比例控制放大器原理簡介

比例控制放大器是一種用來對(duì)比例電磁鐵提供特定性能電流，并對(duì)電液比例閥或電液比例控制系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)或閉環(huán)調(diào)節(jié)的電子裝置。它是電液比例控制元件或系統(tǒng)的重要組成單元。

一個(gè)完整的電液比例系統(tǒng)是由比例閥和比例放大器共同組成，比例放大器的作用是對(duì)比例閥進(jìn)行控制。它的主要功能是產(chǎn)生放大器所需的電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行綜合、比較、校正和放大。為了使用方便，往往還包括放大器所需的穩(wěn)壓電源、顫振信號(hào)發(fā)生器等。此外，還有帶傳感器的測(cè)量放大器等，其中校正和放大對(duì)電液比例系統(tǒng)的性能影響最大。

1．比例控制放大器的基本要求

對(duì)比例放大器的基本要求是能及時(shí)產(chǎn)生正確有效的控制信號(hào)。及時(shí)產(chǎn)生控制信號(hào)意味著除了有產(chǎn)生信號(hào)的裝置外，還必須有正確無誤的邏輯控制與信號(hào)處理裝置。正確有效的控制信號(hào)意味著信號(hào)幅值和波形都應(yīng)該滿足比例閥的要求，與電氣一機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置（比例電磁鐵）相匹配。為了減小比例元件零位死區(qū)的影響，放大器應(yīng)具有幅值可調(diào)的初始電流功能；為減小滯環(huán)的影響，放大器的輸出電流中應(yīng)含有一定頻率和幅值的顫振電流；為減小系統(tǒng)啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)的沖擊，對(duì)階躍輸入信號(hào)能自動(dòng)生成可調(diào)的斜坡輸入信號(hào)。同時(shí)，由于控制系統(tǒng)中用于處理的電信號(hào)為弱電信號(hào)，而比例電磁鐵的控制功率相對(duì)較高，所以必須用功率放大器進(jìn)行放大。

在比例控制系統(tǒng)中，對(duì)比例控制放大器一般要求：良好的穩(wěn)態(tài)控制特性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、頻帶寬，功率放大級(jí)的功耗小，抗干擾能力強(qiáng)并有很好的穩(wěn)定性和可靠性，較強(qiáng)的控制功能，標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。

實(shí)際上，比例放大器是一個(gè)能夠?qū)θ蹼姷目刂菩盘?hào)進(jìn)行整形、運(yùn)算和功率放大的電子控制裝置。

2．比例控制放大器的典型構(gòu)成

根據(jù)電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器的類別和受控對(duì)象的不同技術(shù)要求，比例控制放大器的原理、構(gòu)成和參數(shù)各不相同。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，放大器的元件、線路以及結(jié)構(gòu)也不斷改善。圖73所示是比例控制放大器的典型構(gòu)成。它一般由電源、輸入接口、信號(hào)處理、調(diào)節(jié)器、前置放大級(jí)、功率放大級(jí)、測(cè)量放大電路等部分組成。

圖74所示是一雙路電反饋比例控制放大器的結(jié)構(gòu)框圖。當(dāng)然，其他類型的比例控制放大器在結(jié)構(gòu)上與圖74有一定差別，尤其是信號(hào)處理單元，常需要根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。另外，根據(jù)使用要求，也常省略某些單元，以簡化結(jié)構(gòu)、降低成本、提高可靠性。

3．比例控制放大器的分類

比例控制放大器根據(jù)受控對(duì)象、功率級(jí)工作原理等的不同，可有多種分類方式，常見的有以下幾種類型。

(1)單路和雙路比例控制放大器。單路比例控制放大器，用來控制單個(gè)比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)工作的比例閥，如比例流量閥、壓力閥、單電磁鐵二位（三位）比例方向閥等。雙路比例控制放大器主要用來控制雙電磁鐵驅(qū)動(dòng)工作的三位比例方向閥等。雙路比例控制放大器工作時(shí)，始終只讓其中一個(gè)比例電磁鐵通電，這是三位比例方向閥工作所要求的。因此，它與下述雙通道比例控制放大器是完全不同的。

(2)單通道、雙通道和多通道比例控制放大器。單通道比例控制放大器，就是上述的單路比例控制放大器，只能控制一個(gè)比例電磁鐵。對(duì)于某些比例閥，如比例壓力流量復(fù)合閥、多路比例閥等，需要兩個(gè)或兩個(gè)以上比例電磁鐵同時(shí)工作，這時(shí)就需要配置相應(yīng)數(shù)量的單通道比例控制放大器。為減少比例控制放大器的數(shù)量，增加集中控制功能，將兩個(gè)或兩個(gè)以上比例控制放大器集中在一塊標(biāo)準(zhǔn)的控制板上，就構(gòu)成了雙通道或多通道比例控制放大器。因此，雙通道或多通道比例控制放大器能同時(shí)單獨(dú)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上比例電磁鐵。當(dāng)然，雙通道或多通道比例控制放大器并不是兩個(gè)或多個(gè)單通道比例控制放大器的簡單組合，而是在結(jié)構(gòu)上做了有機(jī)調(diào)整組合而成的，如公用電源等。

(3)電反饋和不帶電反饋比例控制放大器。電反饋比例控制放大器用來控制電反饋比例閥，也可作為某些閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器。不帶電反饋比例控制放大器用來控制不帶電反饋的比例閥，不能作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器。兩者在電路結(jié)構(gòu)上的最大區(qū)別是：前者設(shè)置有測(cè)量放大電路、反饋比較電路和調(diào)節(jié)器，但不一定有顫振信號(hào)發(fā)生器；后者沒有測(cè)放電路、反饋單元和調(diào)節(jié)器，但一般有顫振信號(hào)發(fā)生器。

(4)模擬式功率級(jí)和開關(guān)式功率級(jí)比例控制放大器。這是根據(jù)功率級(jí)不同的工作原理加以區(qū)分的。模擬式比例控制放大器屬于連續(xù)電壓控制式，功放管工作在線性放大區(qū)，比例電磁鐵控制線圈兩端電壓為連續(xù)的直流電壓，因而功耗較大。開關(guān)式比例控制放大器的功放管工作在截止或飽和區(qū)，即開關(guān)狀態(tài)，比例電磁鐵控制線圈兩端電壓為脈沖電壓，因而功耗很小。開關(guān)式比例控制放大器又可分為脈寬調(diào)制( PWM）、脈頻調(diào)制（PFM）、脈幅調(diào)制(PAM）、脈碼調(diào)制(PCM）、脈數(shù)調(diào)制(PNM）等多種形式，但常用的主要是PWM式。

(5)單向和雙向比例控制放大器。這是根據(jù)所控比例電磁鐵的類型而分的。單向比例控制放大器就是通常所稱的比例控制放大器，用來控制普通單向比例電磁鐵。雙向比例控制放大器用來控制雙向比例電磁鐵。單向與雙向這兩種比例電磁鐵的不同（雙向比例電磁鐵常制成帶主、副兩對(duì)線圈），決定了與之相適應(yīng)的比例控制放大器需要采用不同的功率放大級(jí)線路。

(6)恒壓式和恒流式比例控制放大器。這是按比例電磁鐵控制線圈上需要恒定信號(hào)不同所作的區(qū)分。與恒壓式相比，恒流式能抑制負(fù)載阻抗熱特性的影響且有較優(yōu)的動(dòng)態(tài)特性，因而比例控制放大器大多采用恒流式結(jié)構(gòu)。

(7)模擬式處理單元或數(shù)字式處理單元比例放大器。這是按信號(hào)處理單元所采用的電路性質(zhì)分類。傳統(tǒng)的比例放大器對(duì)輸入信號(hào)處理是采用運(yùn)算放大器所構(gòu)成模擬電路實(shí)現(xiàn)的。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，缺點(diǎn)是硬件電路復(fù)雜、靈活性差。隨著數(shù)字器件不斷發(fā)展，比例放大器中引入了微處理器單元。首先通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對(duì)外部輸入的模擬量信號(hào)進(jìn)行采樣，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)；其次由運(yùn)行于微處理器上的軟件完成對(duì)該數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)處理；最后將處理完畢的數(shù)字量信號(hào)由數(shù)字量輸出端口直接輸出給功率級(jí)，或通過數(shù)模轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為模擬量后輸出給功率驅(qū)動(dòng)級(jí)，具體輸出何種信號(hào)由采用的功率級(jí)形式?jīng)Q定。這種放大器的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理單元的靈活性好，可通過軟件實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的信號(hào)處理任務(wù)，而無需改變硬件電路。另外，數(shù)字式比例放大器除了提供傳統(tǒng)的模擬量接口和數(shù)字量接口以外，還可以提供各種總線接口如485總線接口及CAN總線接口等，這一特點(diǎn)符合電控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)。其缺點(diǎn)是穩(wěn)定性不容易做好，一旦由于外部干擾導(dǎo)致程序跑飛或復(fù)位，將會(huì)造成嚴(yán)重的錯(cuò)誤輸出。盡管如此，只要通過合理的設(shè)計(jì)，軟硬件系統(tǒng)是可以最大限度地減少故障率，因此，比例放大器的數(shù)字化是必然趨勢(shì)。