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進行開環或閉環調節的電子裝置。它是電液比例控制元件或系統的重要組成單元。

一個完整的電液比例系統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壓電源、顫振信號發生器等。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生正確有效的控制信號。及時產生控制信號意味著除了有產生信號的裝置外，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該滿足比例閥的要求，與電氣一機械轉換裝置（比例電磁鐵）相匹配。為了減小比例元件零位死區的影響，放大器應具有幅值可調的初始電流功能；為減小滯環的影響，放大器的輸出電流中應含有一定頻率和幅值的顫振電流；為減小系統啟動和制動時的沖擊，對階躍輸入信號能自動生成可調的斜坡輸入信號。同時，由于控制系統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。

在比例控制系統中，對比例控制放大器一般要求：良好的穩態控制特性，動態響應快、頻帶寬，功率放大級的功耗小，抗干擾能力強并有很好的穩定性和可靠性，較強的控制功能，標準化、規范化。

實際上，比例放大器是一個能夠對弱電的控制信號進行整形、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成

根據電一機械轉換器的類別和受控對象的不同技術要求，比例控制放大器的原理、構成和參數各不相同。隨著電子技術的發展，放大器的元件、線路以及結構也不斷改善。圖73所示是比例控制放大器的典型構成。它一般由電源、輸入接口、信號處理、調節器、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構框圖。當然，其他類型的比例控制放大器在結構上與圖74有一定差別，尤其是信號處理單元，常需要根據系統要求進行專門設計。另外，根據使用要求，也常省略某些單元，以簡化結構、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數量的單通道比例控制放大器。為減少比例控制放大器的數量，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準的控制板上，就構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，而是在結構上做了有機調整組合而成的，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，也可作為某些閉環控制系統的控制器。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，不能作為閉環控制系統的控制器。兩者在電路結構上的最大區別是：前者設置有測量放大電路、反饋比較電路和調節器，但不一定有顫振信號發生器；后者沒有測放電路、反饋單元和調節器，但一般有顫振信號發生器。

(4)模擬式功率級和開關式功率級比例控制放大器。這是根據功率級不同的工作原理加以區分的。模擬式比例控制放大器屬于連續電壓控制式，功放管工作在線性放大區，比例電磁鐵控制線圈兩端電壓為連續的直流電壓，因而功耗較大。開關式比例控制放大器的功放管工作在截止或飽和區，即開關狀態，比例電磁鐵控制線圈兩端電壓為脈沖電壓，因而功耗很小。開關式比例控制放大器又可分為脈寬調制( PWM）、脈頻調制（PFM）、脈幅調制(PAM）、脈碼調制(PCM）、脈數調制(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分。與恒壓式相比，恒流式能抑制負載阻抗熱特性的影響且有較優的動態特性，因而比例控制放大器大多采用恒流式結構。

(7)模擬式處理單元或數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分類。傳統的比例放大器對輸入信號處理是采用運算放大器所構成模擬電路實現的。該方法的優點是可靠性高，缺點是硬件電路復雜、靈活性差。隨著數字器件不斷發展，比例放大器中引入了微處理器單元。首先通過模數轉換單元對外部輸入的模擬量信號進行采樣，將其轉換為數字量信號；其次由運行于微處理器上的軟件完成對該數字信號的實時處理；最后將處理完畢的數字量信號由數字量輸出端口直接輸出給功率級，或通過數模轉換單元轉換為模擬量后輸出給功率驅動級，具體輸出何種信號由采用的功率級形式決定。這種放大器的優點是數據處理單元的靈活性好，可通過軟件實現較為復雜的信號處理任務，而無需改變硬件電路。另外，數字式比例放大器除了提供傳統的模擬量接口和數字量接口以外，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的網絡化趨勢。其缺點是穩定性不容易做好，一旦由于外部干擾導致程序跑飛或復位，將會造成嚴重的錯誤輸出。盡管如此，只要通過合理的設計，軟硬件系統是可以最大限度地減少故障率，因此，比例放大器的數字化是必然趨勢。