個模擬電壓范圍在1.3 V～3.9 V之間。當(dāng)PWM頻率設(shè)置在25 kHz，RPWM被取為75 kΩ時，占空比為10％；RPWM被取為200 kΩ時，占空比為90％。若川模擬電壓或D/A轉(zhuǎn)換器時，模擬電壓或D/A轉(zhuǎn)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(shè)置上電后DRV103從DC(100％占空比)轉(zhuǎn)到PWM模式的初始時間，即延時調(diào)節(jié)。它在內(nèi)部連接到一個3μA的電流源和一個2.6 V閾值的比較器。當(dāng)腳2上電壓低于2.6 V時，DRV103是100％占 空比輸出_。當(dāng)此腳懸空時，延時時間為18μs。這是由內(nèi)部奇生電容引起的。若有需要更少時間，它可以連接到+5 V，延時時問可減少到1μs當(dāng)腳2接上10μF電容時，延時時間可到11 s。PWM頻率是通過腳3的接地電阻值}殳定。DRV103內(nèi)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(dá)到lO MΩ。腳2將成為高阻抗輸入節(jié)點，會對電噪信號非常敏感。當(dāng)PWM頻率是10 kHz、2 5 kHz和5 0 kHz時外接電阻值分別為523 kΩ、205 kΩ和1100 kΩ。

DRV103通過一個功率DMOS管輸出3 A驅(qū)動電流(腳5)，足夠驅(qū)動中小型電磁線圈。其導(dǎo)通電阻為0.5 Q，確保低功耗。最高上升速率限制的柵極驅(qū)動能夠減少RFI/EFI輻射噪聲。當(dāng)驅(qū)動電感負(fù)載時，DRV103內(nèi)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(dāng)過電流或過熱時，提供一個灌電流通道來驅(qū)動發(fā)光二極僻，最大灌電流限制在10 mA之內(nèi)。腳8是TTL電平兼容的輸入端口，高于1.7 V時，DRV103提供PWM輸出；低于1.7 V時，DRV103無PWM輸出。腳8不能"接連接到電源上，否則會損壞DRV103。腳6是電源，其范圍是+8 v～+32 V，它必須大于負(fù)載供電電壓 。

DRV103電特性參數(shù)(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，超過此值，歸零；

導(dǎo)通電阻0.4 Ω；

輸出時飽和電壓+0.4 V，I0=1 A；

數(shù)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(腳2)110 ms，取決于外部電容；

占宅比調(diào)節(jié)(腳1)10％～90％；

占空比精度±2％，25 kHz、50％占空比；

非線性l％FSR；

動態(tài)響應(yīng)：輸出電壓上升時間0.2μs，輸出電壓下降時間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(hù)+160℃，+140℃時恢復(fù)；

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(dāng)達(dá)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=1.1 Cn×106(CD單位為F)。功率PADTMSO-8(H)封裝在散熱片下長期最大工作電流為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(fù)載電流反饋環(huán)節(jié)、占空比電壓信號線性變換3部分組成。由于在磁流變液體研究中需要大電流進(jìn)行多種性能實驗，特地在DRV103輸出增加一級電流驅(qū)動，使之最大驅(qū)動電流能夠達(dá)到40 A。這級驅(qū)動采用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(dǎo)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(dǎo)通電阻為0.02 Ω?？焖倩謴?fù)外延二級管DSE120為電磁線圈放電提供快速通道，保護(hù)MOSFET管IRF5210。PWM振蕩頻率可調(diào)，當(dāng)該電阻Rref調(diào)到205 kΩ時，振蕩頻率設(shè)置在25 kHz，該電阻Rref調(diào)到100 kΩ時，振蕩頻率設(shè)置在50 kHz。但是，若振蕩頻率設(shè)置在50 kHz，占空比調(diào)節(jié)將會發(fā)生變化，不再是圖3所示曲線。上電后系統(tǒng)自動地工作(自動使能)，無須另加控制信號。

當(dāng)溫度變化引起負(fù)載電阻值改變會帶來電流不穩(wěn)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(shè)計成電流反饋控制型，如圖5所示。即在負(fù)載上串聯(lián)一個采樣電阻Rsense,取出電流信號，輸入一個負(fù)反饋放大器A1，取出電壓V1：



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

經(jīng)過PI運(yùn)算，其輸出V3為：



 

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

考慮到許多新的D/A轉(zhuǎn)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，將會出現(xiàn)大的死區(qū)，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性變換。根據(jù)圖3，設(shè)PWM調(diào)節(jié)方程為：

D/A轉(zhuǎn)換器輸出方程為：



考慮同樣的輸出效果，y1=y2，則可求出兩個輸入之間的關(guān)系：



式中：a2/a1是在新坐標(biāo)系中的縮小和旋轉(zhuǎn)因子；(b2-b1)/a1是在新坐標(biāo)系中的平移因子。

為了實現(xiàn)這個線性變換，采用高速單電源四運(yùn)放LF324N(A4)作為電壓輸入信號變換適配器。根據(jù)下式適當(dāng)選擇外圍電阻參數(shù)[7]：



當(dāng)D/A輸出為OV時，運(yùn)算放大器A4輸出為1.3 V；當(dāng)D/A輸出為10 V時，A4輸出為3.9 V，正好在占空比調(diào)節(jié)范圍。100 pF電容是為了改善大電流在快速開關(guān)時的波形而并接在占空比調(diào)節(jié)電阻上。200 kn電位器可以手動調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出，無需連接計算機(jī)或D/A，手動調(diào)節(jié)時須斷開開關(guān)K。

采用本電流放大器驅(qū)動電磁鐵OP2025(其內(nèi)阻為3.5 Ω)，GM04高斯表用來測量電磁鐵OP2025的磁場強(qiáng)度，D/A輸出電壓與輸出電流及磁場強(qiáng)度的關(guān)系測量結(jié)果如圖6所示,其線性同歸誤差為±1％，當(dāng)D/A輸出為10 V時，占空比為1 00％，功率場效應(yīng)管全開通，電源電壓加在負(fù)載上，顯示出良好控制效果。

 

圖7給出不同電流(磁場)強(qiáng)度下用粘度儀測量自制磁流變液體的機(jī)械特性。當(dāng)在3.6 A電流下，磁流變液體的粘度比無電流時增加至少2個數(shù)量級。

 

3 結(jié)束語

磁流變液體可控電流放大器能夠線性地改變磁場強(qiáng)度，實現(xiàn)變阻尼工作。該可控電流放大器由高度集成的。PWM芯片構(gòu)成。在全額電壓下，電磁線圈能夠快速響應(yīng)電流變化，即變阻尼缸能迅速提供不同阻尼。這個特性應(yīng)用在高速運(yùn)動的對象時尤為重要?？煽仉娏鞣糯笃黧w積小、成本極低，不僅可用于磁流變液體，還滿足許多場合的特殊要求。整個系統(tǒng)能脫離計算機(jī)而獨自工作，各種參數(shù)方便設(shè)置及可調(diào)。采用電流閉環(huán)補(bǔ)償溫度漂移，系統(tǒng)能長期穩(wěn)定工作，控制效果好。實驗曲線及結(jié)果給出D/A控制電壓與磁場強(qiáng)度的關(guān)系，顯示出很好的控制效果。