基于深海液压泵的差动放大器的研究.pdf

第 1 期 总 第 1 5 8 期 2 0 1 0年 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NE ERI NG AUTOMAT1 0N No．1 Fe b ． 文章编号 1 6 7 2 ～ 6 4 1 3 2 0 1 0 0 1 0 1 3 6 0 3 基于深海液压泵的差动放大器 的研究 余红娟 ，曹学鹏 ，邓 斌 ，秦 剑 西 南交通大学 机械X - 程学院，四川 成都 6 1 0 0 3 1 摘要 针对深海环境 下电液 比例控制的特点 ， 将 2路压力传感器 的检测压力输入 同相并联差动放大器， 利用其 高共模抑制比和高输入 阻抗 的优点 ，设计 了一个 比较放 大器 ，能很好地满足系统的要求。 关键 词电液 比例控制 ；同相并联差动放大器 ；共模抑制 比 中图分类号 {T N7 2 2 ． 5 7 文献标识码 A 1 问题 的提 出及 技术 要求 深海研究的主要难点之 一是解决海水压力 的问 题 。在本项 目中，采用 动态压 力补偿 ，即在油 箱外 面 加一个可变体积的充油皮囊。 当海水深度发生变化时 ， 皮囊连续受压，使海水环境高压传至油箱 ，进而使油 箱内部的压力与外部海水压力相等 ，但这样做导致液 压系统工作时附加了周围海水施加的环境压力。本项 目中的闭环 电液 比例变 量泵用 比例放 大器对 液 压源进 接泵出口 通海水环境 行控制时是利用相对工作压力信号 ，即不含海水环境 压力产生的信号。由于全封闭变压工作环境下的压力 传感器成本较低 ，故本项 目中通过置于变压舱中的 2 个压力传感器分别检测泵的出口压力和海水压力 ，如 图 1 所示 。通过比较放大电路将 2路压力信号进行线 性运算转换成 1路压力信号输入比例放大器，进而适 应 比例放大器输入接口和控制特性要求。 图 1 压力检测 示意 图 2 比较 放大器 电路 功能和 工作原 理 本文设计的比较放大器由匹配放大器、 减法器 、 滤 波器 和 电源 组成 ，见 图 2 。 共有 2 路压力传感器 ， l 路检测系统工作压力 P ， 1 路检测海水压力 P 。 。将这 2路传感器 的检测信号通 过匹配放大器送人减法器进行线性匹配 ，最后通过滤 *国家 8 6 3计划资助项 目 2 0 0 6 AA0 9 z 2 2 6 收稿 13期 2 0 0 9 0 6 0 7 ；修 回日期 2 0 0 9 0 9 ～ 2 5 作者简介 余红娟 1 9 8 3 一 ， 女 ， 浙江杭州人 ， 在读硕士研究生。 波器 滤波送 人 比例放 大器 。电源模块 主要是 为 比较 电 路提供所需要的电源 ，同时也为压力传感器提供工作 电压。 压力传感器 的工作电压为5 V。 为了得到稳定 的工作电压 ，采用 W7 8和 W7 9 系列集成稳压芯片。 2 ． 1 匹 配放 大 器 从检测元件输出的信号不能直接作为反馈信号， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0 年 第 1期 余 红娟 ，等基 于深海液压泵的差动放 大器的研 究 1 3 7 需要匹配放大器做进一步的处理使反馈信号与给定信 号在符合实际条件下进行 比较 ， 同时还起到缓冲作用 ， 增大系统的转换精度。所谓给定条件即零的给定对应 零的输出，最大的给定值对应最大的输出值 。匹配放 大器实质上就是同相和反相放大电路，本设计采用反 相放大器， 匹配放大器原理见图 3 。 运算放大器 U1 及 其外 围器件组成匹配放大器 ，给定条件的调定由 R 、 R 实现。电阻 R 为调零 电阻 ， 即当输入信号为零时 ， 调整 R 使输出也为零；电阻 R 为调幅电阻，即当给 定最大输入值时，调整 R 使输 出为最大值 。 厂 面 一 一 一 一 一 一 一 一 ] 图 2 比较放大器原理框 图 图 3匹配 放 大 器 原 理 图 2 ． 2 减法 器 减法器实际上是由运算放大器构成的差动运算放 大器， 它把匹配放大器的输出信号按一定 比例求差 。 差 动放大器实现放大差模信号，抑制共模信号 ，需要有 高的输入阻抗和高的共模抑制比。影响基本差动放大 器共模抑制比的因素主要有 2个，即电路外部 电阻匹 配的精度和运算放大器本身的共模抑制比的大小。基 本差动放大器输入阻抗小 ，共模抑制 比不高，为了解 决这个缺点，本设计采用 3只运放组成的差动放大电 路 ，减法器原理见图 4 。为了获得更高的共模抑制 比， 本设计采用具有极低的失调 电压、极低的失调 电压温 漂 、非 常低 的输入 电压噪声 幅 度 以及 高 的共模 抑 制 比 等 优点 的运 算放 大器 OP 0 7 。 3 差 动放大 器 电路 的分 析计 算 放大器 u。 、 U 构成 同相并联差动放大器 ， 其输 出 电压 U 为 一 1 一U 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 并联 差 动放大 器 的差模 增 益为 Kf 2 6 1 。⋯⋯⋯⋯⋯． ． 2 为了能更好地抑制共模信号和失调等信号 ，采用 参数对称的外电路 ，即取 R 。 一尺。 。 R -R ， ， 此时差 模增益为 K， 2 6 1 。⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 3 该 同相并联差动放大器的优点是 输入电阻高， 改 变 R。 的大小就可以调节增益 ，对外 电路不需要匹配 电阻， 可获得较高的共模抑制比。 但是它也存在缺点 为浮动输 出， 对某些使用不方便 ， 输出 两端对地 有较大的共模信号。为了解决此问题 ，本设计在同相 并联差动放大器后面串接一个基本的差动放大器 。 根据迭加原理，输入信号 和 。 分解组合为输 入差模 ， 和共模 信号 ， 设它们的电路总输 出 。 所 产生的分量为 。 和 【 厂 ，那么 Uo a 一 1 R1 1 - K／ z 6 K ⋯⋯ 4 即总 差模 增益 为 Ki K， 2 6 ， 8 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 5 其中K， 8 为运算放大器 U8的差模增益 。 因为运算放 大器 U2和 U6把共模输 人信号 ， r 1 l t t g 传到其输 出端 ， 也就是对 U8来说具有 共模 输人电压 ，则总共模增益 K， c 为 K 一 K， c 8 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 6 其中Km为运算放大器 U8的共模增益。 电路的总共模抑制 比为 ‰ 懈⋯⋯⋯ 其中R 为运算放大器 U8的共模抑制 比。 该电路为单端输出， 并将浮动输 出 对地的共模 信号 抑制 掉 ， 它 的 总差模 增益 比基 本 差 动放大 电路 提高了 K， 2 6 倍 ，总共模抑制比也比基本差动放大器的 共模抑制 比提高了 Kf 2 。 倍 。 4实验结 果 根据上述原理制成一个 比较放大器 ，该放大器选 用 OP 0 7芯片，其共模抑制 比R 1 2 6 d B，根据式 7 可得 ，该 比较放 大器 的总共模 抑制 比R M 一3 1 2 6 3 7 8 d B。 本项 目所 用 的电 液 比例控 制 系统 的 电气控 制框 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 8 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 0年第 1 期 见 图 5 。 对整个电液比例控制系统进行现场调试实验 ，在 该实验中，工作环境为陆地上 ，压力传感器 1测得的 泵的出口压力 P ，压力传感器 2测得大气压力 P ， 此 处记为零 。对该系统进行压力测量实验 ，压力控制信 号输入一个幅值为5 V的三角波 ，观测 比较放大器的 输出结果 ，得到的实验结果见图 6 。 图 4 减法器原理图 图 5 电液比例控制 系统的 电气控制框图 从 图 6中可以看出，比较放大器的输 出信号随输 人信号 的变化而变化， 线性关系基本满足系统要求 。 但 同时也存在一定的非线性 ，这主要是 由深海液压动力 源本身的非线性引起， 其在设计要求的线性误差1 之内，可满足变量泵控制特性的要求 。 CHI ～ 两 路 压 力 传 感 器通 过 比较 放 大 器后 的输 出信 号 ； cH2 一 压力 的控制输入信号 图 6 实 验 结 果 5总结 液压系统在深海中要受到海水压力的作用，为了 保证 电液 比例变量泵在深海 中能正常工作，该项 目提 出了采用 2路压力传感器作为反馈装置，通过一个 比 较放大电路将 2路压力信号转换成 1 路信号输入比例 放大器。该比较放大器采用三运放组成的同相并联差 动放 大器 。从 实验结 果可 以看 出 ，设计 的 比较放 大器 具有较高共模抑制比、高输入阻抗 ，而且输入与输出 信号呈线性关系，满足系统的要求 。 参考文献 E 1 - 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