基于TL494磁流变减震器电压驱动电路设计与测试

基于

TL494

磁流变减震器电压驱动电路设计与测试

祝世兴金平何永勃

(中国民航大学,天津300300)

摘要:设计基于PWM集成芯片TL494的磁流变减震器励磁线圈的驱动电路。经试验测试,该驱动电路线性可控,响应时间小于1ms,在0～20V之间连续可调,最大输出功率15W,控制误差小于5%。关键词:磁流变减震器;PWM集成芯片;电压驱动中图分类号:U463

文献标识码:A

文章编号:1673-1980(2007)03-0130-04

0引言

磁流变减震器的工作原理是通过改变励磁线圈中的电流从而获得不同强度的磁场,使工作腔内磁流变液的流动特性发生变化,从而改变阻尼力大小。经典的磁流变阻尼器数学模型和实验结果都表明,控制电流与阻尼力之间为单调递增关系。根据振动情况,实时给磁流变减震器通上适当的控制电压,就能产生一定的阻尼力,实现减震控制。为此,需要设计一个输出可实时控制的DC-DC转换器。

为了获得连续可调的输出电压,可采取开关和模拟两种方式。(1)模拟方式。控制器输出的数字信号U经数模转换后,再经模拟功率放大电路放大后得到控制电压。(2)开关方式。控制器输出的是脉宽调制(PWM)信号,经功率放大后加在功率开关管(如双极晶体管、场效应管)的控制极上,通过调节主电路的导通时间达到输出不同电压的目的。相对于模拟方式,开关方式下工作的电压驱动器具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、调整范围宽等优点。

开关DC-DC转换器[2]的设计经历从分离元件到集成稳压元件,设计简单,性能更稳定。集成PWM控制器具有体积小、成本低,使用方便、性能指标高的优点。由于将调整管、PWM产生电路、驱动电路和保护电路都集成于PWM控制器中,这些电路的选择和设计变成了选择集成PWM控制器和外接元器件的计算,从而大大简化了稳压电源的设计。本文

收稿日期:2007-05-20

基金项目:国家自然科学基金(60572163)

[1]

中采用了TL494作为变换器的控制芯片。

1TL494芯片介绍

TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡

电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成[2]。图1是它的管脚图,其中1、2脚是误差放大器1的同相和反相输入端;3脚是相位校正和增益控制;4脚为间歇期调理,其上加0～3.3V电压时可使截止时间从2%线性变化到

100%;5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容;7

脚为接地端;8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管的集电极和发射极;12脚为电源端;13脚为输出控制端,该脚接地时为并联单端输出方式,接14脚时为推挽输出方式;14脚为5V基

图1TL494管脚图

作者简介:祝世兴(1958-),男,黑龙江省青冈县人,中国民航大学教授,中国力学学会流体传动与控制专业委员会委员,主要

从事民用航空和流体传动与控制方面的研究。

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祝世兴,金平,何永勃:基于TL494磁流变减震器电压驱动电路设计与测试

准电压输出端,最大输出电流10mA;15、16脚是误差放大器2的反相和同相输入端。

磁流变减震器的电流驱动电路原理图如图2所示。被控制量输出电压通过电阻分压转换为0～10V的电信号,作为闭环回路的反馈信号

[3]

2磁流变减震器的电压驱动器原理

,传送给

TL494的误差放大器1的同相输入端(IN+)。设定输

图2磁流变减震器的电流驱动器原理图

入信号是工控机DA口输出的0～10V的控制信号经过低通滤波电路接入TL494的误差放大器2的反相输入端(IN-)。反馈信号和设定信号通过TL494的误差放大器1进行比较放大,进而控制脉冲宽度。这个脉冲宽度变化的输出信号经过LC滤波电路平滑处理后,输出一个与脉冲宽度成正比的直流电压。这个电压就是磁流变减震器所需要的输出控制电压,用它去控制阻尼器线圈中的电流来改变磁场强度,从而改变减震器的阻尼力。

在转换器中用TL494的误差放大器1做为控制信号的输入,误差放大器2作为过流保护。R1、R3和C4组成了相位校正和增益控制网络。在本控制器中振荡电阻和振荡电容分别取37kΩ和0.001μF,工作频率选取芯片资料推荐频率30kHz。TL494的

UO=R5+R6UI

R5

(3)输出电路

(1)

TIP32(三极管)、R9、R10构成了开关电路,其中R9、R10作为三极管的偏置电路(见图3),在TL494管脚8输出的PWM信号作用下,保证三极

管导通时处于饱和导通,截止时能够迅速截止。输出的最大电流为2A,电源最高电压为24V,PWM脉冲频率为30kHz。因此调整管的耐压值应大于电源最高电压值的两倍以上,饱和导通电压和功耗要小,工作频率高于30kHz的PNP管。在此选取

TIP32B作为调整管。

OC脚(13脚)接地,输出采用并取方式,取自发射

级;整机电源取24V直流单电源。

(1)脉宽调制电路

外部控制信号经过由C1、C2、C3和R4组成的

RC滤波电路后送入TL494的管脚2,即误差放大器

反馈信号是通过输出电压1的反相输入端(IN-端)。

经过R9、R10分压后送入到TL494的管脚1,即误差放大器1的同相输入端(IN+端)。

(2)反馈稳压电路

用TL494的误差放大器1作为反馈电路。利用电阻R5、R6,将输出电压采样到TL494的IN1+端。

图3输出电路

(4)输出滤波电路和续流二极管

为了把开关电路输出的脉宽变化的方波信号转换为大小变化的直流信号,通过电感线圈L1、电容

IN1-端的参考电压由外部控制电压经R4输入。

输入输出关系式:

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L1220uH

D1

C6+C7+

DIDE

0.1uf

570uf

图4滤波电路

C6、C7进行滤波、平滑。续流二极管是在调整管断开

时,为电感和电容提供放电回路(见图4),需要电路工作在连续状态。

电路最大输出电压为20V,工作频率30kHz,最大输出电流为2A。最小占空比为2%。根据经验公式:

L=V2

O2P(1-D1)=202

c×2×30×103(1-20%)

Ofs2×20≈170μH

(2)

只要选取的电感大于Lc,就可以使电路工作在

连续状态。

输出电容由经验公式:

Cout=Imax×0.4f×V=2×0.4≈400(3)

rinpple30×103×50×10-3μF选取的电容只要大于Cout就可以。

为了减小导通损耗和开关损耗,续流二极管要选用肖特基二极管。

(5)过流保护电路

用TL494的误差放大器2作为过流保护输入。利用电阻R11,将输出回路输出电流采样到TL494的IN+端(16脚)。IN-端(15脚)的参考电压是由14脚输出的基准电压经电阻R7、R8分压后得到的(见图5)。调整R7的阻值,可以设定最大电流设定值。当输出电流变大,使得16脚上的电压大于15脚的参考电压时,电路发生反转,关闭脉冲过流从而实现过流保护。

具体关系式如下:

Imax=VrefR7R+R×R11(4)

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本文中选取Imax=2A。此处关键是选取R7、R8时应该考虑到基准电压的最大输出电流,以防过流。

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3工作过程与电路性能分析

当反馈信号大于控制信号时,通过TL494的脉宽调制作用,其9脚与10脚并联输出信号的脉宽减小,此输出信号再经整流滤波后,使最后输出的直流电压相应减小。通过电阻分压后得到的反馈信号电压降低,形成回路闭环控制。当反馈信号幅值小于设定值时,上述控制过程相反。另外,根据系统的具体情况,可调整输出滤波器的大小,使控制过程及时、准确、稳定。为使控制过程直观,还应加上设定量及被控制量的显示(指示)电路。可从两个输入端取出信号,然后分别通过隔离放大电路(如用运算放大器

组成的电压跟随器)送到表头指示。

图5过流保护电路

(1)控制精度

工控机DA口输出的电压范围是-10V~+10V,阻尼线圈的电阻为10Ω;电源最大输出电流为1A,故由(1)式得:

R5=R6=10kΩ

即:UO=2UI

通过实验,从DA口输入0~10V控制信号,得到UO输出电压如表1所示:

用Matlab画出的曲线如图6所示,从图中可以

表1控制电路实验数据

V

UIUOUIUO0.10.2025.511.20.51.07612.12

4.16.513.092.55.01714.0648.04816.124.59.11918.335

10.06

10

20.21

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4结论

利用PWM集成芯片TL494设计了磁流变减震器励磁线圈驱动电路,通过加电带载,连接实际磁流变减震器进行测试,得出以下结论:

(1)该电路的控制误差小于5%,带载能力达到

15W,响应时间小于1ms;连接磁流变减震器后作减

震器的力特性试验,控制效果理想,电路性能完全满足磁流变减震器的需要。

(2)电路采用电压驱动方式,即反馈信号是负载两端的电压。可以对流过负载的电流进行采样,这样电路就能根据需要变成电流驱动方式。

(3)开关电源工作时处于高频开关状态,必然会

图6驱动电路输入输出曲线

带来高频噪声,因此在与其它设备相连时,一定要加去藕电容,滤去高频噪声,以免给其它设备带来干扰。

参考文献

[1]余淼,廖荣昌,杨建春,等.磁流变阻尼器PWM快速控制

[J].中国机械工程,2002,(14):46-48.

[2]张薇,柳梁.TL494及其在开关稳压电源中的应用[J].仪表

技术,2002,(4):40-41.

[3]刘宝成,裴志利.利用TL494实现单回路控制器[J].电子技

术应用,2002,(12):65-66.

看到输入输出满足公式(1)的线性关系,说明电路达到设计要求。控制精度在2%以内。利用15Ω的假负载,做带载实验,输出UO=15V,输出电路IO=1A;观察电路,开关管发热,加散热片后,温度稳定。PWM控制芯片常温,电流输出电压稳定。

(2)响应时间

电路响应时间为1ms左右,考虑到实际工作时磁流变液的响应速度,这个响应时间能够满足需要。

DesignandTestoftheVoltageDriverCircuitfor

MRFluidDamperBasedonTL494

ZHUShi-xingJINPingHEYong-bo(CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300)

Abstract:BasedonPWMintegratedchipTL494,avoltagedriverisdesignedforMRFluiddamper.Experimentalresultsshowthatthedesignedvoltagedrivercircuitislinearandcontrollable,theresponsetimeisshorterthan1ms,itsoutputvoltagecanbecontrolledbetween0Vand20Vcontinuously,itspeakvalueofpoweroutputis15W,anditserrorcontrolislessthan5%.

Keywords:MRfluiddamper;PWMintegratedchip;voltagedrivercircuit

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