電液控制常用電路

脈寬調(diào)制（PWM）一般用于控制電液比例閥。該技術(shù)目前應(yīng)用廣泛：它可以將大功率傳遞到負載（例如比例閥線圈），但同時又能獲得較小的功率損耗，此外還能產(chǎn)生較好的顫振效果（使閥芯處于低幅高頻抖動狀態(tài)），當PWM頻率設(shè)置合適時，可以減少靜摩擦引起的滯環(huán)。

PWM原理如下圖所示：可以通過調(diào)整電壓的占空比來控制負載。使電壓脈沖從零到全電源電壓進行調(diào)整，并改變其導(dǎo)通時間與關(guān)斷時間之間的關(guān)系。通過將電壓轉(zhuǎn)換速率設(shè)置得很高（PWM頻率很高），使得接收端只能響應(yīng)平均電壓值，從而實現(xiàn)其控制功能。

圖1

負載以平穩(wěn)，漸進的方式進行控制，而不是方波指令下的bang-bang響應(yīng)。由于負載僅對波形的平均值作出響應(yīng)，因此控制很平穩(wěn)。

可以根據(jù)設(shè)計要求來調(diào)整開關(guān)速率，以獲得滿意的顫振信號。通過控制導(dǎo)通時間與關(guān)斷時間的比率（占空比），可以改變流經(jīng)負載的平均電流。此處討論的工況，負載是比例電磁鐵或直流電壓表。在此工況下，這些負載會對PWM信號的平均值作出響應(yīng)。但是，如果負載是比PWM信號反應(yīng)快得多的示波器，則示波器將顯示實際的PWM波形，波形類似于上圖中的方波曲線。

功率輸出級

要了解完整的PWM電路，首先要分析其功率輸出級，一般是由分離式的NPN功率晶體管Q1組成，如下圖所示（更大功率可以采用MOS管）。電磁鐵線圈一端連接在晶體管的集電極，另一端連接在直流電源+ Vcc端。同時，基極接收PWM方波電壓Vb，如示波器捕捉的波形圖（b）所示。 PWM電壓通常從零擺動到最大電源電壓+ Vcc。假設(shè)基級輸入電阻R和晶體管Q1的放大增益B一定（一般約為200倍），則當基級輸入電壓為電源+Vcc時，Q1輸出將飽和。

圖2 PWM功率輸出級電路（a）驅(qū)動比例電磁鐵線圈。

輸出波形（b）連接至功率輸出晶體管Q1的基級。如果Re和Q1增益一定，當基極電壓Ve從+Vcc變?yōu)榱銜rQ1輸出從飽和變?yōu)榻刂埂?/p>

也就是說，當Q1的基級達到+ Vcc時將完全導(dǎo)通。當然，當基極電壓信號Vcc降至零時，就沒有基極電流，此時Q1完全關(guān)斷，因此Q1僅僅工作在完全導(dǎo)通（飽和）和完全截止兩種狀態(tài)之間。Q1的功能類似于電子控制開關(guān)。因此，可以用下圖中的通斷開關(guān)來等效晶體管。Q1與圖中的基極電壓波形Vb同步切換，作為PWM信號源。

這種情況下，如果Vb長時間保持高電平，而在短時間內(nèi)為零（類似于高占空比），則線圈接受的電流就比較大。相反，如果Vb長時間保持零而短時間保持高電平，則對線圈而言，接受的電流值就比較小，線圈是對Vb的平均值作出反應(yīng)?，F(xiàn)在，我們先來分析Q1在PWM開關(guān)模式下工作時所消耗的功率?？紤]圖下圖所示的電路，其中的集電極-發(fā)射極電流標記為Ice，并且用符號ve來測量集電極-地之間的電壓。對于功率晶體管電路，一般情況下集電極飽和電阻R cs的值<1 歐姆，。電流Ice和電壓Vc決定了Q1消耗的功率。

WQ1 = ve * Ice （1）

圖3 通斷開關(guān)Q1，可以代替晶體管 圖4 該電路用于分析PWM模式功耗

在任何時刻，等式（1）的電壓和電流乘積描述了瞬時功率。通過合理假設(shè)，至少在定性的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建出圖4電路中預(yù)期的電流和電壓波形?？紤]到Q1作為通斷開關(guān)工作，并且與PWM基本電壓保持同步。因此，當開關(guān)斷開時，沒有電流。在沒有電流的情況下，根據(jù)基爾霍夫定律，電源電壓Vo整個都消耗在Q1上，因此，當晶體管電壓為高時，晶體管電流為零。

另一方面，當Q1閉合并導(dǎo)通時。晶體管的凈電阻R很小。電阻很小，會有電流，但電壓v也很小。簡而言之，當集電極電壓為高時，電流為低，反之亦然。這可以用圖5的波形來表示。因此，電流和電壓的乘積始終很低，Q1消耗的功率Wo最小。使用通常的經(jīng)驗值，傳遞到負載（電磁鐵）的功率與晶體管消耗的功率之比約為10：1。在30瓦線圈中，輸出晶體管的功耗約為3瓦。這一點很重要，可以降低對電源的需求，晶體管和散熱器的尺寸可以減小。甚至可以不用散熱器。所有這些都可以降低產(chǎn)品成本，而不會影響質(zhì)量或性能。

圖5

功率輸出PWM晶體管的電壓電流和功率波形。當電流高時，電壓低，反之亦然。結(jié)果是Q消耗的功率低于平均集電極電流乘以平均集電極電壓所得到的值。

圖5的波形和上述結(jié)論必須在通用，直觀的分析范圍內(nèi)才能得出。在這種方法中，將測量平均集電極電壓和平均集電極電流，然后將兩者相乘來計算功率（瓦特）。這種方法是不正確的，將導(dǎo)致對輸出晶體管Q消耗功率的錯誤評估。為了理解為什么是這樣，請想象一下，我們具有圖5的波形值。假設(shè)電壓V為12伏，最大集電極電流I為2安培。從技術(shù)上講，面積為平均波形的積分，如果觀察電流和電壓波形，會發(fā)現(xiàn)它們看起來好像調(diào)制約為50％。

因此，電壓的平均值約為6伏（最大值的一半），電流約為1安培。電壓和電流的乘積為6瓦特，是先前估計的3瓦特的兩倍。哪個是對的？之前的估計值為3瓦。3瓦正確的原因是，在幅值隨時間變化的電路中使用平均電流和平均電壓計算功率是錯誤的。應(yīng)該用瞬時伏安乘積的平均值。也就是說，用瞬時的電壓和安培值相乘，然后取平均值。如果將各個波形平均后再相乘，則結(jié)果不正確。這個非常容易理解，考慮家用的交流電源。顯然，平均電流和平均電壓始終為零，但是家用電器消耗的功率顯然不為零。當用正弦電壓乘以正弦電流時，乘積的平均值并不為零。這才是真正的功率。圖5的電壓和電流波形表明伏安乘積為零，但事實并非如此。總會消耗一些功率。

圖6

在通用PWM調(diào)制器中，（a）的接通和斷開時間隨指令電壓的變化而變化，如波形（b）所示。從圖中可以看出，PWM發(fā)生器具有兩個模塊：一個三角波振蕩器和一個脈沖寬度調(diào)制器。