CN214480494U - 插头式比例阀放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种插头式比例阀放大器，包括直流电源变换电路、信号输入级电路、功率输出级电路、电流采样反馈电路和微处理器：直流电源变换电路用于提供稳定的电源，所述信号输入级电路用于将外部输入的指令信号调理成适合微处理器采样的信号电压；所述微处理器与所述信号输入级电路连接以接收调理后的信号电压并输出PWM信号；所述功率输出级电路与所述微处理器连接以对PWM信号进行功率放大；所述电流采样反馈电路与所述功率输出级电路连接以获得的高边电流信号并放大调理成适合微处理器的电流采样反馈信号电压；所述微处理器还与所述电流采样反馈电路连接以接收电流采样反馈信号电压并反馈调节PWM信号，使功率输出级电路输出性能稳定可靠的电流。

Description

插头式比例阀放大器

技术领域

本实用新型属于电控技术领域，且特别涉及一种插头式比例放大器。

背景技术

目前插头式比例放大器产品由于存在多处设计缺陷，在实际应用过程中表现出现了一些可靠性不好、易受到电磁干扰、功能不够完善、成本偏高等诸多局限问题。这一类产品主要是应用于自动化液压传动系统中，通常这种工业应用场合环境比较恶劣，高温、高湿度、粉尘油污混杂、电磁干扰严重等现象十分普遍，而且工业产品对于可靠性要求也很高，不允许出现故障。现有的此类产品多数都还不能完全符合应用环境要求，特别是可靠性和抗干扰能力。因此，本实用新型所要解决的正是这两个难题。现有产品还有一个难题是不能长时间稳定可靠地输出大于2A的驱动电流，这主要是功率器件热耗功率与产品尺寸小巧、防护要求高、成本控制等因数之间相互矛盾的问题，因此，要解决这个难题，需要新颖的电路设计和安装结构设计。

实用新型内容

基于此，针对上述现有技术状况的不足，本实用新型的目的在于提供一种插头式比例阀放大器。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：

一种插头式比例阀放大器，包括直流电源变换电路、信号输入级电路、功率输出级电路、电流采样反馈电路和微处理器：

所述直流电源变换电路，为所述信号输入级电路、功率输出级电路、电流采样反馈电路和微处理器提供所需的稳定电源；

所述信号输入级电路，用于将外部输入的指令信号调理成适合微处理器采样的信号电压；

所述微处理器与所述信号输入级电路连接以接收调理后的信号电压并输出 PWM信号；

所述功率输出级电路与所述微处理器连接以对PWM信号进行功率放大；

所述电流采样反馈电路与所述功率输出级电路连接以获得的高边电流信号并放大调理成适合微处理器的电流采样反馈信号电压；

所述微处理器还与所述电流采样反馈电路连接以接收电流采样反馈信号电压并反馈调节PWM信号，使功率输出级电路输出性能稳定可靠的电流。

进一步地，所述电流采样反馈电路包括运算放大器U3、电阻R16、电阻R13、电阻R14、电阻R15、三极管Q1和滤波电容C14，所述电阻R13的第一端与所述电阻R14的第一端连接，所述电阻R13的第二端与所述电阻R15的第一端连接，所述电阻R14的第二端与所述运算放大器U3的同相输入端连接，所述电阻 R15的第二端与所述运算放大器U3的反向输入端连接，所述运算放大器U3的输出端与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极与所述电阻R14 的第二端连接，所述三极管Q1的发射极与所述电阻R16的第一端连接，所述电阻R16的第二端用于接地，所述滤波电容C14并联在所述电阻R16的两端，所述滤波电容C14的正极与所述微处理器连接，所述电阻R13与所述电阻R14之间引出线与所述功率输出级电路连接。

较佳地，所述三极管Q1为NPN型管。

进一步地，所述电阻R14和所述电阻R15阻值相同。

较佳地，所述微处理器为STM8S105型号单片机。

进一步地，所述信号输入级电路为RC网络电路。

进一步地，所述功率输出级电路为开漏输出的单管开关电路。

进一步地，所述功率输出级电路包括电阻R12、MOS场效应晶体管VT1和二极管D4，所述MOS场效应晶体管VT1的栅极与所述微处理器连接，所述 MOS场效应晶体管VT1的漏极与所述二极管D4的正极连接，所述MOS场效应晶体管VT1的源极用于接地，所述二极管D4的负极与所述电流采样反馈电路连接。

综上所述，本实用新型的有益效果是：本实用新型具有外形结构尺寸紧凑小巧，抗干扰能力强，高输出电流(平均输出电流最大可达3.3A)，热稳定性好 (工作温度可达75℃)，可靠性增强效果明显，电流稳定精度高(误差不超过 0.1％)。制造成本降低，经济性好。

附图说明

图1是本实用新型插头式比例阀放大器的功能原理图；

图2是本实用新型插头式比例阀放大器的电路框图；

图3是本实用新型插头式比例阀放大器的电路原理图；

图4是图3中信号输入级电路的原理图；

图5是图3中的功率输出级电路的原理图；

图6是图3中的电流采样反馈电路的原理图；

图7为本实用新型插头式比例阀放大器的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型结合以下具体实例做进一步说明，但不限制本实用新型。

例如，请参阅图1和图2，插头式比例阀放大器的外部电源24VDC输入经由保险丝F1和瞬态抑制二极管D1组成的电源防护电路，如果外部直流电源极性接反或电压超出安全极限，保险丝F1熔断以保护主体电路不会遭受严重烧毁。单向瞬态抑制二极管D1可吸收十几安培的浪涌峰值电流，可有效保护主体电路不被供电网络窜入的强电磁脉冲击穿，显著提高了产品电路的EMC电磁兼容性能。这是现有的产品所不具备的保护功能。电源旁路解耦电容C1采用低内阻系列的小型铝电解电容，既能有效吸收外部供电线路窜入的电磁干扰纹波，又能旁路滤波功率输出级和开关稳压电路产生的纹波电流。为进一步提高电源电路的EMC电磁兼容性指标，还并联了高频内阻小的大容量叠层陶瓷贴片电容C4 用来吸收开关稳压电路产生的高频噪声。

外部24VDC电源输入经过保险丝、瞬态抑制器和旁路滤波电容等组成的 EMC电源防护滤波电路，供给内部功率输出级和开关稳压电路电源P24V。P24V 再经过铁氧体磁珠L1进一步滤波隔离电源噪声，所述直流电源变换电路输出低噪声的模拟电路电源+24V提供给电流采样反馈电路和参考电源电路使用。

插头式比例阀放大器还包括参考电源电路，参考电源电路包括电阻R9、电容C12和二极管D3，所述直流电源变换电路的输出端与所述电阻R9的一端连接，所述电阻R9的另一端与所述二极管D3的负极连接，所述二极管D3的正极用于接地，所述电容C12并联于所述二极管D3的两端，所述二极管D3的负极还与外部接线端子的REF管脚连接以供一路+10V的电位器参考电源。参考电源电路为齐纳二极管稳压电路，其作用是向外部接线端子的REF管脚提供一路 +10V的电位器参考电源，最大输出电流能力为9mA左右，可满足一般指令电位器的供电需求。R9采用了0.5W/1.5K的贴片电阻，即使REF管脚对地短路，也不会导致R9电流过载而烧毁。D3采用了玻璃封装的10V贴片齐纳二极管，稳压精度高且可靠性好。C12采用了叠层陶瓷电容作为旁路滤波电容。

如图3所示，插头式比例阀放大器还包括直流变换+3.3V的开关稳压电路，开关稳压电路包括芯片U1、电容C8、电阻R7、电阻R8、二极管D2、电感L2、电容C10、电容C11。考虑到本产品的结构小巧、性能稳定且可靠性要求高，整个电路均采用了超小型贴片器件组成。开关稳压电路属于典型的降压型开关稳压电路原理。U1是一种6管脚高频率超小型封装的开关稳压集成电路，转换效率高、发热量小。24V电压由5脚输入，4脚使能端连接5脚高电平，2脚接电源地。叠层陶瓷电容C8跨接在U1第一管脚CB端和第六管脚SW端之间，是外接Boot引导电容。电阻R7、电阻R8组成的反馈分压节点连接在U1第三管脚上，形成3.3V的稳定输出。二极管D2并联在电源地和U1的第六管脚SW端，提供电感L2的续流回路。超小型磁芯电感L2串联在SW端与3.3V输出端之间，是开关稳压电路的蓄能元件。电容C10，电容C11由大小两种容量的叠层陶瓷电容并联在3.3V与电源地之间，提供旁路滤波回路。

如图4所示，所述信号输入级电路包括IN_1信号输入电路和IN_2信号输入电路，所述IN_1信号输入电路包括电阻R1、焊接跳线P1、电阻R2、电阻 R4、电容C2。所述电阻R2的第一端作为外部信号接口，所述电阻R2的第二端分别与所述电容C2的正极及所述电阻R4的第一端连接，所述电容C2的负极与所述电阻R4的第二端连接并接地，所述电阻R1的第一端与所述电阻R2 的第一端连接，所述电阻R1的第二端通过焊接跳线P1连接于所述电阻R4的第二端，所述电容C2的正极还与所述微处理器连接。这是一个RC网络电路，外部输入信号可适应0～10V电压信号、4～20mA电流信号或24V电平开关量信号等多种信号类型。R1为500欧姆的电流信号输入电阻，20mA满度电流信号可转换成正好10V的电压满度信号。与R1串联的焊接跳线P1是用来设置电流信号输入功能选项的。R2和R4电阻组成了一个分压电路，将10V的满度电压信号降为MCU模拟信号ADC输入适配的0～3V信号范围。实际上MCU芯片 ADC通道的满度范围是0～3.3V，预留的0.3V余量是用于程序判断信号范围是否超限的测量空间。R2还有一个作用是24V电平开关量信号的限流保护。当外部输入高电平24V时，如果不考虑后续电路影响，分压电路输出端将会得到7.2V 的电压，这个值大于MCU管脚的最大允许极值5V，但是本实用新型选择的MCU 芯片内部具有管脚EMC保护二极管器件，可承受小于4mA的钳位电流。R2设计为数十千欧阻值，钳位电压将限制在5V以下，拉入的钳位电流也将远小于 4mA的极值，因此MCU芯片运行是安全的。R4阻值也有几十千欧，电容C2 与R4并联，并与R2共同组成无源RC低通滤波电路，可有效消除输入信号的噪声干扰。且MCU芯片的ADC输入阻抗很高，无需考虑分压电路后续的分流影响。

所述IN_2信号输入电路包括电阻R3、电阻R5和电容C3，所述电阻R3的第一端作为外部信号接口，所述电阻R3的第二端分别与所述电容C3的正极及所述电阻R5的第一端连接，所述电容C3的负极与所述电阻R5的第二端连接并接地，所述电容C3的正极还与所述微处理器连接，与IN_1信号输入电路工作原理一致，只不过少了可以接受电流信号的500欧姆输入电阻和跳线，因为 IN_2外部信号输入只需要适配0～10V电压信号或24V电平开关量信号类型。

如图5所示，所述功率输出级电路包括电阻R12、MOS场效应晶体管VT1 和二极管D4，MOS场效应晶体管VT1的栅极与所述微处理器连接，所述MOS 场效应晶体管VT1的漏极与所述二极管D4的正极连接，所述MOS场效应晶体管VT1的源极用于接地，所述二极管D4的负极与所述电流采样反馈电路连接，即与所述电流采样反馈电路的输入端连接。R12是PWM栅极信号的下拉电阻，用于微处理器U2的管脚在未初始化前，拉低该管脚电压防止功率管错误导通形成短路。VT1采用低导通电阻的N沟道MOS场效应晶体管，导通电流可承受大于16A平均电流。低栅极导通电压，处理器管脚可直接驱动。功率输出级电路属于开漏输出的单管开关电路，D4回流二极管在VT1关断期间提供线圈电流回流通路，D4采用大电流低压降的肖特基二极管以减少发热功耗。

如图6所示，所述电流采样反馈电路包括运算放大器U3、电阻R16、电阻 R13、电阻R14、电阻R15、三极管Q1和滤波电容C14，所述电阻R13的第一端与所述电阻R14的第一端连接，所述电阻R13的第二端与所述电阻R15的第一端连接，所述电阻R14的第二端与所述运算放大器U3的同相输入端连接，所述运算放大器U3的反向输入端与所述电阻R15的第二端连接，所述运算放大器 U3的输出端与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极与所述电阻 R14的第二端连接，所述三极管Q1的发射极与所述电阻R16的第一端连接，所述电阻R16的第二端用于接地，所述滤波电容C14并联在所述电阻R16的两端，所述滤波电容C14的负极用于接地，所述滤波电容C14的正极引出线作为电流采样反馈电路的输出端，即所述滤波电容C14的正极与所述微处理器连接，所述电阻R13与所述电阻R14之间引出线作为电流采样反馈电路的输入端，即所述电流采样反馈电路的输入端与所述二极管D4的负极连接。R13是输出电流采样电阻，阻值通常选择小于0.1欧姆，这样可在较大的输出电流时，保证采样电阻不会因为耗散功率太大而烧坏和温升太高。R14、R15是一对阻值相同的输入电阻，轨到轨输入范围运放U3和高增益NPN三极管Q1巧妙地构成了一种电流负反馈放大电路，R16是电流输出的负载反馈电阻。并联在负载电阻R16两端的滤波电容C14，可有效滤除输出信号的脉冲噪声。R16两端输出的采集信号电压为：Vo＝(R13*R16/R14)*Io，式中Io为采样电阻上通过的PWM输出电流。所述电流采样反馈电路与所述微处理器之间串接有电阻R17，电阻R17为微处理器A/D通道输入保护电阻，如遇Q1击穿故障情况下，可有效保护微处理器输入管脚安全，进一步提高可靠性。这种电路结构既巧妙地将高边电位的采样电压转换成低端共地电压，适配微处理器的A/D转换输入电平，又可以精确地换算PWM输出电流与采集信号电压的线性关系。确保了放大器可以稳定、精准、可靠地控制PWM输出的电流值。

所述电流采样反馈电路还包括滤波电容C13，所述滤波电容C13的正极与所述运算放大器的正极端并联连接后接入供电电源，所述滤波电容C13的负极以及所述运算放大器的负极端均用于接地。电源旁路滤波电容C13可降低U3 的供电噪声。

微处理器U2、电容C7、电容C6、电容C5、电容C9、电感L3、电位器PT1、电位器PT2、电位器PT3、电阻R6、接插件J2、开关P2、发光二极管D5、发光二极管D6、电阻R10、电阻R11共同构成了微处理器及外围电路。微处理器 U2采用超小型封装的低成本STM8单片机。通常这一类可闭环控制数字信号处理运算处理的微处理器多采用16位或32位微处理器，而本实用新型可采用8 位单片机即可完成复杂的电流闭环处理运算，得益于实用新型者独创的精简高效闭环算法来实现，所述微处理器为STM8S105型号单片机。C7为单片机上电复位延时电容，因NRST管脚内部有上拉电阻，因而省略了充电电阻。C6为单片机内核稳压旁路滤波电容，采用高Q值的1uF多层叠片陶瓷贴片电容，可保证单片机稳定可靠运行。由C5、L3、C9组成的单片机A/D外设模拟端供电滤波电路，提供了清净的模拟端供电环境，有效保证了A/D转换器的采样精度。 C5、C9选用小型封装的多层叠片陶瓷贴片电容，L3选用小型封装的铁氧体电感。考虑到本实用新型装置的外形小巧、高可靠性、方便使用的目标要求，需要综合平衡各种制约因素，因而采用PT1、PT2、PT3三个小型多圈精密电位器作为参数调整旋钮，产生三路不同的电压信号输入A/D转换通道成为数字量参数，参与调节PWM输出电流的参数特性。非常适合使用者理解和操作放大器调试。这与普通的数字化电子设备通常采用按钮开关或数据通讯人机界面的操作方式是很不同的，通常这样的设计会带来复杂的结构和较高的成本问题。为方便使用者观察判断放大器的工作状态，特别设置了D5(红色)和D6(绿色)两个LED指示灯，R10和R11分别是D5和D6的限流电阻。当放大器工作异常情况时，处理器程序可自动诊断故障状态，并分别控制两个指示灯高亮闪烁以表示故障报警。闪烁的形式以及颜色不同用以代表不同的故障情况，方便了使用者现场调试故障。当放大器正常工作时，两个指示灯的均匀亮度变化分别代表了输入信号值和输出电流值变化的关系。这种最简单的显示装置仍然可以直观反映放大器的状态，可靠保障了放大器使用的基本要求。跳线设置开关P2，可配合跳线设置开关P1组合使用，用于输入信号类型的选择设置。原理很简单，P1 用于是否选择电流型输入信号所需的500欧姆负载电阻，P2则用于选择给微处理器管脚的高低电平信号，用以通知程序选择了什么输入信号类型。接插件J2 是一个SWIM端口，R6提供了端口的上拉电阻。为降低复杂结构增加电路板布置面积，与标准SWIM端口相比，本实用新型装置省略了NRST和VCC端口，仅使用了SWIM和GND两个引脚用于芯片程序烧写和调试即可。在另一个实施方式中，所述微处理器为STM8S103型号单片机。

如图7所示，接线端子J1方便用户连接与外部电路的电缆连接。整个放大器电路板设计适合安装于一个HIRSCHMANN GDME标准插头外壳内，这种外壳连接器符合DIN43650A接口标准，防护等级IP65，耐用性、防护性能良好，有效提高了产品的可靠性能标准，也是本实用新型装置的一个显著特征。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种插头式比例阀放大器，其特征在于，包括直流电源变换电路、信号输入级电路、功率输出级电路、电流采样反馈电路和微处理器：

所述直流电源变换电路，为所述信号输入级电路、功率输出级电路、电流采样反馈电路和微处理器提供所需的稳定电源；

所述信号输入级电路，用于将外部输入的指令信号调理成适合微处理器采样的信号电压；

所述微处理器与所述信号输入级电路连接以接收调理后的信号电压并输出PWM信号；

所述功率输出级电路与所述微处理器连接以对PWM信号进行功率放大；

所述电流采样反馈电路与所述功率输出级电路连接以获得的高边电流信号并放大调理成适合微处理器的电流采样反馈信号电压；

所述微处理器还与所述电流采样反馈电路连接以接收电流采样反馈信号电压并反馈调节PWM信号，使功率输出级电路输出性能稳定可靠的电流。

2.根据权利要求1所述的插头式比例阀放大器，其特征在于，所述电流采样反馈电路包括运算放大器U3、电阻R16、电阻R13、电阻R14、电阻R15、三极管Q1和滤波电容C14，所述电阻R13的第一端与所述电阻R14的第一端连接，所述电阻R13的第二端与所述电阻R15的第一端连接，所述电阻R14的第二端与所述运算放大器U3的同相输入端连接，所述电阻R15的第二端与所述运算放大器U3的反向输入端连接，所述运算放大器U3的输出端与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极与所述电阻R14的第二端连接，所述三极管Q1的发射极与所述电阻R16的第一端连接，所述电阻R16的第二端用于接地，所述滤波电容C14并联在所述电阻R16的两端，所述滤波电容C14的正极与所述微处理器连接，所述电阻R13与所述电阻R14之间引出线与所述功率输出级电路连接。

3.根据权利要求2所述的插头式比例阀放大器，其特征在于，所述三极管Q1为NPN型管。

4.根据权利要求2所述的插头式比例阀放大器，其特征在于，所述电阻R14和所述电阻R15阻值相同。

5.根据权利要求1所述的插头式比例阀放大器，其特征在于，所述微处理器为STM8S105型号单片机。

6.根据权利要求1所述的插头式比例阀放大器，其特征在于，所述信号输入级电路为RC网络电路。

7.根据权利要求1所述的插头式比例阀放大器，其特征在于，所述功率输出级电路为开漏输出的单管开关电路。

8.根据权利要求7所述的插头式比例阀放大器，其特征在于，所述功率输出级电路包括电阻R12、MOS场效应晶体管VT1和二极管D4，所述MOS场效应晶体管VT1的栅极与所述微处理器连接，所述MOS场效应晶体管VT1的漏极与所述二极管D4的正极连接，所述MOS场效应晶体管VT1的源极用于接地，所述二极管D4的负极与所述电流采样反馈电路连接。

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