伺服放大器设计与仿真分析

李玲珑 霍良青 张奇峰 孙 斌

(机器人学国家重点实验室中国科学院沈阳自动化研究所1，辽宁 沈阳 110016;中国科学院研究生院2，北京 100039)

0 引言

随着电液伺服控制技术的迅速发展，作为辅助设备，电液伺服阀的应用范围也不断扩展，覆盖从民用机械到精密航天设备等关键国民经济领域［1］。然而，在实际的电液伺服控制系统中，由于传感器采集的信号比较微弱，导致控制器输出功率低，不能直接驱动后续电液伺服阀，因此，在控制器与电液伺服阀之间需配用伺服放大器，将弱电信号放大成强电信号来控制电液伺服阀。伺服放大器主要由两部分组成，前置级为电压放大电路，功率级为电流负反馈放大电路。伺服放大器的作用是将偏差电压信号(输入指令电压信号与系统反馈电压信号比较所得)加以运算和放大，输出一个与偏差电压信号呈一定函数关系的控制电流;将电流输入伺服阀力矩马达线圈，以驱动电液伺服阀［2］，从而控制阀芯开口度大小，起到限幅保护作用。

1 伺服放大器设计

1.1 设计要求

1.2 电路设计

伺服放大器主要电路包括:调零电路、前置放大电路、跟随电路、震颤信号发生电路和功率放大电路，整个放大器的结构如图1所示。

图1 伺服放大器电路结构框图Fig.1 Block diagram of the structure of servo amplifier circuit

①调零电路。通过在前置端叠加可调电压，调节电路基准电压［4］。由于工作环境的变化，当输入力矩马达线圈电流为零时，电液伺服阀可能会产生一个较小的流量输出，降低了伺服控制系统的稳态精度。通过调节电位计R1进行零点补偿，可以有效克服电液伺服阀零漂的影响，提高系统性能。

伺服放大器各功能模块的电路原理如图2所示。

图2 伺服放大器电路原理图Fig.2 Schematic diagram of the servo amplifier circuit

②前置放大电路。将输入指令信号和反馈信号比较所得偏差信号进行运算放大。电路中U1和U2分别为输入信号和反馈信号。通过调节电位计R2改变电路的电压增益，以适应后续功率放大电路的需要。

③跟随电路。由于电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低［5］，因此，其对前置放大电路等效为开路，对功率放大电路等效为一个恒压源，有效实现了两级电路隔离，使得前置放大电路输出电压不受后级功率放大电路阻抗变化的影响，保持了电路的稳定性。即使出现大偏差信号，电压跟随器最大输出电压始终小于电源电压15 V，确保了放大器输出电流始终小于2倍的电液伺服阀额定电流，实现了电路限流保护。

④震颤信号发生电路。由于电液伺服阀中阀芯与阀套间存在一定的静摩擦力［2］，使得电液伺服阀存在一定大小的分辨率。当输入电流的变化值小于电液伺服阀的分辨率时，阀输出流量不变。为了改善电液伺服阀的特性，在电液伺服阀的输入信号中叠加电流震颤信号［6］，信号频率为 100 ～400 Hz，峰-峰值为 10% ～ 20%的阀额定电流。根据三角波信号发生器的原理分析［5］，该电路中信号频率f=(CfR17R14)(4UZR15)，峰-峰值A=4UZR15R14，其中UZ为稳压管稳定电压。这样便可以调节电位计R14、R15和R17获得满意的震颤信号，减小摩擦力对阀的干扰，消除卡涩现象［2］。该电路只在阀响应不稳定的情况下才接入电路。

⑤功率放大电路。功率级放大电路是伺服放大器的核心部分［7］，其将输入的电压信号转化为恒流电流信号输出，输出电流大小不受电液伺服阀线圈阻抗变化影响［8］，始终与偏差信号电压呈一定函数关系，保证电路输出足够的功率，以驱动负载。

1.3 电路相关计算

如图2所示前置放大电路，设输入信号为U1，反馈信号为U2，输入电阻R2=R3=R4，根据理想运算放大器的反馈原理，有:

式中:I3=(U1－U+)/R3、I4=(U2－U+)/R4和 I5=(U+－U3)/R5分别为通过电阻R3、R4和R5的电流，从而可得:

课堂预习对于课堂学习的效率有着很大的影响.在高中数学学习中，为了更好地融会贯通课堂之上教师所讲的，要求高中生在数学课堂之前，对教材有一个初步的了解.因此，教师在数学教学过程中，在前期强制要求学生要课前预习，带着问题上课堂，并且将每节课的预习成果用文字表示出来，好记性不如烂笔头，一是为了督促学生养成课前预习的习惯，二是为了让学生对即将课堂所学的教学内容有初步的认识与了解，加深自己对数学知识的印象.

根据跟随电路原理，输入阻抗无穷大，可得:U3=U4=U5。对于功率放大电路部分，为了使功率级输出电流与输入电压信号呈线性关系，采用电阻R12与电液伺服阀线圈串联，并将线圈上的电压经电阻R11反馈到放大器的反相输入端。由于反馈电压是由电流产生的，因此该放大器被称为电流负反馈放大器［6］。引入电流负反馈以后，相对负载变动，伺服放大器趋向于恒流源。输入电阻R8=R9，根据理想运算放大器的反馈原理可以得到:

由基尔霍夫定律、欧姆定律可知:

式中:I11、I12和IL分别为通过电阻R3、R4和负载线圈的电流，综合式(2)～(4)可以得到叠加输入信号与负载电流的线性关系式为:

2 伺服放大器电路特性分析

2.1 OrCAD10.5 仿真软件介绍

Cadence公司的OrCAD软件是世界上应用最广的EDA软件之一，它集成了电路原理图绘制、印制电路板设计、数字/模拟电路仿真、可编程逻辑器件设计等功能［9－10］。它为用户提供了一个庞大的元器件数据库，利用库中元器件对设计的电路进行直流分析、交流小信号分析、瞬态分析和蒙特卡罗分析及最坏情况分析等仿真，结果与理论计算非常接近。

2.2 电路特性分析

根据电路原理图，在OrCAD软件中建立模拟电路模型，对设计电路进行仿真分析。为了减小放大电路电源电压的波动对阀的影响，提高阀的灵敏度，电液伺服阀的两组线圈采用差动工作方式［8］。仿真时，线圈可以等效为由电阻RL=700 Ω和电感L=3 H串联组成的感性阻抗。

2.2.1 线性特性

未加入震颤信号时，伺服放大电路输出±10 mA电流的直流扫描分析仿真示意图如图3所示。由图3可知，当偏差信号在±10 V范围内变化时，输入电压与输出电流呈严格的线性变化。

图3 输入电压与输出电流直流扫描仿真Fig.3 DC sweep simulation of input voltage and output current

2.2.2 频率特性

在未接入震颤信号下，分别进行输出±10 mA电流下的电路交流小信号分析，如图4所示。从图4可以看出，在一定的频率范围内伺服放大电路的输出恒定，当频率继续增大到一定值时出现峰值，而后迅速衰减。该电路频带较宽，对伺服阀的动态影响非常小，完全满足设计要求。

图4 输出电流的交流小信号分析图Fig.4 Current analysis of AC small-signal output

2.2.3 时域特性

对输出±10 mA伺服放大器电路进行瞬态分析。当输入电压为±10 V时输出电流的波形如图5所示。由图5可以看出，此放大电路响应迅速、电流稳定。

图5 输出电流波形Fig.5 Output current waveforms

3 伺服放大器电路特性分析

将伺服放大器电路制成PCB样板，在放大器输出端与电阻RL之间连入电流表。输入－10～+10 V之间的阶跃电压信号时，输出电流随时间有缓慢变化(运算放大器的温漂等因素影响)［6］，且与输入电压呈比例关系，测试结果与仿真计算完全符合。测试得到的电液伺服阀输入电压和输出电流数据如表1所示。

表1 伺服放大电路输入输出数据Tab.1 Input and output data of the servo amplifier

4 结束语

采用电路仿真软件OrCAD对伺服放大器电路建模，并进行了线性特性、频域特性和时域特性分析，为电路的设计、元件的选择提供了理论依据，使得伺服放大器的研发周期缩短，性能得到改善。测试结果表明，系统输出电流稳定、线性度好、响应迅速，满足FF102电液伺服阀驱动的需要，具有实际的工程应用价值。

［1］杨逢瑜.电液伺服与电液比例控制技术［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［2］梁利华.液压传动与电液伺服系统［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2005.

［3］董选明，裘丽华.基于LH0041的伺服电流放大器电路设计［J］.电子技术应用，1998(7):30－32.

［4］周恩涛.伺服放大器的设计及特性仿真［J］.机床与液压，2006(2):113 －115.

［5］秦曾煌.电子技术［M］.5版.北京:高等教育出版社，1999.

［6］谢小平.伺服功率放大器的设计［D］.成都:电子科技大学，2007.

［7］纪亚非，钱康，宋江斌.多功能高品质伺服放大器的设计［J］.工业仪表与自动化装置，2006(1):54－56.

［8］李言军.电液伺服/比例放大器的研究［D］.杭州:浙江大学，2007.

［9］刘湲.Pspice电路设计与实现［M］.北京:国防工业出版社，2005.

［10］卢云丹，陈新元，曾良才.基于Multisim的伺服放大器的特性分析［J］.仪表技术，2007(10):43－44.