比例控制放大器原理簡介
比例控制放大器是一種用來對比例電磁鐵提供特定性能電流，并對電液比例閥或電液比例控制系統(tǒng)進行開環(huán)或閉環(huán)調(diào)節(jié)的電子裝置。它是電液比例控制元件或系統(tǒng)的重要組成單元。
一個完整的電液比例系統(tǒng)是由比例閥和比例放大器共同組成，比例放大器的作用是對比例閥進行控制。它的主要功能是產(chǎn)生放大器所需的電信號，并對電信號進行綜合、比較、校正和放大。為了使用方便，往往還包括放大器所需的穩(wěn)壓電源、顫振信號發(fā)生器等。此外，還有帶傳感器的測量放大器等，其中校正和放大對電液比例系統(tǒng)的性能影響最大。
1．比例控制放大器的基本要求
對比例放大器的基本要求是能及時產(chǎn)生正確有效的控制信號。及時產(chǎn)生控制信號意味著除了有產(chǎn)生信號的裝置外，還必須有正確無誤的邏輯控制與信號處理裝置。正確有效的控制信號意味著信號幅值和波形都應(yīng)該滿足比例閥的要求，與電氣一機械轉(zhuǎn)換裝置（比例電磁鐵）相匹配。為了減小比例元件零位死區(qū)的影響，放大器應(yīng)具有幅值可調(diào)的初始電流功能；為減小滯環(huán)的影響，放大器的輸出電流中應(yīng)含有一定頻率和幅值的顫振電流；為減小系統(tǒng)啟動和制動時的沖擊，對階躍輸入信號能自動生成可調(diào)的斜坡輸入信號。同時，由于控制系統(tǒng)中用于處理的電信號為弱電信號，而比例電磁鐵的控制功率相對較高，所以必須用功率放大器進行放大。
在比例控制系統(tǒng)中，對比例控制放大器一般要求：良好的穩(wěn)態(tài)控制特性，動態(tài)響應(yīng)快、頻帶寬，功率放大級的功耗小，抗干擾能力強并有很好的穩(wěn)定性和可靠性，較強的控制功能，標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。
實際上，比例放大器是一個能夠?qū)θ蹼姷目刂菩盘栠M行整形、運算和功率放大的電子控制裝置。
2．比例控制放大器的典型構(gòu)成
根據(jù)電一機械轉(zhuǎn)換器的類別和受控對象的不同技術(shù)要求，比例控制放大器的原理、構(gòu)成和參數(shù)各不相同。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，放大器的元件、線路以及結(jié)構(gòu)也不斷改善。圖73所示是比例控制放大器的典型構(gòu)成。它一般由電源、輸入接口、信號處理、調(diào)節(jié)器、前置放大級、功率放大級、測量放大電路等部分組成。
圖74所示是一雙路電反饋比例控制放大器的結(jié)構(gòu)框圖。當(dāng)然，其他類型的比例控制放大器在結(jié)構(gòu)上與圖74有一定差別，尤其是信號處理單元，常需要根據(jù)系統(tǒng)要求進行專門設(shè)計。另外，根據(jù)使用要求，也常省略某些單元，以簡化結(jié)構(gòu)、降低成本、提高可靠性。
3．比例控制放大器的分類
比例控制放大器根據(jù)受控對象、功率級工作原理等的不同，可有多種分類方式，常見的有以下幾種類型。
(1)單路和雙路比例控制放大器。單路比例控制放大器，用來控制單個比例電磁鐵驅(qū)動工作的比例閥，如比例流量閥、壓力閥、單電磁鐵二位（三位）比例方向閥等。雙路比例控制放大器主要用來控制雙電磁鐵驅(qū)動工作的三位比例方向閥等。雙路比例控制放大器工作時，始終只讓其中一個比例電磁鐵通電，這是三位比例方向閥工作所要求的。因此，它與下述雙通道比例控制放大器是完全不同的。
(2)單通道、雙通道和多通道比例控制放大器。單通道比例控制放大器，就是上述的單路比例控制放大器，只能控制一個比例電磁鐵。對于某些比例閥，如比例壓力流量復(fù)合閥、多路比例閥等，需要兩個或兩個以上比例電磁鐵同時工作，這時就需要配置相應(yīng)數(shù)量的單通道比例控制放大器。為減少比例控制放大器的數(shù)量，增加集中控制功能，將兩個或兩個以上比例控制放大器集中在一塊標(biāo)準(zhǔn)的控制板上，就構(gòu)成了雙通道或多通道比例控制放大器。因此，雙通道或多通道比例控制放大器能同時單獨控制兩個或兩個以上比例電磁鐵。當(dāng)然，雙通道或多通道比例控制放大器并不是兩個或多個單通道比例控制放大器的簡單組合，而是在結(jié)構(gòu)上做了有機調(diào)整組合而成的，如公用電源等。
(3)電反饋和不帶電反饋比例控制放大器。電反饋比例控制放大器用來控制電反饋比例閥，也可作為某些閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器。不帶電反饋比例控制放大器用來控制不帶電反饋的比例閥，不能作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器。兩者在電路結(jié)構(gòu)上的最大區(qū)別是：前者設(shè)置有測量放大電路、反饋比較電路和調(diào)節(jié)器，但不一定有顫振信號發(fā)生器；后者沒有測放電路、反饋單元和調(diào)節(jié)器，但一般有顫振信號發(fā)生器。
(4)模擬式功率級和開關(guān)式功率級比例控制放大器。這是根據(jù)功率級不同的工作原理加以區(qū)分的。模擬式比例控制放大器屬于連續(xù)電壓控制式，功放管工作在線性放大區(qū)，比例電磁鐵控制線圈兩端電壓為連續(xù)的直流電壓，因而功耗較大。開關(guān)式比例控制放大器的功放管工作在截止或飽和區(qū)，即開關(guān)狀態(tài)，比例電磁鐵控制線圈兩端電壓為脈沖電壓，因而功耗很小。開關(guān)式比例控制放大器又可分為脈寬調(diào)制( PWM）、脈頻調(diào)制（PFM）、脈幅調(diào)制(PAM）、脈碼調(diào)制(PCM）、脈數(shù)調(diào)制(PNM）等多種形式，但常用的主要是PWM式。
(5)單向和雙向比例控制放大器。這是根據(jù)所控比例電磁鐵的類型而分的。單向比例控制放大器就是通常所稱的比例控制放大器，用來控制普通單向比例電磁鐵。雙向比例控制放大器用來控制雙向比例電磁鐵。單向與雙向這兩種比例電磁鐵的不同（雙向比例電磁鐵常制成帶主、副兩對線圈），決定了與之相適應(yīng)的比例控制放大器需要采用不同的功率放大級線路。
(6)恒壓式和恒流式比例控制放大器。這是按比例電磁鐵控制線圈上需要恒定信號不同所作的區(qū)分。與恒壓式相比，恒流式能抑制負(fù)載阻抗熱特性的影響且有較優(yōu)的動態(tài)特性，因而比例控制放大器大多采用恒流式結(jié)構(gòu)。
(7)模擬式處理單元或數(shù)字式處理單元比例放大器。這是按信號處理單元所采用的電路性質(zhì)分類。傳統(tǒng)的比例放大器對輸入信號處理是采用運算放大器所構(gòu)成模擬電路實現(xiàn)的。該方法的優(yōu)點是可靠性高，缺點是硬件電路復(fù)雜、靈活性差。隨著數(shù)字器件不斷發(fā)展，比例放大器中引入了微處理器單元。首先通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對外部輸入的模擬量信號進行采樣，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號；其次由運行于微處理器上的軟件完成對該數(shù)字信號的實時處理；最后將處理完畢的數(shù)字量信號由數(shù)字量輸出端口直接輸出給功率級，或通過數(shù)模轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為模擬量后輸出給功率驅(qū)動級，具體輸出何種信號由采用的功率級形式?jīng)Q定。這種放大器的優(yōu)點是數(shù)據(jù)處理單元的靈活性好，可通過軟件實現(xiàn)較為復(fù)雜的信號處理任務(wù)，而無需改變硬件電路。另外，數(shù)字式比例放大器除了提供傳統(tǒng)的模擬量接口和數(shù)字量接口以外，還可以提供各種總線接口如485總線接口及CAN總線接口等，這一特點符合電控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化趨勢。其缺點是穩(wěn)定性不容易做好，一旦由于外部干擾導(dǎo)致程序跑飛或復(fù)位，將會造成嚴(yán)重的錯誤輸出。盡管如此，只要通過合理的設(shè)計，軟硬件系統(tǒng)是可以最大限度地減少故障率，因此，比例放大器的數(shù)字化是必然趨勢。