一种高安全性电流驱动电路研究

引言

随着航空发动机控制系统朝全电、多电化方向发展,电液伺服控制装置正逐步取代传统机械液压装置[1-2],其核心部件伺服阀需要通过电流信号驱动,因此在航空发动机控制系统中,对电流驱动电路的需求十分迫切。

结合系统及执行机构的特点,电流驱动电路应具备以下条件:1)电路结构应简单,以便集成在电子控制器中;2)电路输出值应足够稳定以确保电磁阀十分灵敏[3];3)电路的输出值应当可调,以满足越发复杂的控制率;4)根据机载设备的特点,电路应具有测试性,便于故障定位和维修;5)电路应具有高安全性,以保障航空发动机控制系统的飞行安全。

本文针对上述特点设计了一种持续输出、稳定可调且高安全性的电流驱动电路。

1电流驱动电路原理

传统的电流驱动电路[4-5]如图1所示,由以下三部分组成:电压/电流变换电路、电流输出的BIT检测电路、电流输出的开路检测电路。

电压/电流变换电路由两片运放形成的反馈电路以及两个三极管形成的推挽电流电路组成,R4和R5并联用来匹配外部的负载电阻,流经的电流ICD即为输出电流。设电阻R4、R5上端电压为V1,下端电压为V2,运放N2输出电压为VOUT,DA的输出电压为VDA,根据放大器的“虚短”“虚断”特性可得如下关系式:

2)电流输出的BIT检测电路是将运放N2输出电压通过分压线性缩小到2.5 V之内,并通过一个电压跟随器将结果CD—BIT回采至模拟量采集电路,用来做自检BIT。

3)电流输出的开路检测电路将输出电流端并联大电阻R14和R15。当外部输出通路时,开路检测电路相当于断路,开路检测信号CD—0PENBIT无输出;而当外部输出断路时,输出电流只能流入开路检测电路,此时开路检测信号CD—0PENBIT有输出,实现开路检测的功能。

2电路优化方法

2.1逻辑控制开关

由上文分析可知,传统的电流驱动电路受DA输出的电压值控制,在正常工作情况下,由软件控制DA输出,但是在软件复位、初始化等特殊条件下,DA芯片有概率不受控或被错误控制,使电流驱动电路仍在输出电流,被控执行机构如电磁阀等将会误动,极大地威胁飞行安全,因此需要考虑在电路中设置开关,确保该电路在可靠稳定的情况下输出,提高电路的安全性。采用图2所示的逻辑控制电路实现对电流驱动电路的开关保护。

当逻辑开关为高(5 V)时,场管V4截止,电流驱动电路上输出的信号不受逻辑控制电路的影响,此时电流输出电路按上述工作原理正常工作;当逻辑开关为低(0 V)时,场管V4导通,电流驱动电路上输出的信号被拉低,此时电流驱动电路无法正常工作,输出电流几乎为0。

2.2开关型电流驱动电路

将逻辑控制电路与电流驱动电路组合成开关型电流驱动电路,如图3所示(省去开路检测和BIT检测部分)。

理论上R2左侧电压被拉低至0 V,通过后方电流驱动电路后,输出的电流为0。实际上,三极管V4的VCE之间有压降,且E端接地,因此,R2左侧(即三极管C端)仍有电压值,该电压进入电流驱动电路后,电路仍有微弱电流输出。该开关型电流驱动电路达不到逻辑开关关闭时无电流输出的效果。

2.3改进的开关型电流驱动电路

为确保当逻辑控制电路为“关”时进入电流驱动电路的电压值为0,采用图4所示改进的开关型电流驱动电路。改进思路为在DA输出和电流驱动电路之间增加一级运放,利用运放的输出特性,确保输出至电流驱动电路的电压值为0;同时将逻辑控制电路最后一级的三极管更换为场管,减小管内的压降。

三极管更换为场管,V4的UDS值更小,理论上更接近为0,这样R2左端电压更接近0,则输出电流值更小。但是实际上UDS不可能为0,因此可在N3正端通过分压得到一个与V4的UDS值相当的电压值(可略小,这样最终输出的电流为负值,也可以让执行机构不工作),这样通过运放的输出特性可以使进入电流驱动电路的输入为0,即后端输出的电流值为0。

为使关断效果更好,应使运放输出电压尽可能地小,即使R23/R24的比值尽可能地小,也可以进一步调整R25/R26的比值,不过会影响逻辑开关开启时输出的精度。

3电路仿真与试验验证

3.1电路仿真结果

基于Multisim平台[3],搭建上述2.2节、2.3节的电路,仿真的电流结果见图5、图6标注。

由仿真结果可以看出,开关型电流驱动电路可以实现当逻辑控制为“关”时,DA输出不影响电流驱动,输出电流很小。而对比之下,改进的开关型电流驱动电路在“关”状态下,输出电流更小,几乎为0,具有更高的安全性。

3.2电路试验验证

按照改进的开关型电流驱动电路搭建测试电路进行试验验证,部分电阻之间的关系如下:

其中负载电阻阻值并不影响采样精度,但若负载电阻过大,在三极管驱动能力饱和后将无法输出较大的电流值,因此采用外接负载电阻50Ω。试验验证通过设定不同的DA输出电压值对负载电阻上的电流进行检测,数据如表1所示。

由表1测试结果可以看出,本文提出的开关型电流驱动电路具有输出稳定、可调和安全性高的特点。

4结束语

本文提出的改进开关型电流驱动电路具有输出值可精确调节的特点,同时引入逻辑控制功能,能准确控制电流输出。在航空发动机控制系统等需要高安全性的系统中,该电路可以在软件复位或初始化过程中,通过逻辑控制保证此时无电流输出,执行机构不会误动作,提高了在特殊情况下整个系统的安全性。该电路具有广泛的应用空间,已在某型发动机电子控制器中得到应用验证。