一种模拟量电流输出模块和自动控制系统的制作方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种模拟量电流输出模块和自动控制系统。


背景技术：

2.模拟量电流输出模块的输出电流i可调，常用于对生产现场及公用工程的执行机构进行驱动控制，其驱动电压一般为固定值，即模拟量电流输出模块内部压降与外部负载压降之和为固定值。那么，若模拟量电流输出模块外部负载阻抗较低且需要的输出电流i较小(不同外部负载需要的输出电流i大小是预先设定好的)，则会导致模拟量电流输出模块内部压降较大、功耗较高，如此不仅造成大量电能的浪费，还会使得模拟量电流输出模块内部温度大幅度升高，容易导致模拟量电流输出模块内部电子元器件过热失效，降低模拟量电流输出模块的可靠性。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供一种模拟量电流输出模块和自动控制系统，以实现模拟量电流输出模块的低功耗。
4.一种模拟量电流输出模块，包括：多级电源轨模块100、负反馈取样模块200和负反馈控制模块300；
5.其中，多级电源轨模块100用于在负反馈控制模块300的控制下，对多路不同电压等级的驱动电压源进行选择输出，向模拟量电流输出模块外部负载rf供电；
6.负反馈取样模块200包括采样电阻rj和转换模块；负反馈取样模块200通过采样电阻rj对模拟量电流输出模块的输出电流i进行采样，并通过转换模块将采样信号转换成电压信号vf后反馈到负反馈控制模块300的输入端；
7.负反馈控制模块300的输入端接收给定电压vin和反馈电压vf，输出端连接至多级电源轨模块100的控制端；负反馈控制模块300用于根据给定电压vin和反馈电压vf之间的偏差，控制多级电源轨模块100逐级切换驱动电压源，以减小该偏差，使系统趋于稳定。
8.可选的，所述多级电源轨模块100包括：n个n型开关管m1～mn和n-1个防倒灌二极管d1～d
n-1
，n≥2；
9.其中，开关管mj的电能输入端经过防倒灌二极管dj接驱动电压源vj，j＝1、2、
…
、n-1；
10.开关管mn的电能输入端接驱动电压源vn；vn＞
…
》v2＞v1；
11.开关管m1的电能输出端作为多级电源轨模块100的输出端；
12.开关管mi的电能输出端接开关管m
i-1
的电能输入端，i＝2、3、
…
、n；
13.开关管m1～mn的控制端连接在一起，作为多级电源轨模块100的控制端。
14.可选的，所述负反馈控制模块300包括：电阻r1、电阻r2、电阻r3以及运放u1a；
15.其中，电阻r1的一端为负反馈控制模块300用于接收给定电压vin；
16.电阻r1的另一端接运放u1a的同相输入端；
17.电阻r3的一端接运放u1a的反相输入端；电阻r3的另一端用于接收反馈电压vf；
18.运放u1a的输出端接电阻r2的一端，电阻r2的另一端为负反馈控制模块300的输出端。
19.可选的，所述负反馈控制模块300还包括：电容c2和电容c3；
20.其中，电容c2一端接地，另一端接运放u1a的同相输入端；
21.电容c3连接在运放u1a的反相输入端与运放u1a的输出端之间。
22.可选的，所述负反馈取样模块200中的转换模块包括：电阻ra、电阻rb、电阻r4、电阻r5、电阻r6、n型开关管m以及运放u1b；
23.其中，多级电源轨模块100的输出端接采样电阻rj和电阻ra的一端，采样电阻rj的另一端接外部负载rl和电阻r5的一端，外部负载rl的另一端接地；
24.电阻ra的另一端接电阻r4的一端和n型开关管m的电能输入端，电阻r4的另一端接运放u1b的同相输入端，电阻r5的另一端接运放u1b的反相输入端，运放u1b的输出端经电阻r6接开关管m的控制端，开关管m的电能输出端接电阻rb的一端和负反馈控制模块300的输入端，电阻rb的另一端接地。
25.可选的，所述负反馈取样模块200还包括：电容c1；
26.其中，电容c1连接在运放u1a的反相输入端与运放u1a的输出端之间。
27.可选的，所述模拟量电流输出模块还包括：缓冲模块；
28.所述缓冲模块与外部负载rl串联，起限流作用。
29.可选的，所述模拟量电流输出模块还包括：与外部负载rl相串联的防倒灌二极管。
30.一种自动控制系统，包括：如上述公开的任一种模拟量电流输出模块。
31.可选的，所述自动控制系统为分布式控制系统或可编程逻辑控制器。
32.从上述的技术方案可以看出，本发明设置了多级驱动电压源，在模拟量电流输出模块接入了外部负载rl后，基于负反馈控制逻辑、根据需要的输出电流i大小自适应切换驱动电压源，具体为：在需要的输出电流i较小时，给定较小的电压vin，基于负反馈控制切换到更低电压等级的驱动电压源，从而减小输出电流i，避免外部负载rl阻抗较低时，模拟量电流输出模块内部压降较大、功耗较高；在需要的输出电流i较大时，给定较大的电压vin，基于负反馈控制切换到更高电压等级的驱动电压源，从而增大输出电流i，保证模拟量电流输出模块具有足够的驱动能力。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明实施例公开的一种模拟量电流输出模块的电路原理图；
35.图2为图1所示模拟量电流输出模块内部各模块的电路原理图；
36.图3为本发明实施例公开的又一种模拟量电流输出模块的电路原理图。
具体实施方式
37.为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词、简写或缩写总结如下：
38.ao：analog output，模拟量输出；
39.dcs：distributed control system，分布式控制系统；
40.plc：programmable logic controller，可编程逻辑控制器；
41.mosfet：metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管；
42.igbt：insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极晶体管。
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.参见图1，本发明实施例公开了一种模拟量电流输出模块，包括：多级电源轨模块100、负反馈取样模块200和负反馈控制模块300；
45.其中，多级电源轨模块100用于在负反馈控制模块300的控制下，对多路不同电压等级的驱动电压源进行选择输出，向模拟量电流输出模块外部负载rl供电；
46.负反馈取样模块200包括采样电阻rj和转换模块；负反馈取样模块200通过采样电阻rj对模拟量电流输出模块的输出电流i进行采样，并通过转换模块将采样信号转换成电压信号vf后反馈到负反馈控制模块300的输入端；
47.负反馈控制模块300的输入端接收给定电压vin和反馈电压vf，输出端连接至多级电源轨模块100的控制端；负反馈控制模块300用于根据给定电压vin与反馈电压vf之间的偏差，控制多级电源轨模块100逐级切换驱动电压源，以减小该偏差，使系统趋于稳定。
48.本发明实施例的工作原理如下：
49.模拟量电流输出模块又称电流型ao模块，为便于描述，以下简称为ao模块。ao模块内部电压调整管与外部负载rl对ao模块的驱动电压串联分压，在ao模块的驱动电压固定不变的情况下，若ao模块外部负载rl阻抗较低，则ao模块内部电压调整管上的功耗较高。
50.对此，本发明实施例设置了多级驱动电压源，在ao模块接入了外部负载rl后，基于负反馈控制逻辑、根据需要的ao模块输出电流i大小自适应切换驱动电压源，具体为：在需要的输出电流i较小时，给定较小的电压vin，基于负反馈控制切换到更低电压等级的驱动电压源，从而减小输出电流i，避免外部负载rl阻抗较低时，ao模块内部电压调整管上的压降较大、功耗较高；在需要的输出电流i较大时，给定较大的电压vin，基于负反馈控制切换到更高电压等级的驱动电压源，从而增大输出电流i，保证ao模块具有足够的驱动能力。
51.可选的，参见图2，多级电源轨模块100包括n个n型开关管m1～mn(即ao模块内部电压调整管)和n-1个防倒灌二极管d1～d
n-1
，n≥2(图2中仅以n＝3作为示例)；
52.其中，开关管mj的电能输入端经过防倒灌二极管dj接驱动电压源vj，j＝1、2、
…
、n-1；
53.开关管mn的电能输入端接驱动电压源vn；vn＞
…
》v2＞v1；vn既表示驱动电压源也表示该路驱动电压源的输出电压，v
n-1
、
…
、v2、v1等的含义亦是如此；
54.开关管m1的电能输出端作为多级电源轨模块100的输出端；
55.开关管mi的电能输出端接开关管m
i-1
的电能输入端，i＝2、3、
…
、n；
56.开关管m1～mn的控制端连接在一起，作为多级电源轨模块100的控制端。
57.上述多级电源轨模块100的工作原理如下：
58.假设开关管m1、开关管m2、
…
、开关管mn开启所需要的反馈控制模块300输出电压(以下简称为阈值电压)分别为v
th1
、v
th2
、
…
、v
thn
，则多级电源轨模块100的上述电路拓扑结构会使得v
thn
》
…
》v
th2
》v
th1
。又由于vn》
…
》v2＞v1，所以，当负反馈控制模块300的输出电压改变时，n路驱动电压源自适应切换，切换为：在小于等于负反馈控制模块300输出电压的各阈值电压中，阈值电压最高的那一路驱动电压源进行输出。比如说，n＝3，v3＝24v，v2＝15v，v1＝10v，则当负反馈控制模块300输出电压为16v时，切换到驱动电压源v2进行输出。
59.上述多级电源轨模块100为n级电源轨模块，级数n越多，ao模块内部功耗越低(由于级数n越多，输出电压源分布越精细，最终匹配到的驱动电压源的输出电压越贴近外部负载压降，所以ao模块内部压降越小、功耗较低)，并且输出电流i在驱动电压源自适应切换时变化越平滑(由于负反馈控制模块300的输出端信号并不会瞬间发生很大突变、而是逐渐变化的，所以多级电源轨模块100也是逐级从当前驱动电压源输出切换到最终匹配的驱动电压源输出，级数n越多，多级电源轨模块100输出越平滑)，降低了输出电流i突变所造成的不良影响。不过级数n越多，成本也越高，所以在应用时需根据实际需要折中选择级数n的大小。
60.可选的，多级电源轨模块100中的开关管m1～mn可以是mosfet也可以是igbt；出于低成本考虑，优选mosfet。当开关管为mosfet时，开关管的电能输入端为mosfet的漏极，开关管的电能输出端为mosfet的源极，开关管的控制端为mosfet的栅极。
61.可选的，基于上述公开的任一实施例，仍参见图2，负反馈控制模块300包括：电阻r1、电阻r2、电阻r3以及运放u1a；
62.其中，电阻r1的一端为负反馈控制模块300用于接收给定电压vin；
63.电阻r1的另一端接运放u1a的同相输入端；
64.电阻r3的一端接运放u1a的反相输入端；电阻r3的另一端用于接收反馈电压vf；
65.运放u1a的输出端接电阻r2的一端，电阻r2的另一端为负反馈控制模块300的输出端。
66.上述负反馈控制模块300的工作原理如下：
67.对于运算放大器来说，当运算放大器处于深度负反馈时，运算放大器具有“虚短”和“虚断”特性。“虚短”是指运算放大器的同相输入端与反相输入端的电压相等；“虚断”是指运算放大器的同相输入端与反相输入端的输入电流均为零。
68.当ao模块外部负载rl和输出电流i的乘积处于阈值之内时，运放u1a处于深度负反馈，由运放u1a的“虚断”特性可知，电阻r1和电阻r3上没有电流流过，所以电阻r1和电阻r3上没有压降，给定电压vin就等于运放u1a的同相输入端电压，反馈电压vf就等于运放u1a的反相输入端电压。
69.当需要的输出电流i较大时，上位机给定较大的电压vin，此时运放u1a的同相输入端电压变大，致使运放u1a的同相输入端电压大于运放u1a的反相输入端电压，从而运放u1a的输出电压变大，多级电源轨模块100切换到更高电压输出，流经外部负载rl和采样电阻rj的输出电流i变大，进而在负反馈取样模块200的作用下，反馈电压vf升高，运放u1a的反相
输入端电压升高；然后，运放u1a根据同相输入端电压以及变化后的反相输入端电压继续进行输出调节，以减小运放u1a的反相输入端电压与同相输入端电压之间的偏差(也即减小给定电压vin与反馈电压vf之间的偏差)，使系统趋于稳定，最终该偏差稳定在不足以引起多级电源轨模块100进行输出电压切换的范围内，多级电源轨模块100以最匹配的驱动电压源进行输出，且电流输出稳定，满足基本精度要求。
70.同理，当需要的输出电流i较小时，上位机给定较小的电压vin，此时运放u1a的同相输入端电压变小，致使运放u1a的同相输入端电压小于运放u1a的反相输入端电压，从而运放u1a的输出电压变小，多级电源轨模块100切换到更低电压输出，流经外部负载rl和采样电阻rj的输出电流i变小，进而在负反馈取样模块200的作用下，反馈电压vf降低，运放u1a的反相输入端电压降低；然后，运放u1a根据同相输入端电压以及变化后的反相输入端电压继续进行输出调节，以减小运放u1a的反相输入端电压与同相输入端电压之间的偏差(也即减小给定电压vin与反馈电压vf之间的偏差)，使系统趋于稳定，最终该偏差稳定在不足以引起多级电源轨模块100进行输出电压切换的范围内，多级电源轨模块100以最匹配的驱动电压源进行输出。
71.可选的，仍参见图2，上述负反馈控制模块300还可包括：电容c2和电容c3；电容c2一端接地，另一端接运放u1a的同相输入端；电容c3连接在运放u1a的反相输入端与运放u1a的输出端之间。电容c2为运放前馈电容，起调节环路稳定性的作用；电容c3为输入电压滤波电容，起稳压作用，防止输入的给定电压vin抖动。
72.可选的，基于上述公开的任一实施例，仍参见图2，负反馈取样模块200中的转换模块包括：电阻ra、电阻rb、电阻r4、电阻r5、电阻r6、n型开关管m以及运放u1b；
73.其中，多级电源轨模块100的输出端接采样电阻rj和电阻ra的一端，采样电阻rj的另一端接外部负载rl和电阻r5的一端，外部负载rl的另一端接地；
74.电阻ra的另一端接电阻r4的一端和n型开关管m的电能输入端，电阻r4的另一端接运放u1b的同相输入端，电阻r5的另一端接运放u1b的反相输入端，运放u1b的输出端经电阻r6接开关管m的控制端，开关管m的电能输出端接电阻rb的一端和负反馈控制模块300的输入端，电阻rb的另一端接地。
75.上述负反馈取样模块200的工作原理如下：
76.当ao模块外部负载rl和输出电流i的乘积处于阈值之内时，运放u1b处于深度负反馈，根据运放u1b的“虚断”特性可知，电阻r4和电阻r5上没有电流流过，所以电阻r4两端电压和电阻r5两端电压均为零；又根据运放u1b的“虚断”特性可知，模块200的输入端与运放u1b的同相输入端之间的电压差，等于模块200的输入端与运放u1b的反相输入端之间的电压差，所以电压v
rj
＝v
ra
，其中，v
rj
为采样电阻rj两端电压，v
ra
为电阻ra两端电压。
77.电流流经电阻ra和电阻rb只有一条回路，所以流经电阻ra和电阻rb的电流必然是相等的即i
ra
＝i
rb
，所以v
rb
＝v
ra
*rb/ra，v
rb
为电阻rb两端电压。又由于v
rj
＝v
ra
，所以v
rb
＝v
rj
*rb/ra。
78.多级电源轨模块100切换到更高电压输出时，流经外部负载rl和采样电阻rj的输出电流i变大，采样电阻rj两端电压v
rj
升高，由于v
rb
＝v
rj
*rb/ra，所以电阻rb两端电压v
rb
也即反馈电压vf升高。从而，输出电流i的大小变化映射到反馈电压vf上。负反馈控制模块200根据给定电压vin与电阻rb两端电压v
rb
之间的偏差，调整电阻rb两端电压v
rb
大小，也即根
据需要的输出电流i与实际输出电流i之间的偏差，调整实际输出电流i大小。
79.可选的，仍参见图2，上述负反馈取样模块200还可包括：电容c1；电容c1连接在运放u1a的反相输入端与运放u1a的输出端之间。电容c1为运放前馈电容，起调节环路稳定性的作用。
80.可选的，在上述公开的任一实施例中，参见图3，模拟量电流输出模块还可包括：缓冲模块；所述缓冲模块与外部负载rl串联，起限流作用。
81.在多级电源轨模块100进行输出电压切换瞬间，运放u1a和u1b整个反馈回路还未进入深度负反馈时，此时输出电流i不受控，而缓冲模块的主要作用正是在此期间限制输出电流i的大小，防止外部负载rl过流损坏。在一个实施例中，所述缓冲模块可以采用三极管限流或者采用集成的限流芯片，并不局限。
82.可选的，在上述公开的任一实施例中，仍参见图3，模拟量电流输出模块还可包括：与外部负载rl相串联的防倒灌二极管。
83.在图3中，输出电流在电路设计时，可以通过选择较大的电阻ra、rb，从而降低流过ra、rb和m4的电流，从而最大程度地提高效率，同时降低负反馈取样模块200的发热和温漂。另外，针对ra、rb和rj，可以使用高精度、低温漂电阻器，以最大程度减少电阻不匹配和温度漂移导致的误差。
84.此外，本发明实施例还公开了一种自动控制系统，包括：如上述公开的任一种模拟量电流输出模块。
85.可选的，所述模拟量电流输出模块为dcs或plc。
86.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的自动控制系统而言，由于其与实施例公开的模拟量电流输出模块相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见模拟量电流输出模块部分说明即可。
87.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的不同对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
88.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
89.对于系统实施例而言，由于其基本相应于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可
以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
90.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(randomaccess memory，ram)等。
91.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。