用于磁流变液体阻尼器的可控电流放大器

0 引 言

磁流变液体(Magneto Rheological Fluids)是一种新型相变材料。它是一种由高磁导率、低磁滞性的微小(微米甚至纳米级)软磁性颗粒和非导磁体液体混合而成的磁性粒悬浮液[1]。当无磁场时，悬浮的微粒铁颗粒自由地随液体运动；当施加磁场时，这些悬浮的微粒铁颗粒被互相吸引，形成一串串链式结构从磁场一极到另一极，此时磁流变液体就在毫秒级的瞬间由牛顿流体变成塑性体或有一定屈服剪应力的粘弹性体。当改变磁场线圈中的电流从而获得不同强度的磁场，磁流变液的屈服剪应力也发生变化，即在强磁场作用下，抗剪切力很大，呈现出高粘度、低流动性的液体特性；在零磁场条件下呈现出低粘度的特性。其剪切屈服强度与磁场强度(或电流大小)具有稳定的对应关系。正是磁流变液的这种流变可控性使其能够实现阻尼力的连续可变，从而达到对振动的主动控制目的。

磁流变液体属于国际研究前沿技术，在车辆、机械、航空航天、舰船、建筑等领域具有广泛的应用前景。磁流变液体技术越来越多地应用到振动的主动控制和扭矩传递场合，像冲击吸收器、防振动变阻尼器、凯迪拉克汽车的悬挂系统、大型建筑工程的抗震隔离装置、离合器、柔性夹具、光学器件抛光等，甚至在医学领域，人工义肢也采用磁流变液体技术[1-3]。LORD公司已经研制出了适用于Rheonetic系列磁流变器件的电流控制器RD-3002。它可以工作在手动调节和外加电压控制调节两种方式下，能与计算机或PLC构成闭环控制系统。RD-3002需要外加12 V/2 A的电源，输出电流为0～2 A，价格较贵[4]。文献[5]采用摩托罗拉公司MC68HC908GP32 MCU为核心设计了用于磁流变阻尼器的电流控制系统。文献[6]用美国TEXAS仪器公司推出的16位定点通用数字信号处理芯片为核心开发出精确可控的电流控制器。但这些研究与开发较为复杂，不能脱离计算机工作而且成本较高。在现场调试磁流变液体阻尼装置时尤为不便。

本文提出一种简便紧奏的可控PWM(脉宽调制)闭环电流放大器，具有精度高、线性度好、效率高、调试方便和成本低等特点，不仅可用于磁流变液体阻尼装置，也可用于任何电磁线圈电路、加热器或照明电路。

1 DRV系列PwM驱动器结构

电磁线圈的电流控制方法通常有电压控制和电流控制两种。电压控制法是调节线圈的端电压来控制通过电磁线圈的电流；电流控制法是在全额电压下改变电磁线圈的电流大小。由于负载变化，例如线圈电阻由于温度而变化，仅调控电压会带来电流误差。磁场强度正比于电流大小，而且阻尼缸要求反应很快。假定一个负载电阻是5 Ω，某时刻该负载需要1 A电流，对于电压控制型放大器，此时需要负载电压控制为5 V。对于电流控制型放大器，此时负载电压可能是12 V或更高，在一个信号脉冲输入的一瞬间，负载电流将超出1 A，然后回复到1 A。电流上升波形如图1所示。同样的线圈电流下，电流控制型放大器的电流上升时间明显小于电压控制型放大器的上升时间。这是由于全额电压下，电流型放大器能更快通过线圈，而且电流型放大器容易实现电流补偿。撤消信号脉冲后，两种类型的放大器波形基本重合，这是由于线圈放电成指数衰减的缘故。

传统的线性输出电源为电子系统提供了持续的电压；不过，这种供电方式工作在半导体器件线性区，将会造成大最的电能损耗。在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上寸，其效果基本相同。SPWM(正弦PWM)法就是以该结论为理论牲础，用脉冲宽度按正弦规律变化而与正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节电路输出电压的频率和幅值或调节电路输出电流。PWM采用数字输出方式驱动模拟电路，以获得最高的能源传输效率并节省功率并具有更高可靠性，可调控的PWM能够更精密地控制负载电流。

美国TExAs仪器公司专为驱动继电器、电磁线圈、电动执行机构、加热器及照明优化设计生产了PWM集成芯片系列，DRV103是其中之一，其尺寸为5 mm×6 mm,可调延时时间、可调振荡频率、可调占空比及价格低，使它广泛适用于各种场合。DRV103有开关驱动和连续驱动两种工作方式。DRV103能够设置为原始封闭模式，在这个模式下，能够自动地切换到省电方式。图2显示DRV103的简略框图及引脚。

脚1连接到一个比较器和一个电流源(=2.75ref而Iref=1.3V/Rfreq)。脚1可通过一个电阻RPWM接地，或连接一个模拟电压来调整占空比。这个模拟电压范围在1.3 V～3.9