CN113612448A - 一种带有zvs软开关的数字式电液比例放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器，包括数字式比例放大器和比例阀，所述数字式比例放大器包括数字调节器、PWM驱动单元、零电压开关主电路和直流供电单元，电液比例控制系统的控制端、所述数字调节器、所述PWM驱动单元和所述零电压开关主电路依次连接，所述零电压开关主电路的输出端与比例阀的电磁线圈或线圈连接，所述直流供电单元的输入端与电液比例控制系统的直流供电端连接，所述直流供电单元的输出端分别与数字调节器、PWM驱动单元及所述零电压开关主电路的电源输入端相连。与现有技术相比，本发明具有延长放大器使用寿命、提高可靠性等优点。

Description

一种带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器

技术领域

本发明涉及电液比例控制技术领域，尤其是涉及一种带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器。

背景技术

比例阀作为电液比例控制系统的核心部件，其作用是将小功率电信号转换为大功率液压能输出，实现对流量和压力控制的转换装置。它是一种控制灵活、精度高、快速性好、输出功率大的控制元件。比例放大器是一种能够通过为电液比例阀提供特定性能的驱动电流，并对电液比例阀或电液比例系统进行开环或闭环调节的电子装置，是电液比例控制元件或系统的重要组成单元。功率放大电路是比例放大器的核心单元，本质上是一个直流变换器，其输出的驱动电流必须具有良好的静态、动态特性，特别是比例放大器的工作稳定性和可靠性，在很大程度上取决于功率放大电路的驱动特性、可靠性及使用寿命。

数字式比例控制技术以其控制精度高、性能好等优点已经成为当今电液比例控制技术发展的必然趋势。国外已研制出带有微处理器的数字式电液比例放大器产品，而国内的研究起步较晚，技术较国外落后，目前国内的自主性产品还不多，现有产品的可靠性、稳定性与功能完备性和国外相比还有较大的技术差距。目前已有的比例放大器产品，功率放大电路中开关器件主要采用硬开关的驱动控制方式(见附图1)，在开关管开通和关断过程中，开关管的电流和电压有一个交叠区，从而产生开关损耗，在一定条件下，每个开关周期内的开关损耗是恒定的，总开关损耗与开关频率成正比，开关频率越高，总开关损耗越大，功率放大电路的效率越低、温升越高、寿命越短。因此，开关损耗限制了开关频率的提高，也限制了功率放大器的小型化和轻量化，直接影响着数字式电液比例放大器的可靠性及使用寿命。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器，

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器，包括数字式比例放大器和比例阀，所述数字式比例放大器包括数字调节器、PWM驱动单元、零电压开关主电路和直流供电单元，电液比例控制系统的控制端、所述数字调节器、所述PWM驱动单元和所述零电压开关主电路依次连接，所述零电压开关主电路的输出端与比例阀的比例阀第一线圈或比例阀第二线圈连接，所述直流供电单元的输入端与电液比例控制系统的直流供电端连接，所述直流供电单元的输出端分别与数字调节器、PWM驱动单元及所述零电压开关主电路的电源输入端相连。

所述零电压开关主电路包括主开关电路单元和辅助开关零电压谐振电路单元，所述主开关电路单元设有主开关管，所述辅助开关零电压谐振电路单元设有辅助开关管、谐振电感及谐振电容，谐振电感、谐振电容和辅助开关构成主开关管的辅助谐振电路。

所述辅助开关零电压谐振电路单元设有两个大小相同的谐振电感、两个大小相同的谐振电容以及两个辅助开关管。

进一步地，所述主开关电路单元设有输入电源、两个主开关管、两个续流二极管和两个电流检测电阻，输入电源与其中一个续流二极管、主开关管、谐振电感和电流检测电阻构成一条回路，并与另一个主开关管、谐振电感、续流二极管、电流检测电阻构成另一条回路，两个回路之间连接有比例阀第一线圈或比例阀第二线圈。每一个主开关管分别并联一个谐振电容，每一个辅助开关管分别并联一个谐振电感。

进一步地，各主开关管分别连接有用以反向续流的反并联的二极管。

进一步地，所述数字调节器采用DSP嵌入式数字控制芯片。

进一步地，所述主开关管的控制方式采用PWM自适应调制方法。

进一步地，谐振电感的电感值小于比例阀的各线圈的电感值。

本发明数字式电液比例放大器执行比例放大工作的具体步骤为：

1)数字调节器依据电液比例控制系统中的控制器输出控制指令，经过数字调节器电流调节控制算法，获取比例放大器零电压开关主电路各主开关管的控制信号；

2)将PWM控制信号经过PWM驱动单元转换成零电压开关主电路的主开关管的PWM驱动信号，进而实现主开关管与辅助开关管的开通和关断，产生比例阀线圈驱动电流，实现控制比例阀的压力或流量。

本发明提供的带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

1)本发明采用了ZVS-PWM拓扑结构与零电压ZVS软开关控制策略，利用软开关控制技术可避免开关管开通电压与电流的交叠，减小功率放大器的开关损耗和开关噪声，提高比例放大器的稳定性与可靠性，延长其使用寿命；

2)在相同的驱动电流条件下，开关管的工作频率越高，动态响应越快，驱动电流的调节精度越高。由于采用了ZVS软开关控制技术，在提高开关管的工作频率时不会增加开关损耗，因此可降低比例放大器功率输出对开关管工作频率的限制，实现电流的精细调节，提高功率放大器驱动性能；

3)采用ZVS软开关控制技术，能够使开关管在高频工作模式下或者多电压驱动控制方式下减小开关损耗，有效降低开关管的结温，从而大大降低主开关管的温升，进一步提高功率放大器的可靠性与使用寿命；

4)采用DSP嵌入式数字控制芯片，功率变换控制策略主要通过软件编程来实现，功率器件的开关调制频率易于调整，并且调制比变化范围宽、算法易于实现，硬件设计更加简单；整个控制系统实现全数字化设计，大大提高了系统的可靠性、灵活性。

附图说明

图1为现有技术中数字式电液比例放大器的硬开关控制示意图；

图2为实施例中本发明带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器的软开关控制示意图；

图3为实施例中本发明带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器的结构示意图；

图4为实施例中零电压开关主电路拓扑结构图；

图5为实施例中零电压ZVS软开关控制时序波形示意图；

图6～图13为实施例在一个开关周期内本发明实施过程电路状态图；

图14为实施例中占空比为0.47、比例阀线圈驱动电流为2A时，主开关管S₁和S₂(二者相同)实现ZVS软开关的效果图；

图15为占空比为0.25、比例阀线圈驱动电流为1A时，主开关管S₁和S₂(二者相同)实现ZVS软开关的效果图；

图16为在占空比为0.14、比例阀线圈驱动电流为0.5A时，主开关管S₁和S₂(二者相同)实现ZVS软开关的效果图；

图3、4中标号所示：

1、数字式比例放大器，2、数字调节器，3、PWM驱动单元，4、零电压开关主电路，5、直流供电单元，6、比例阀，7、比例阀第一线圈，8、比例阀第二线圈，9、第二辅助谐振电路单元，10、第一辅助谐振电路单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

参考图3、图4所示，本发明涉及一种带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器，包括：数字式比例放大器1和比例阀6，比例阀6设有比例阀第一线圈7和比例阀第二线圈8。

其中：数字式比例放大器1由数字调节器2、PWM驱动单元3、零电压开关主电路4及直流供电单元5组成。数字调节器2的输入端和电液比例控制系统的控制输入相连接，数字调节器2的输出端与PWM驱动单元3的输入端相连接，PWM驱动单元3的输出端与零电压开关主电路4的输入端相连接，零电压开关主电路4的输出端与比例阀第一线圈7或者比例阀第二线圈8相连接。另外，直流供电单元5的输入端和电液比例控制系统的直流供电端相连接，直流供电单元5的输出端分别和数字调节器2、PWM驱动单元3、零电压开关主电路4的电源输入端相连接。

如图4所示，零电压开关主电路4的拓扑结构由主开关电路单元、辅助开关零电压谐振电路单元组成。

主开关电路单元：U_i为输入电源；S₁和S₂为主开关管，VD_S1和VD_S2分别是S₁和S₂上反并联的二极管，用于反向续流；VD₁和VD₂为续流二极管，当S₁和S₂关断时，提供续流回路；电感L₀和电阻R₀为比例阀第一线圈7或比例阀第二线圈8的等效电路，电感L₀和电阻R₀串联；R₁和R₂为电流检测电阻，大小相同，R₁用于测量S₁和S₂开通时流经比例阀线圈的电流，R₂用于测量S₁和S₂关断时流经比例阀线圈的电流。

辅助开关零电压谐振电路单元：谐振电容C₁和C₂大小相同，为辅助电容，是谐振电路的一部分；谐振电感L₁和L₂大小相同，为辅助电感，其值远小于L₀，也是谐振电路的一部分；S_w1和S_w2为辅助开关管。

输入电源U_i与续流二极管VD₁、主开关管S₁、谐振电感L₁和电流检测电阻R₁构成一条回路；输入电源U_i与主开关管S₂、谐振电感L₂、续流二极管VD₂、电流检测电阻R₂构成另一条回路；两个回路之间连接电感L₀和电阻R₀。谐振电感L₁与辅助开关管S_w1并联，谐振电感L₂与辅助开关管S_w2并联。主开关管S₁与谐振电容C₁并联，主开关管S₂与谐振电容C₂并联。主开关管S₁和S₂用于实现PWM控制。辅助开关管S_w1和S_w2用于谐振控制，谐振电感L₂、谐振电容C₂和辅助开关管S_w2构成主开关管的第二辅助谐振电路单元9，谐振电感L₁、谐振电容C₁和辅助开关管S_w1构成主开关管的第一辅助谐振电路单元10，两个辅助谐振电路单元用于谐振开关电路的谐振控制，为主开关管提供ZVS(Zero Voltage Switch，零电压开关)软开关条件。

本发明软开关控制示意图如图2所示。从图1的硬开关控制示意图可知，开关管开通和关断过程中，开关管的电流和电压有一个交叠区，会产生开关损耗。同时由于其电压和电流上升很快，也会产生很大的电磁干扰EMI。图2所示的软开关控制示意图中，由于开关管能够实现零电压开通和关断，即实现了ZVS软开关控制，从而消除了开关管电流与电压的交叠区，能够有效降低甚至消除开关损耗和电磁干扰。

零电压开关主电路4的工作原理(见图4)：当S₁和S₂开通且S_w1和S_w2开通时，由U_i、S₂、S_w2、R₀、L₀、S₁、S_w1和R₁构成回路；当S₁和S₂关断但S_w1和S_w2开通时，由U_i、R₂、VD₂、R₀、L₀和VD₁构成回路；在S₁和S₂开通前的某时刻，S_w1和S_w2关断，L₁、C₁和L₀形成谐振回路，L₂、C₂和L₀形成谐振回路，在谐振后期，VD_S1和VD_S2反向续流，S₁和S₂的电压被钳位为零，S₁和S₂若在此时开通，便可实现零电压开通的软开关，从而减小开关损耗和开关噪声。

本发明数字式电液比例放大器通过以下方式进行工作：在系统启动时，数字式比例放大器读取电液比例控制系统的电流控制指令。数字式比例放大器的工作过程是：

首先，数字调节器依据比例控制系统中的控制器输出控制指令，经过数字调节器电流调节控制算法，得到比例放大器零电压开关主电路各开关管的控制信号。然后将PWM控制信号经过PWM驱动单元转换成零电压开关主电路开关管的PWM驱动信号，从而实现主开关管与辅助开关管的开通和关断，最后产生适当的比例阀线圈驱动电流，实现控制比例阀的压力或流量。数字式比例放大器调节器采用DSP嵌入式数字控制芯片，功率变换控制策略主要通过软件编程来实现，功率器件的开关调制频率易于调整，并且调制比变化范围宽、算法易于实现，硬件设计简单，灵活性好。

进一步地，本实施例中，在系统启动、准备就绪后，数字式比例放大器1中的数字调节器2接受控制指令，按照图5所示的零电压ZVS软开关控制时序波形进行控制，具体实施过程分别如图6～图13所示。具体描述如下：

图6所示，t₀～t₁时段：t₀之前，开关S₁和S₂导通，u_S1(u_C1)＝0，u_S2(u_C2)＝0，VD₁和VD₂为断态；辅助开关S_w1和S_w2导通，电流主要流经S_w1和S_w2，I_L0可视为恒流源，L₁和L₂等效阻抗为零，因此仍有小电流流经L₁和L₂。t₀时刻，开关S₁和S₂关断，电感L₀向电容C₁和C₂充电，u_S1(u_C1)和u_S2(u_C2)线性上升，因此开关S₁和S₂的关断损耗减小，同时二极管VD₁和VD₂两端电压u_VD1和u_VD2逐渐下降；辅助开关S_w1和S_w2保持导通，L₁和L₂等效阻抗为零，有小电流流经。直到t₁时刻，u_VD1＝0，u_VD2＝0，二极管VD₁和VD₂导通。

图7所示，t₁～t₂时段：t₁时刻，二极管VD₁和VD₂导通，电感L₀上的电流通过二极管VD₁和VD₂续流，u_VD1＝0，u_VD2＝0，辅助开关S_w1和S_w2保持导通,辅助电流L₁和L₂上的小电流分别通过辅助开关S_w1和S_w2续流，u_C1＝u_C2＝U_i；直到t₂时刻，辅助开关S_w1和S_w2断开。

图8所示，t₂～t₃时段：t₂时刻，S_w1和S_w2断开，L₁、C₁和L₀形成谐振回路，L₂、C₂和L₀形成谐振回路，电感L₀+L₁向电容C₁充电，电感L₀+L₂向电容C₂充电，u_S1(u_C1)和u_S2(u_C2)线性上升，i_L1和i_L2减小。直到t₃时刻，i_L1＝0，i_L2＝0，u_S1(u_C1)和u_S2(u_C2)达到谐振峰值。

图9所示，t₃～t₄时段：t₃时刻后，C₁向L₁充电，C₂向L₂充电，u_C1和u_C2不断下降，i_L1和i_L2反向增大，直到t₄时刻，u_C1＝u_C2＝U_i，i_L1和i_L2达到反向谐振峰值。

图10所示，t₄～t₅时段：t₄时刻后，L₁向C₁反向充电，L₂向C₂反向充电，i_L1和i_L2减小，u_C1和u_C2继续下降，直到t₄时刻，u_C1＝u_C2＝0。

图11所示，t₅～t₆时段：二极管VD_S1和VD_S2进行钳位，u_C1＝u_C2＝0，i_L1和i_L2继续减小，直到t₆时刻，i_L1＝i_L2＝0。这一时段开关S₁和S₂的端电压为零，所以必须在这一时段使开关S₁和S₂开通，才不会产生开通损耗。

图12所示，t₆～t₇时段：开关S₁和S₂为通态，u_C1＝u_C2＝0，i_L1和i_L2上升，直到t₇时刻，S_w1和S_w2开通，谐振结束。

图13所示，t₇～t₀时段：开关S₁和S₂导通，u_S1(u_C1)＝0，u_S2(u_C2)＝0，VD₁和VD₂为断态；辅助开关S_w1和S_w2导通，电流主要流经S_w1和S_w2，I_L0可以视为恒流源，L₁和L₂等效阻抗为零，因此仅有小电流流经L₁和L₂。

本实施例通过实验方法进行了验证，验证环境为：为了降低开关损耗，实现ZVS软开关功能，在图4所示零电压开关主电路中加入了谐振电感L₁和L₂、谐振电容C₁和C₂(L₁和L₂＝0.6mH，C₁和C₂＝0.25μF)及辅助MOSFET；比例阀线圈参数：L₀＝50.8mH，R₀＝5.0欧姆。主开关工作频率为2kHz，图14、图15和图16所示分别为上述实施例测试效果图。其中：图14为在占空比为0.47、比例阀线圈驱动电流为2A时，主开关管S₁和S₂(两者相同)实现ZVS软开关的效果图。图15为在占空比为0.25、比例阀线圈驱动电流为1A时，主开关管S₁和S₂(两者相同)实现ZVS软开关的效果图。图16为在占空比为0.14、比例阀线圈驱动电流为0.5A时，主开关管S₁和S₂(两者相同)实现ZVS软开关的效果图。结合图2可知，图14～16皆能够达到消除开关管电流与电压的交叠区的目的，即本实施例能够通过改变不同的相关参数，得到驱动不同比例阀线圈时在不同驱动电流条件下(不同工况)实现ZVS软开关的效果，可以用于检验比例放大器的控制效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器，其特征在于，包括数字式比例放大器(1)和比例阀(6)，所述数字式比例放大器(1)包括数字调节器(2)、PWM驱动单元(3)、零电压开关主电路(4)和直流供电单元(5)，电液比例控制系统的控制端、所述数字调节器(2)、所述PWM驱动单元(3)和所述零电压开关主电路(4)依次连接，所述零电压开关主电路(4)的输出端与比例阀(6)的比例阀第一线圈(7)或比例阀第二线圈(8)连接，所述直流供电单元(5)的输入端与电液比例控制系统的直流供电端连接，所述直流供电单元(5)的输出端分别与数字调节器(2)、PWM驱动单元(3)及所述零电压开关主电路(4)的电源输入端相连。

2.根据权利要求1所述的带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器，其特征在于，所述零电压开关主电路(4)包括主开关电路单元和辅助开关零电压谐振电路单元，所述主开关电路单元设有主开关管，所述辅助开关零电压谐振电路单元设有辅助开关管、谐振电感及谐振电容，谐振电感、谐振电容和辅助开关构成主开关管的辅助谐振电路。

3.根据权利要求2所述的带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器，其特征在于，所述辅助开关零电压谐振电路单元设有两个大小相同的谐振电感、两个大小相同的谐振电容以及两个辅助开关管。

4.根据权利要求3所述的带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器，其特征在于，所述主开关电路单元设有输入电源、两个主开关管、两个续流二极管和两个电流检测电阻，输入电源与其中一个续流二极管、主开关管、谐振电感和电流检测电阻构成一条回路，并与另一个主开关管、谐振电感、续流二极管、电流检测电阻构成另一条回路，两个回路之间连接有比例阀第一线圈(7)或比例阀第二线圈(8)。

5.根据权利要求4所述的带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器，其特征在于，每一个主开关管分别并联一个谐振电容，每一个辅助开关管分别并联一个谐振电感。

6.根据权利要求4所述的带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器，其特征在于，各主开关管分别连接有用以反向续流的反并联的二极管。

7.根据权利要求1所述的带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器，其特征在于，所述数字调节器(2)采用DSP嵌入式数字控制芯片。

8.根据权利要求2所述的带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器，其特征在于，所述主开关管的控制方式采用PWM自适应调制方法。

9.根据权利要求2所述的带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器，其特征在于，谐振电感的电感值小于比例阀(6)的各线圈的电感值。

10.根据权利要求1～9任一项所述的带有ZVS软开关的数字式电液比例放大器，其特征在于，该数字式电液比例放大器执行比例放大工作的具体步骤为：

1)数字调节器依据电液比例控制系统中的控制器输出控制指令，经过数字调节器电流调节控制算法，获取比例放大器零电压开关主电路各主开关管的控制信号；

2)将PWM控制信号经过PWM驱动单元转换成零电压开关主电路的主开关管的PWM驱动信号，进而实现主开关管与辅助开关管的开通和关断，产生比例阀线圈驱动电流，实现控制比例阀的压力或流量。

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