基于压控电流源的磁粉离合器控制电路设计与实现

曾 锋，左 强

（1.北京青云航空仪表有限公司，北京 101300；2.空军装备部驻北京地区第五军事代表室，北京 101300）

0 引 言

磁粉离合器的打滑力矩与流过的电流成正比，其在航空的油门执行机构中通常用于力矩打滑，是油门类产品中一种重要的装置。由于磁粉离合器打滑力矩具有离散的特点，因此需要针对每个离合器分别进行电流调节。传统的磁粉离合器电流调节是通过手动调节电路中电位计的方式来实现，调节时存在精度不高、时间较长等问题，而且每个离合器只能搭配对应调节好的电路进行使用，产品维护时互换性较差。本文提出了一种基于压控电流源的磁粉离合器控制电路，控制电路能够通过更改软件参数的方式实现磁粉离合器电流调节，调节时间较短，后期维护也十分方便。

1 传统磁粉离合器方案

传统磁粉离合器的控制电路如图1所示。

图1 传统离合器控制电路

根据电路推导出电流Iout的公式为

式中：Uout为Q1发射极的输出电压；Uce为Q1的集电极和发射极电压差；∆U为稳压电路两端固定电压差；Ube为Q1基极和发射极的电压差，工作时恒为0.7 V；R1为固定的限流电阻阻值，目的是防止电流过大；Rp为电位计的阻值。电路工作时，Q1处于饱和输出状态，Uce为定值，Iout随Rp的变化而变化[1]。

这种控制电路的优点是调节方式简单，适用于离合器力矩指标不太精确的情况。与此同时，该电路缺点也很明显，其电流通过手动调节电位计Rp值的方式来实现，前期调节完成后再使用就需要拆卸产品手动对电位计进行调节，维护十分不便。

2 压控电流源方案

2.1 基本型压控电流源方案

为了解决传统电路需要手动调节和后期维护不方便的问题，采用压控电流源的控制电路设计方式，通过软件程序实现电流调节。常见的基本型压控电流源电路如图2所示[2]。

图2 基本压控电流源电路

处理器控制数模转换器（Digital to Analog Converter，DAC）输出电压，通过改变DA输出电压，控制后端压控电路的电流输出。后端压控电流源电路主要由1个运算放大器（以下简称运放）、1个PNP三极管以及电阻构成，该电路电流输出公式为

式中：UDD为供电电源；Uin为DAC输出电压；RS为电流源的敏感电阻。

理论上，基本型压控电流源电路能通过调节Uin来调节输出电流I'out，实现了电流的软件可调。但是在实际应用中，UDD电压是直接采用机上供电的直流电源，该电源电压值在18～32 V波动，并不是一个稳定值。根据式（2），输出电流I'out会受到UDD的波动而变化，无法达到电流稳定输出的目的，从而影响磁粉离合器的打滑力矩。

2.2 改进的压控电流源方案

本文设计了1种改进的电流源电路，克服了基本型压控电流源电路电流输出受电源波动影响的问题。本电路采用2级压控电流源电路的设计方式，在基本型压控电流源上增加了少量元器件，实现了电流源的电流输出稳定和输出电流值的软件可调[3,4]。改进的压控电流源电路原理如图3所示。

图3 改进的压控电流源电路

图 3中，R1、N1、RS1、M1（N沟 道 MOSFET晶体管）构成了第一级电流源，RS2、N2、RS3、M2（P沟道MOSFET晶体管）构成了第二级电流源。第一级电流源中，Uin为电压输入端，由处理器控制数模转换器输出，电压通过电阻R1连接到运放N1的正端，即U1+=Uin。根据电流源原理，N1负端的电压为

流过RS1的电流为

由于流过RS2的电流与流过RS1的电流一致，并且根据电流源工作原理可知运放N2的负端电压与正端电压相等，因此运放N2的输入端电压为

根据电路原理，流过RS3的电流为

将式（3）、式（4）、式（5）分别带入式（6），计算得到

由式（7）可知，输出电流I''out与输入电压成正比，且电流输出大小与电源电压无直接关系，不受电源电压波动的影响。

3 仿真分析

建立电路仿真模型，通过Multisim软件进行功能仿真分析。磁粉离合器在电路中等效于一个理想电感L1和一个电阻RL串联，模型如图4所示。

图4 改进的电流源仿真模型

根据磁粉离合器的实际负载参数，设置纯感性负载L1=330 mH、直流阻抗RL=107 Ω。根据实际应用情况，设置电流源电路的RS1=3.3 kΩ、RS2=4.7 kΩ、RS3=47 Ω。Q1采用小型N沟道MOSFET晶体管2N7002，Q2采用大功率P沟道MOSFET晶体管IRF5210，运放采用通用型运算放大器LM158。根据式（7），可以得到I''out为

通过仿真调整Uin值，可以得到不同的电流输出值仿真结果。在某型号的磁粉离合器控制电路上采用该设计，数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI）控制DAC的输出电压Uin，从而控制电流源电路的输出电流，在电路中串联电流表对电流进行测试[5,6]。通过更改DSP软件参数，在常温下选取了9个点对输出电流值进行测试验证，仿真结果如表1和图5所示。

图5 测试结果曲线

表1 仿真结果

测试结果表明，该电路的实际值和理论计算值基本重合，电流控制精度高。此外，电路输入和电路输出的线性度良好，电路性能完全能够满足磁粉离合器的控制需求。

4 结 论

基于改进型压控电流源的磁粉离合器控制电路保留了电流的软件可调优点，同时也避免了基本型压控电流源电路受电源波动影响的问题。该电路极大地方便了磁粉离合器的调节和维护，可以应用于不同状态的磁粉离合器，减少了装配的适配环节。除此之外，该电路也适用于对电流控制精度有较高要求的磁粉离合器控制场合。