CN112162479B - 基于硬件的自适应模拟量冗余输出电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于硬件的自适应模拟量冗余输出电路，包括至少两个相互并联的模拟量输出单元，所述模拟量输出单元包括：DA转换器，用于对接收到的控制信号进行DA转换；单通道输出反馈电路，用于反馈对应所述模拟量输出单元的输出电流；总输出反馈电路，用于反馈全部所述模拟量输出单元的总输出电流；电流驱动电路，用于根据所述DA转换器、单通道输出反馈电路和总输出反馈电路的输出结果，提供所述模拟量输出单元的输出电流。本发明可以避免发生切换延时，控制信号突变导致的负载抖动或短时间失控等问题。

Description

基于硬件的自适应模拟量冗余输出电路

技术领域

本发明属于分散式工业控制技术领域，具体涉及一种基于硬件的自适应模拟量冗余输出电路。

背景技术

模拟量输出控制器(Analog Output Controller)是一种专门为在工业环境下应用而设计的电子装置，目前已广泛应用于工业自动化领域。在自动化系统中，模拟量输出接口是最常用的电气接口，通常通过模拟量输出接口来控制外部执行器动作。

在系统工作过程中，由于过载、浪涌、元器件老化等诸多原因可能会导致模拟量输出接口的模拟量输出结果出错，如果不能及时发现并排除这些故障，将会给工业生产造成无可挽回的损失。

对此，目前常用的做法如图1所示，对模拟量输出控制器采用冗余配置，即，同时配置两个模拟量输出控制器1'，其中一个作为主机，另一个作为备份。主机模拟量输出控制器通过在模拟量输出接口接反馈监控电路来实现对模拟量输出的监控，当监测到当前模拟量输出控制器输出异常时，切换到备份模拟量输出控制器输出。该方案需要借助MCU中集成的软件进行反馈和切换，会造成切换延时，同时由于控制信号突变，还会引起负载抖动或短时间失控；另外，随着冗余度的增加，MCU软件将变得非常复杂、切换时间增加，无法满足工程要求。

因此，如何设计一个可靠的模拟量输出控制器，避免切换延时，以及控制信号突变引起的负载抖动成为模拟量输出控制领域亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于硬件的自适应模拟量冗余输出电路，以避免发生切换延时，控制信号突变导致的负载抖动或短时间失控等问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于硬件的自适应模拟量冗余输出电路，包括至少两个相互并联的模拟量输出单元，所述模拟量输出单元包括：

DA转换器，用于对接收到的控制信号进行DA转换；

单通道输出反馈电路，用于反馈对应所述模拟量输出单元的输出电流；

总输出反馈电路，用于反馈全部所述模拟量输出单元的总输出电流；

电流驱动电路，用于根据所述DA转换器、单通道输出反馈电路和总输出反馈电路的输出结果，提供所述模拟量输出单元的输出电流。

在本发明一个优选实施例中，所述电流驱动电路的输出端串联有第一电阻；

所述单通道输出反馈电路包括第一电流传感器，所述第一电流传感器的第一输入端与所述第一电阻的一端相连，第二输入端与所述第一电阻的另一端相连，输出端与所述电流驱动电路的其中一个输入端相连。

在本发明一个优选实施例中，所述自适应模拟量冗余输出电路还包括：

第二电阻，其一端与每个所述模拟量输出单元的输出端相连，另一端与负载相连；

所述总输出反馈电路包括第二电流传感器，所述第二电流传感器的第一输入端与所述第二电阻的一端相连，第二输入端与所述第二电阻的另一端相连，输出端与所述电流驱动电路的另一个输入端相连。

在本发明一个优选实施例中，所述模拟量输出单元还包括：第一二极管，所述第第一二极管的阳极与所述第一电阻的另一端相连，阴极与所述模拟量输出单元的输出端相连。

在本发明一个优选实施例中，所述电流驱动电路包括：

第三电阻，所述第三电阻的一端用于接收所述DA转换器的输出结果；

第四电阻，所述第四电阻的一端用于接收所述总输出反馈电路的输出结果；

放大器，所述放大器的同相输入端与所述第三电阻和第四电阻的另一端相连，反向输入端接地；

第五电阻，所述第五电阻的一端与所述放大器的输出端相连；

第二二极管，所述第二二极管的阴极与所述第五电阻的另一端相连；

开关管，所述开关管的输入端与所述第二二极管的阳极相连并用于接收所述单通道输出反馈电路的输出结果，输出端为所述电流驱动电路的输出端。

通过采用上述技术方案，本发明相对现有技术具有如下有益效果：

本发明通过设置单通道输出反馈电路和总输出反馈电路进行两级反馈回路，可以实时反馈单个模拟量输出单元的输出电流以及所有模拟量输出单元的总输出电流；电流驱动电路又可以根据两级反馈的反馈结果实现电路的总电流输出补偿。在整个电路输出调节过程中，多个模拟量输出单元独立工作，共同完成输出调节，任何模拟量输出单元的输出发生变化，都将影响总电流输出，总电流变化反馈到其它模拟量输出单元后，将被其它模拟量输出单元补偿，从而可以保持总电流的稳定输出。与现有技术通过软件进行反馈和切换相比，避免了切换延时，以及控制信号突变引起的负载抖动或短时间失控等情况发生。

附图说明

图1为现有模拟量冗余输出电路的电路原理图；

图2为本发明基于硬件的自适应模拟量冗余输出电路的电路原理图；

图3为本发明电流驱动电路的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明提供一种基于硬件的自适应模拟量冗余输出电路，如图2所示，该电路包括至少两个(图中示出为三个)相互并联的模拟量输出单元1以及一个第二电阻R2。每个模拟量输出单元1分别包括：DA转换器11、单通道输出反馈电路12、总输出反馈电路13、电流驱动电路14、第一电阻R1以及二级管D1。其中，第二电阻R2的一端与各模拟量输出单元1的输出端分别相连，另一端与负载R_O的输入端相连。

如图2所示，在单个模拟量输出单元1中，各组件的连接关系如下：DA转换器11的输出端与电流驱动电路14的第一输入端in1相连；第一电阻R1的一端与电流驱动电路14的输出端相连，另一端与二级管D1的阳极相连；二级管D1的阴极与模拟量输出单元1的输出端相连；所述单通道输出反馈电路12包括第一电流传感器，所述第一电流传感器的第一输入端与所述第一电阻R1的一端相连，第二输入端与所述第一电阻R1的另一端相连，输出端与所述电流驱动电路14的第二输入端in2相连；所述总输出反馈电路13包括第二电流传感器，所述第二电流传感器的第一输入端与所述第二电阻的一端相连，第二输入端与所述第二电阻R2的另一端相连，输出端与所述电流驱动电路14的第三输入端in3相连。

在本发明中，DA转换器11用于对接收到的外围控制信号进行DA转换；单通道输出反馈电路12用于反馈对应所述模拟量输出单元1的输出电流；总输出反馈电路13用于反馈全部所述模拟量输出单元1的总输出电流；电流驱动电路14用于根据所述DA转换器11、单通道输出反馈电路12和总输出反馈电路13的输出结果，提供所述模拟量输出单元1的输出电流；第一电阻R1用于供单通道输出反馈电路12采样流过其中的电流；二级管D1用于约束电流单向输出；第二电阻R2用于供总输出反馈电路13采样流过其中的电流。

图3示出了本发明电流驱动电路14的一个优选实施例，如图3所示，电流驱动电路14包括：第三电阻R3，所述第三电阻R3的一端作为电流驱动电路14的第一输入端in1与DA转换器的输出端相连，用于接收所述DA转换器的输出结果；第四电阻R4，所述第四电阻R4的一端作为电流驱动电路14的第三输入端in3与总输出反馈电路13的输出端相连，用于接收所述总输出反馈电路13的输出结果；放大器V2，所述放大器V2的同相输入端与所述第三电阻R3和第四电阻R4的另一端相连，反向输入端接地；第五电阻R5，所述第五电阻R5的一端与所述放大器V2的输出端相连；第二二极管D2，所述第二二极管D2的阴极与所述第五电阻R5的另一端相连；开关管V1，所述开关管V1的输入端与所述第二二极管D2的阳极相连，并作为电流驱动电路14的第二输入端in2与单通道输出反馈电路12的输出端相连，用于接收所述单通道输出反馈电路12的输出结果，开关管V1的输出端为所述电流驱动电路的输出端out1。

综上所述，本发明通过设置单通道输出反馈电路12和总输出反馈电路13进行两级反馈回路，可以实时反馈单个模拟量输出单元1的输出电流以及所有模拟量输出单元1的总输出电流；电流驱动电路14又可以根据两级反馈的反馈结果实现电路的总电流输出补偿。在整个电路输出调节过程中，多个模拟量输出单元1独立工作，共同完成输出调节，任何模拟量输出单元1的输出发生变化，都将影响总电流输出，总电流变化反馈到其它模拟量输出单元1后，将被其它模拟量输出单元1补偿，从而可以保持总电流的稳定输出。与传统通过软件进行反馈和切换相比，避免了切换延时，以及控制信号突变引起的负载抖动或短时间失控等情况发生。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于硬件的自适应模拟量冗余输出电路，其特征在于，包括至少两个相互并联的模拟量输出单元，所述模拟量输出单元包括：

DA转换器，用于对接收到的控制信号进行DA转换；

单通道输出反馈电路，用于反馈对应所述模拟量输出单元的输出电流；

总输出反馈电路，用于反馈全部所述模拟量输出单元的总输出电流；

电流驱动电路，用于根据所述DA转换器、单通道输出反馈电路和总输出反馈电路的输出结果，提供所述模拟量输出单元的输出电流；

所述电流驱动电路的输出端串联有第一电阻；

所述单通道输出反馈电路包括第一电流传感器，所述第一电流传感器的第一输入端与所述第一电阻的一端相连，第二输入端与所述第一电阻的另一端相连，输出端与所述电流驱动电路的其中一个输入端相连；

所述自适应模拟量冗余输出电路还包括：

第二电阻，其一端与每个所述模拟量输出单元的输出端相连，另一端与负载相连；

所述总输出反馈电路包括第二电流传感器，所述第二电流传感器的第一输入端与所述第二电阻的一端相连，第二输入端与所述第二电阻的另一端相连，输出端与所述电流驱动电路的另一个输入端相连。

2.根据权利要求1所述的基于硬件的自适应模拟量冗余输出电路，其特征在于，所述模拟量输出单元还包括：第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述第一电阻的另一端相连，阴极与所述模拟量输出单元的输出端相连。

3.根据权利要求1所述的基于硬件的自适应模拟量冗余输出电路，其特征在于，所述电流驱动电路包括：

第三电阻，所述第三电阻的一端用于接收所述DA转换器的输出结果；

第四电阻，所述第四电阻的一端用于接收所述总输出反馈电路的输出结果；

放大器，所述放大器的同相输入端与所述第三电阻和第四电阻的另一端相连，反向输入端接地；

第五电阻，所述第五电阻的一端与所述放大器的输出端相连；

第二二极管，所述第二二极管的阴极与所述第五电阻的另一端相连；

开关管，所述开关管的输入端与所述第二二极管的阳极相连并用于接收所述单通道输出反馈电路的输出结果，输出端为所述电流驱动电路的输出端。

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