MC34161在电动执行器中的应用

摘要：MC34161／MC33161系列集成电路是一种廉价的通用电压监测器，可用于各种电子设备的电源电压监测，该器件可通过模式选择方式来实现检测正、负电压的过、欠压，以及某一正或负电压的上、下限电压，可直接驱动发光二极管显示或蜂呜器报警，也可根据需要接成控制电路。文中介绍由MC34161系列集成电路构成的电动执行器应用电路。
关键词：电动执行器；伺服放大器；电动操作器；位置发生器；集成电路

1 MC34161系列电压检测集成电路简介
MC34161／MC33161系列集成电路采用8脚双列直插封装，外形和引脚如图1所示，内部等效电路如图2所示。它由两个相同的检测通道组成，分别由输入比较器、模式选择电路、通道比较器、异或门及输出级电路组成，同时，该电路内部还提供了一个稳定的参考电压源。

1．1 输入比较器
两个输入比较器的门限电压相同，其数值为1．27V±2％，并且都有25mv的滞迥电压，以防止比较器输入信号穿越阀值电压时产生振荡，输入比较器采用同相输入，具有较高的输入阻抗。
1．2 模式选择电路
该器件设有模式选择电路，可通过模式选择输入端接入不同的输入电压以达到不同的功能，不同接法时的真值表如表1所示。

1．3 基准电压源
该器件提供一路输出电压为2．54V，电流为2mA的基准电压源，可供检测负电压或模式选择时使用。基准电压源具有内部保护电路，当输出电流超过2mA时，保护电路将使输出关断。
1．4 输出级电路
器件的输出级为集电极开路输出，使应用更加灵活。由于内部电路采用了正反馈自举电路，使该器件在静态电流较小的情况下，具有较低的饱合压降。器件的电气参数可参阅文献。
电动执行器是电动单元组合仪表中的执行单元，通常由伺服放大器，电动操作器及执行机构组成，其中的电路部分包括：伺服放大器电路，电动操作器电路，位置发送器电路等。在上述三种电路中有一个共同点，就是都用到具有滞迥特性的电压比较器，因此用MC34161电压检测集成电路对上述电路进行改进，在保证原电路功能的前提下，可达到简化电路设计，降低生产成本，改善电路性能的效果。

2 MC34161在伺服放大器中的应用
伺服放大器是电动执行器中的重要部件，其主要作用是将来自调节器的电流信号与位置发送器的电流信号进行综合放大，根据其差值控制交流电子开关的通断，进而控制伺服电机按要求运转。
目前普通型伺服放大器内部通常由前置级、中间级、输出级组成。其中前置级多为隔离放大器(本文以磁放大器为例)；中间级为交流开关驱动级，其实质是电压比较器；输出级为交流电子开关。驱动级的作用是对磁放的输出信号进行判断，当磁放输出电压的绝对值大于死区电压时，驱动级会使某个交流电子开关的通断发生变化，根据伺放中间级的功能和作用，用MC34161集成电路构成伺放的交流开关驱动级，由于其自身具有滞迥特性可使电路更加简单，性能更加优良。

用MC34161构成伺放的中间级，其实质就是将磁放的输出电压作为被监测的电压信号，由于MC34161内部输入电压比较器的门限电压为1．27V±0．2％，而磁放在输入信号之差大于150μA(II)或240μA(III)时，其输出电压为±1V，因此，为使MC34161能对磁放的输出电压进行有效检测，需将磁放的输出电压进行迁移，即加一个偏移电压使磁放的输出电压大于MC34161内部的门限电压，图3中给出了重新设计的伺放原理电路。图中，前置级仍然采用磁放大器，I1、I2、I3为输入信号，If为位置发送器信号。中间级采用MC34161构成驱动级，输出级采用固态继电器作为交流电子开关。
在图3电路中，将MC34161模式选择端接在大于2．8V的电源上，使通道比较器A3、A4的输出均为“0”，从而构成双路正电压过压检测电路。恒流管2DH及电阻R5用于产生迁移电压。电阻R1、R2(R1=R2)、R3、R4(R3=R4)将磁放大器的差动输出信号转换成对地的单端信号，以利于检测电路的信号处理。
由伺服放大器的原理可知，当磁放大器的输出端电压Uab=Ua-Ub=0(或小于死区电压)时，伺服放大器中的电子开关SSR1、SSR2均关断，此时电机停转；当Uab>0时，其中一个电子开关(例如SSR1)导通，电机朝着一个方向运转，而当Uab0时，另一个电子开关SSR2导通，电机将朝着另一方向运转。根据伺服放大器的原理，由图3可知，当磁放的输出电压Uab>0时，应有：

式中：Uab为MC34161内部输入电压比较器的门限电压，其值为1．27V±0．2％，Up=IhR5为迁移电压。而此时：

因此，只要合理选择电路参数，就可在Uab>0时，SSR1导通，SSR2关断，电机正转；同理，当Uab0时，SSR1关断，SSR2导通，电机反转。
由图可知，改变R5的阻值可调节伺服放大器的灵敏度即“死区”电压的大小。电路中，R1=R2=2．2kΩ，R3=R4=10kΩ，2DH选1mA左右的恒流二极管，R5用1．5kΩ的电位器代替，调节电位器使Up=1．27V左右即可。

3 D型电动操作器中的中途限位电路
电动操作器是电动单元组合仪表中的辅助单元，通常与电动执行器配合使用，安装在控制室内，完成对电动执行器的手动操作及手动／自动之间的无扰动切换，同时具有阀位指示和中途限位功能。利用MC34161集成电路对D型操作器的限位电路进行改进，可使电路更加简单可靠，安装调试更加方便，其原理电路如图4所示。图中，将MC34161的模式选择端接在基准电压输出端，使通道比较器A3的输出为“1”，A4的输出为“0”，从而构成正电压上、下限电压检测器电路。电流If为位置发送器的输出电流，Rf为电流取样电阻，通过测量取样电阻上的电压Uf可以判断电动执行器输出轴的位置，据此，可判断执行器输出轴是否需要限位。由于通过取样电阻的电流是位置发送器的输出电流，其阻值不能太大，而为了满足MC34161对检测电压的要求，需要在取样电压Vf上叠加一个偏移电压，使检测电压数值加大，图中采用恒流二极管2DH及电位器Rw1、Rw2、电阻R1、R2组成偏移电压产生电路。

由图可知，由输入电压比较器A2、通道比较器A4、异或门y2及晶体管T2以及外接继电器J2组成上限限位比较器电路，而由A1、A3、y1、T1以及继电器J1组成下限限位比较器电路。当位置发送器输出电流If大于上限设定值时，U3>1.27V，使输入比较器A2的输出为高电平“1”，于是异或门y2使晶体管T2导通，继电器J2触点动作，使放大器相对应的电子开关关断，电机停止转动。当位置发送器电流If小于下限设定值时，U21．27V，输入比较器A1输出低电平“0”，异或门y1使晶体管T1导通，继电器J1触点动作，使伺服放大器相对应的电子开关关断，电机停止转动。
在图4电路中，选恒流管的恒流值Ih=2mA，Rw1+R1=Rw2+R2，设电位器Rw1的动点对Uf点的电阻为R1f电位器Rw2的动点对UL点的电阻为R2f。因此由图可得，上限比较器的输入电压为：

以III型仪表为例，If为4～20mA，如果要求执行器上限设定范围为45°～90°，则对应的电流If为12～20mA，若选Rf=50Ω，则由(3)式可得上限电路参数R1f=170Ω～570Ω；如果要求执行器输出轴的下限设定范围为0°～45°，则对应的电流If为4～12mA，由(4)式可得下限电路参数R2f=570Ω～970Ω。综合上述，我们可选R1=R2=560Ω，Rw1=Rw2=620Ω。因此，图4电路只要合理选择Rw1、Rw2的阻值就可满足III型仪表的需要。

4 位置发送器中的电子限位电路
位置发送器通常与执行机构一起安装在工作现场，工作环境恶劣，对其可靠性要求很高，目前大多数执行机构中的位置发送器，都具有行程限位功能，有机械限位及电子限位两种，电子限位是通过电子电路间接检测并判断执行机构运行时输出轴的所在位置，然后控制交流电子开关，进而达到控制伺服电机运转的目的。由于MC34161的输入电压比较器自身具有滞回特性，因此用其改造位置发送器的电子限位电路能达到简化电路，改善性能的效果。图5是用MC34161构成电子限位电路的II型位置发送器电路。

图中，将MC34161模式选择端(7脚)接参考电压输出端(1脚)构成正电压上、下限电压检测电路，从而控制双向可控硅的导通与关断，进而
达到控制电机的目的。运放A5及晶体管9013等构成II型位置发送器电路，由晶体管9013的集电极输出0～10mA直流电流IL作为输出电流。电位器W1为导电塑料电位器，用以检测执行器输出轴的位移，W2用于位置发送器地零位调节。R0为输出电流取样电阻，通常，晶体管的β>>1，因此，通过R0的电流可以认为与位置发送器的输出电流相等，从而通过对R0两端电压的监测，可间接判断执行器输出轴所在的位置。由于电路采用单电源供电，当电路输出电流为零时，运放A5输出低电平，为使三极管可靠截止，将取样电阻R0的一端通过稳压管接地，使三极管的射极电压Ue提高，同时也有利于MC34161对三极管射极电压Ve的检测。
图中，RW1、R1、A1、A4、T2等组成上限限位电路，RW2、R2、A1、A3、T1等组成下限限位电路。其中，尺W1、R1及RW2、R2分别组成上限和下限分压网络，由图可知，取样电压Ue为：
Ue=ILR0+UZ (5)
式中，R0为取样电阻，取值为100Ω。UZ为可调稳压管的稳压值，通过调节R9、R10的阻值可使其稳压值改变，我们取1．5V。
4．1 上限分压网络参数的确定
当执行器输出轴达到上限设定值时，取样电压Ue经分压后应大于1．27V，即

式中IL的单位为mA，R0的单位为kΩ。
在图5电路中，如果中途限位的上限值为5～10mA连续可调，对应的执行器输出轴转角为45°～90°，当IL=10mA时，RW1=0．97R1；当IL=5mA时，RW1=0．57R1。因此，可取R1=10kΩ，RW1取5kΩ电阻与5kΩ电位器串联组成。
4．2 下限分压网络参数的确定
当执行器输出轴达到下限值时，取样电压Ue经分压后应小于1．27V，即

同理，如果中途限位的下限值设置为0～5mA连续可调，对应的执行器输出轴转角为0°～45°，当IL=5mA时，RW2=0．57R2，IL=0mA时，RW2=0．18R2。因此，可取R2=10kΩ，RW2取1kΩ电阻与5kΩ电位器串联组成。