高感电磁阀驱动恒流源的设计

李佳鑫，朱玉玉,2，林茂松

（1.西南科技大学 信息工程学院，绵阳 621000；2.电子科技大学 自动化工程学院，成都 610054）

0 引言

电磁阀在核工业中应用广泛，在反应堆棒控系统中作为重要的执行单元，用以完成控制棒的提升、保持、下插等动作，实现对反应堆反应性以及功率特性的控制功能[1]，其准确性及可靠性决定了反应堆控制的实时性和准确性，关系到反应堆的正常运行和安全。清华大学10MW高温气冷堆、中国先进研究堆CARR采用基于IGBT和可编程控制器PLC控制台方式[2～5]实现电磁阀驱动，其具有良好的运行可靠性、动作响应迅速，但动态调节能力略有不足，控制精度不够高，开发成本高，对电磁阀负载特性有一定的限制要求。文献[6]指出电磁阀驱动因采用电压开环控制的不可靠性而加入电流反馈控制，但输出电流纹波较大。

针对核工业对电磁阀驱动稳定性、准确性的要求，本文设计一款由STM32控制实现可调节的高感电磁阀驱动恒流源。该恒流源在硬件上采用模拟与数字混合电路设计[7]，软件上采用电压-电流环双PID算法，实现高精度恒流输出调节功能。

1 系统结构

图1为DC/DC恒流源总体结构框图，主要包括DC/DC全桥变换器、稳流控制模块、按键、数码管及ARM控制器。ARM控制器获取按键设置参数，产生控制信号来驱动全桥DC/DC变换器和稳流控制模块输出恒流并在数码管上显示。

图1 DC/DC恒流源总体结构框图

2 电路设计与分析

2.1 全桥DC/DC变换器主电路设计

根据电磁阀在核工业的应用需求，设计了一种全桥DC/DC变换器拓扑，如图2所示。输入电压范围为315≤Vin≤385V，采用4个N沟道增强型功率MOSFET组成全桥开关管Q1～Q4，变压器T1的变比为n=1:1.2，电感L1和输出电容Cout形成输出滤波器。Q1、Q4和Q2、Q3两对桥臂交替各导通不超过180°，占空比D变化范围为0～50%，可控制输出满足要求的直流电压给到负载，全桥DC/DC变换器的输入和输出电压关系为：

其中，占空比D=ton/ T（0＜D＜0.5）。

图2 全桥DC/DC变换器拓扑

2.2 稳流电路设计

稳流电路是恒流源系统实现高稳定输出的基础，核心电路基于串联负反馈式非线性调整的恒流源电路，其基本原理是通过电流负反馈改变与负载串联的调整管（功率NMOSFET）的内阻来调整输出电流的变化。由于采用了场效应管作为调整管，恒流系统不受运算放大器的最大输出电流限制而获得较大的输出电流。图3为串联负反馈式稳流电路。

图3 串联负反馈式稳流电路图

稳流电路主要由高精度运算放大器A1、A2，反馈放大器M1、调整管Q0及其外围电阻、电容组成。为了实现高精度稳定控制，运放A1、A2选用80nVpp低噪声、0.2 μV/°C低温漂的高速精密运算放大器OP37。稳流电路的工作原理：采样电阻Rs对输出电流Iout（由于负载和调整管Q0串联，所以Is=Iout）进行采样，将电流信号转化成电压信号并通过反馈放大器M1得到反馈电压Vs。反馈电压Vs与经过电压跟随器A1之后的恒流参考电压Vref进行比较，其差值再经过积分器A2得到输出电压Vo2。由于调整管Q0是场效应管，即电压控制型器件，通过改变栅源电压Vgs来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小；简而言之，通过Vo2的大小对输出电流Iout进行调整控制。

假设A1、A2均为理想运算放大器，A1作为同相电压跟随器根据虚短、虚断原则可得：

因电压跟随器的输入电阻Ri→∞，输出电阻Ro→0可知当负载变化时，输出电压Vo1几乎不变，从而消除了负载变化对输出电压Vo1的影响。

A2作为积分电路，利用理想运放的特性可得：

整理可得：

其中τ=R3×C1为积分时间常数。

图4 反馈放大电路

反馈放大器M1实现负载电流信号采集、转换、放大功能。其由两个同相输入连接的运放A3、A4构成的一级差分放大电路和运放A5构成的二级差分放大电路组成，如图4所示。M1作为稳流系统的反馈环节，稳定性和准确性是稳流系统稳定工作的关键，所以A3、A4、A5选用低噪声、低温漂、额定温度范围为-55℃～125℃的高精度运算放大器AD708S。在一级电路中，Vb、Vc分别为A3、A4的同相端输入，R4和两个R5构成负反馈网络，根据理想运放的虚短、虚断原则，可知：Vb=Vn3，Vc=Vn4和in=0，故而可得到关系式如下：

由式(7)～式(9)得：

同理，二级差分电路输出电压方程为：

选取阻值满足R9/R8=R7/R6的关系，输出电压可简化为：

由式(10)、式(12)得：

反馈放大电路的电压增益为：

当A3、A4两输入端有相同的干扰电压vic时，反相端也有相等的干扰电压vn3=vn4=vic，使流过R4的干扰电流为零，故在电阻R5上没有干扰电流，一级放大电路不对干扰信号进行放大，即A3、A4输出端的干扰电压为voc3=voc4=vic。在二级差分放大电路中，A5只会放大Vo3-Vo4的差分信号，输入端的干扰信号将相互抵消，即voc3-voc4=0。此反馈放大电路M1抑制干扰信号能力强。同时，当阻值R8=R9时，可通过选择电阻R4、R5的比值来调节M1的电压增益AMv。

恒流系统稳定工作时，恒流参考电压Vref和反馈电压V_s相等，可得到关系式如下：

由上式分析可知，AMvRs为定值，通过改变恒流参考电压Vref来调节恒流系统稳定输出电流Iout。为保证检测精确度，R4、R5和Rs选择低温漂的精密薄膜电阻，R4=2kΩ，R5=99kΩ，Rs=0.1Ω。由此，可以得到具体的恒流参考电压Vref和输出电流Iout的数学关系式：Iout=0.1×Vref。同时，为了提高输出电流精度，本文选用一款4ppm℃低温漂、16位D/A转换器DAC8563。STM32处理器通过同步串行接口SPI控制DAC8563获得精密电压输出Vref，其数学表达式为：

式中，Din为数据码，取值范围为0≤Din≤2n-1，模数转换位数n=16，D/A转换器基准源VREF=5V。

调整管Q0作为恒流系统的被控对象，需工作在饱和区实现恒流输出，应满足以下条件：1）栅源极电压大于等于开启电压，即VDS≥VTN；2）漏源极电压大于栅源极电压与开启电压的差值，即VDS＞VGS-VTN。由于在饱和区，可近似看成iD不随VDS变化而受VDS控制。因此，可得到恒流区的工作电流iD表达式为：

调整管Q0选用IRFP460型N沟道增强型场效应功率晶体管，它的导通电阻约0.2Ω，最大工作电流不超过300mA，所以导通损耗较小;开启延时为23ns，关闭延时为150ns，而上升下降时间均为70ns左右，它的开关速度快；漏极脉冲电流最大可达80A，对瞬间短路电流具有较强的承受能力；结区温度范围是-55℃～150℃，满足核工业的工作环境要求。

3 恒流系统控制策略分析

3.1 恒流输出时序

恒流输出时序如图5所示。Imax表示输出最大值,其调节范围为200mA～300mA，设置步进为10mA；Imin表示输出最小值，调节范围为100～200mA，设置步进为10mA；t1～t2表示恒流建立阶段，时间为t1～t2≤100ms；t2～t3表示最大电流维持阶段，时间为200ms≤t2～t3≤600ms，设置步进为10ms；t3～t4表示恒流再调节阶段，时间为t3～t4≤50ms；t4以后表示恒流输出常态阶段。

图5 恒流输出时序

3.2 恒流控制系统结构

恒流驱动电源主要功能是为作为高感负载的电磁阀提供所需恒定的驱动电流，为了实现稳定、高精度的电流输出，需注意以下几个问题：

1）由于电磁阀内部阻抗差异和高温对电磁阀阻抗的影响，所以需要调控全桥DC/DC变换器输出合适的驱动电压，否则，造成驱动电压-输出电流不匹配问题甚至烧毁器件。

2）考虑到稳定性和损耗问题，调整管需保持工作在饱和区，其漏源极压差不宜过大，否则会发热发烫甚至毁坏器件。

根据以上问题，本文提出一种恒流“粗-细”调节控制策略，如图6所示。在恒流“粗”调节阶段，采用电压控制，调整管Q0漏源极参考电压为Vdsref，漏源极反馈电压为Vds，误差通过PI控制器得到调制信号PWM，再通过PWM细化输出器控制DC/DC变换器提供平滑的驱动电压Vout。在恒流“细”调节阶段，采用电流控制，恒流输出参考电流为Iref，负载反馈电流为Is，误差通过PI控制器得到调制信号WCC，再通过WCC细化输出器控制D/A转换器DAC8563输出精密的恒流参考电压Vref。启动器为恒流“细”调节控制开关，根据调整管Q0的漏源极电压和负载电流大小进行控制。细化输出器对调制信号再细化输出处理，减小驱动电压、负载电流在短时间内变化过大而产生大的反向电压的影响。

图6 恒流“粗-细”调节控制策略

3.3 恒流系统控制流程

系统采用“粗-细”调节控制策略，对恒流输出四个阶段进行控制，如图7所示。

图7 系统控制流程图

4 仿真结果

根据稳流电路设计原理和恒流控制策略，在MATLAB/Simulink平台下搭建仿真模型，验证恒流效果，如图8所示。积分电路A2中R3=1kΩ、C1=4.7uF；反馈放大器M1增益为100；反馈电阻Rs=0.1Ω；电磁阀等效负载L=8H、RL=680Ω；调整管Q0根据数据手册建模。

图8 恒流源仿真模型

恒流系统在“粗-细”调节控制下的恒流效果，如图9所示。从图9(a)中看出，在恒流建立阶段和再调节阶段，调整管漏源极的压差最大不超过80V，而在其余阶段，压差基本上保持在10V以下，调整管保持工作在饱和区。图9(b)是恒流输出波形，从图中可以看出输出电流稳定、无振荡现象，其最大电流值为300mA，最小电流值为250mA。

5 实验结果

本文采用型号STM32F429的ARM处理器作为控制芯片，通过按键设置恒流参数，可以方便的控制恒流源输出波形。测试时恒流源输入电压350V DC,用鞍山电磁阀与滑动变阻器模拟核工业中电磁阀负载，其电感值8H，电阻值范围为650Ω～1360Ω。在输出100mA～300mA范围内，不同负载电阻情况下，每隔10mA为一组数据，每组进行20min稳定性测试，共测试200组，部分测试数据如表1所示。从表1可以看出输出电流相对误差均低于0.2%。

下面为三组典型值的恒流波形，电流最大、最小值分别是图10(a)300mA～200mA、图10(b)250mA～150mA、图10(c)200mA～100mA，如图10所示。

图9 恒流控制效果

表1 恒流测试数据

图10 恒流波形

为验证恒流系统的稳定性，本文从输入电压变化、改变滑动变阻器阻值模拟电磁阀阻抗在高温环境下改变等方面进行测试，测试波形如图11所示。从图11(a)、图11(b)看出，无论是输入电压变化(315～395V)还是快速改变滑动变阻器阻值（691～812Ω），恒流源在“粗-细”调节控制下依然稳定输出电流，调整管漏源极电压保持在8V内，工作在饱和区，具有良好的稳定性和跟随性。

6 结语

图11 恒流稳定性测试

根据核工业对电磁阀安全稳定地运行的要求，设计了一款基于STM32的DC/DC恒流源。硬件上完成数字键控输入、可程控精密D/A转换、全桥DC/DC变换器、稳流电路等设计；软件上采用恒流“粗-细”调节控制策略，实现电压-电流双闭环PID算法动态调节。经过仿真和实验表明恒流源实现对高感电磁阀驱动电流100mA～300mA连续可调、稳定输出，对于宽输入电压、宽负载变化，系统具有良好的抗干扰能力和稳定性。