- 頭條創新的電路設計，顯著提升低功耗高速電磁鐵的性能2019-11-11 作者：李勇、黃慶林 等 | 來源： | 點擊率：導語溫州大學機電工程學院的研究人員李勇、黃慶林、谷璐璐、趙楊、任燕，在2019年第2期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“一種雙電壓合成信號脈寬調制的低功耗高速電磁鐵驅動電路”），針對提升電液控制系統動態和穩態性能的需求，提出一種雙電壓合成信號脈寬調制的低功耗高速電磁鐵驅動電路。 與常見的雙電源切換電路不同，該電路通過單穩態觸發器電路、反相輸入求和電路、反相比例運算電路合成一個雙電壓信號，與高頻三角波電路比較產生一個雙占空比的脈寬調制信號，最后經功率放大級輸出，實現初始階段100%占空比脈寬調制信號使電磁鐵線圈電流急速上升驅動銜鐵高速運動，運動結束后又以10%占空比實現低功耗保持，避免了雙電源切換電路設計的復雜性和實時性問題。 基于上述原理，建立高速電磁鐵及驅動電路的理論模型，仿真分析電磁鐵的動態和穩態性能，并結合原型樣機進行實驗驗證。研究結果表明：與典型恒定電壓或恒定占空比控制方式相比，性能明顯提高，該驅動電路作用下的電磁鐵在2.5mm行程內開啟時間為10ms，關閉時間為22ms，穩態功耗為0.3W，可更好地滿足低功耗高速電磁鐵的驅動要求。
高速電液閥已廣泛運用在航空航天、柴油機燃油噴射系統、車輪的防抱死制動系統、汽車減震器、深海、野外等眾多領域。作為高速電液閥的核心元件，電-機械轉換器的特性直接影響著整個系統的控制性能。因此，如何提升電-機械轉換器的特性尤其是動態和穩態性能，已成為近年來國內外研究的熱點。
目前國內外對高速電-機械轉換器的研究主要體現在高性能磁性材料和驅動電路兩個方面。一方面，超磁致伸縮材料和新型壓電PZT等新型材料在高速電-機械轉換器上的應用提高了電液閥的動態響應特性，但是受到新型材料的應用局限性及產權保護等限制，國內對于高性能磁性材料在高速電液閥的應用研究一直未能獲得突破性的進展；另一方面，國內外研究機構在高速電-機械轉換器的驅動電路方面作了大量的研究，其主要的控制方式有模擬電路控制、數字脈寬調制（PWM）控制、雙電壓控制或多電壓控制。
A. Kumar等提出一種高頻響應的高壓電磁噴油器驅動電路[11]，分別對三級功率晶體管驅動電路、單脈沖驅動電路、三級功率MOSFET管驅動電路進行對比，研究結果表明：采用MOSFET管驅動延遲時間最短，在保持階段采用PWM控制有利于電磁噴油器的關閉。Cheng Qiang等通過仿真表明在不同的驅動策略下，電磁閥的功率損耗和動態響應特性有顯著差異，并通過實驗進行驗證。
郭樹滿等通過研究電磁閥在不同階段對電流變化快慢的不同要求，提出一種基于自舉電路的電磁閥驅動電路，提高了其保持階段電流的穩定性、關閉階段的響應特性和控制精度。王瓊等提出一種PWM維持占空比方式控制，并基于Matlab/Simulink建立仿真模型分析開關特性及關鍵參數對維持占空比、關閉速度的影響，表明該驅動電路能有效提高開關閥的響應速度。
田靜等提出一種基于2501單片機的脈寬調制電路，運用此驅動電路，高速開關閥開啟時間由4.9ms降低到3.9ms。陳仲華等提出一種高推力永磁游標直線電機的開放式繞組空間矢量脈寬調制（Space Vector PWM, SVPWM）控制策略，該控制方式使電機系統具有較好的動態特性。夏鯤等提出一種電流反饋的分段式PWM控制方法，減小電機的轉矩波動，提高伺服系統輸出轉矩的穩定性。
雙電壓控制或多電壓控制主要思路是采用大電流開啟，小電流保持，縮短了電-機械轉換器開啟和關閉時間，降低了線圈發熱，來實現高頻響和低功耗等特性，是目前高速電-機械轉換器驅動電路研究的一個重要方向。Lu Haifeng等對不同的驅動方式進行了分析，提出一種基于雙電源的預激勵和反向激勵控制策略，該驅動方式明顯降低了電磁噴油器開關響應時間。
湯龍飛等提出一種高壓直流閉環起動，低壓直流閉環保持的智能控制模塊，實現閉環反饋的控制方式。張斌等提出一種三電壓控制策略，通過仿真分別就常規PWM控制、雙電壓控制和三電壓控制進行對比，結果表明三電壓控制在降低電磁閥開關時間上明顯優于前兩者，而且可控頻率和可調占空比范圍大。
Lee Y. 等提出一種三電壓驅動電路，通過實驗驗證該驅動電路較恒定電壓驅動方式，高速開關閥開啟時間從5ms降低到1.55ms，關閉時間由2.2ms降低到1.95ms。雙/多電壓驅動方式能有效提高電-機械轉換器的動態和穩態性能，但是目前的技術要在多個不同的電源或功率放大電路之間進行切換，對切換的實時性要求較高，電路設計較為復雜。
高速電磁鐵是一種結構簡單、直線驅動、響應快、成本低的電-機械轉換器，本文的研究重點在于通過驅動電路的創新設計提高動態響應和降低穩態功耗。為了解決雙/多電壓驅動方式多個電源或功率放大級切換電路的缺點，提出一種雙電壓合成信號脈寬調制的低功耗高速電磁鐵驅動電路，先由控制信號合成雙電壓信號，再產生一個前后占空比不同且可調的脈寬調制信號，最后由功率放大級來驅動高速電磁鐵。基于上述原理，建立高速電磁鐵及驅動電路的理論模型，仿真分析驅動電路電氣參數對高速電磁鐵動態和穩態性能的影響，并結合實驗進行驗證。
圖1 高速電磁鐵結構示意圖
圖2 驅動電路結構
圖13 高速電磁鐵及驅動電路測試系統
結論
1）提出一種雙電壓合成信號脈寬調制的低功耗高速電磁鐵驅動電路，該電路先由單穩態觸發器電路輸出的觸發信號與控制信號合成雙電壓信號，再經比較器輸出一個前后占空比不同且可調的脈寬調制信號，最后由功率放大級來驅動高速電磁鐵，解決引言中雙/多電壓驅動方式多個電源或功率放大級切換電路的缺點。
2）建立了高速電磁鐵及驅動電路的理論模型，通過仿真分析證明了該低功耗高速電磁鐵驅動電路的可行性，并探討了驅動電路主要電氣參數如驅動電壓、PWM信號頻率、PWM信號占空比等對高速電磁鐵動態、穩態性能的影響規律，為驅動電路原型樣機的制作提供參數設計依據。
3）與典型恒定電壓和恒定占空比控制方式相比，該驅動電路作用下的電磁鐵動態、穩態性能明顯提高，開啟時間為10ms，關閉時間為22ms，穩態功耗為0.3W，表明該驅動電路具有動態響應快、穩態保持功率低、無需雙電源切換電路等優勢，更好地滿足了低功耗高速電磁鐵的驅動要求。
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