一種功率電磁閥的自適應(yīng)節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路

鄒佳鑫， 邵德立， 吳昌昊

（中國(guó)兵器裝備集團(tuán) 自動(dòng)化研究所， 四川 綿陽(yáng) 621000）

0 引言

對(duì)于絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體而言，溫度越高，靜態(tài)電阻越大，溫度越低，靜態(tài)電阻越小。 電磁閥是由多匝線圈繞制而成的一種感性部件， 它的理論模型等效于一個(gè)電感L和一個(gè)電阻R 的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。 因此，電磁閥在不同環(huán)境溫度下表現(xiàn)出的靜態(tài)電阻是不一樣的。 當(dāng)功率電磁閥工作在高溫環(huán)境中， 此時(shí)的靜態(tài)電阻相比常溫下的靜態(tài)電阻會(huì)有較大增幅， 在數(shù)百攝氏度的極端情況下其靜態(tài)電阻甚至能達(dá)到常溫下靜態(tài)電阻的1.5 倍～2 倍。 若按照功率電磁閥的常溫狀態(tài)提供的驅(qū)動(dòng)電壓將在高溫狀態(tài)下難以滿(mǎn)足啟動(dòng)瞬間電磁閥負(fù)載對(duì)供電電壓的需求。 為了應(yīng)對(duì)這種情況， 本文提出了一種自適應(yīng)功率電磁閥節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路，能夠從根本上解決上述問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案介紹

電磁閥驅(qū)動(dòng)電流波形介紹。

圖1 電磁閥驅(qū)動(dòng)電流波形圖

圖1 中，Imax為電磁閥激活電流值，Imin為電磁閥保持電流值，t1～t2為激活電流建立時(shí)間，t2～t3為電磁閥激活時(shí)間，t3～t4為激活狀態(tài)到保持狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，t4～tn0為電磁閥保持時(shí)間，tn1～tn2為電磁閥關(guān)閉時(shí)間。

常見(jiàn)的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路由固定單電源加可調(diào)電阻式供電或是雙電壓式供電[1]，這類(lèi)控制方式默認(rèn)負(fù)載的阻抗特性基本不變，直接使用恒壓電源進(jìn)行供電，通過(guò)恒流控制電路直接產(chǎn)生需求的驅(qū)動(dòng)電流， 這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)在于電路相對(duì)簡(jiǎn)單， 而缺點(diǎn)是對(duì)負(fù)載電流的控制需要建立在負(fù)載電阻基本不變或者變化范圍相對(duì)較小的情況。因電磁閥本身的靜態(tài)電阻的變化可能導(dǎo)致下述兩種極端情況的出現(xiàn)。 一種情況是所用供電電源提供的供電電壓能夠驅(qū)動(dòng)最大靜態(tài)電阻的功率電磁閥， 但當(dāng)功率電磁閥不在最大靜態(tài)電阻狀態(tài)時(shí)， 會(huì)有大量的能量消耗在恒流電路的功率MOS 管上， 增加了功能模塊的熱散功耗，如果功率MOS 管的溫度超過(guò)了它的結(jié)溫還會(huì)燒毀功率MOS 管； 另一種情況是供電電源的供電電壓僅能夠驅(qū)動(dòng)正常靜態(tài)電阻下的功率電磁閥， 但當(dāng)高感電磁閥處于較大靜態(tài)電阻狀態(tài)時(shí)，供電電壓不能提供所需的激活電流，致使無(wú)法正常驅(qū)動(dòng)功率電磁閥。 上述的兩種情況均是由于功率電磁閥的靜態(tài)電阻的改變而出現(xiàn)的異常情況。 本文提出的自適應(yīng)控制算法的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)就在于解決后級(jí)負(fù)載的靜態(tài)電阻變化范圍較寬的問(wèn)題。

2 自適應(yīng)節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路方案設(shè)計(jì)

本文所述的自適應(yīng)節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路主要包括可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源電路和恒流控制電路， 配合靜態(tài)輔助電源和開(kāi)關(guān)二極管以實(shí)現(xiàn)電路啟動(dòng)瞬間對(duì)功率電磁閥的靜態(tài)電阻進(jìn)行檢測(cè)， 通過(guò)主控制器內(nèi)部的環(huán)路控制算法達(dá)到對(duì)功率電磁閥節(jié)能驅(qū)動(dòng)的目的。 如圖2 所示，其工作原理為：

靜態(tài)輔助電源的輸出電壓是固定不變的， 且一直保持輸出狀態(tài)。默認(rèn)狀態(tài)下，主控制器向可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源電路發(fā)送最小輸出碼字，使可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源電路輸出0V，此時(shí)開(kāi)關(guān)二極管D1截止，開(kāi)關(guān)二極管D2導(dǎo)通，由靜態(tài)輔助電源作為功率電磁閥的驅(qū)動(dòng)電源使用 （實(shí)際驅(qū)動(dòng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠），在恒流控制電路中的采樣電阻上形成一個(gè)較小電壓差， 可根據(jù)檢測(cè)到的采樣電阻上的電壓推算出此時(shí)的電磁閥的靜態(tài)電阻值。 主控制器通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到功率電磁閥的靜態(tài)電阻數(shù)據(jù)后， 帶入環(huán)路控制算法中計(jì)算得到此時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)電壓值， 并立即通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器向可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源電路輸出對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓的參考電壓值，一旦可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓大于靜態(tài)輔助電源的輸出電壓，開(kāi)關(guān)二極管D1導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)二極管D2將截止。 整個(gè)運(yùn)行電路切換為由可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源電路向功率電磁閥供給安全有效且大小合適的驅(qū)動(dòng)電源。

圖2 自適應(yīng)功率電磁閥節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)框圖

3 軟件仿真設(shè)計(jì)

3.1 可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

基于Multisim 仿真軟件， 利用MCU、8 位并行DAC芯片和壓控電壓源等元器件設(shè)計(jì)可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源電路，如圖3 所示。 當(dāng)MCU 以并口的形式向8 位并行DAC 芯片發(fā)送碼字，與其輸出電壓一一對(duì)應(yīng)，由于使用的基準(zhǔn)電壓為5V，因此DAC 的滿(mǎn)量程輸出電壓約為5V，經(jīng)過(guò)固定放大倍數(shù)為100 倍的壓控電壓源得到實(shí)際所需的驅(qū)動(dòng)電源。如圖3 所示，壓控電壓源V1 的輸出范圍約為0V～500V，可調(diào)輸出的步進(jìn)值約1.953V。

圖3 可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源仿真電路圖

3.2 恒流控制電路設(shè)計(jì)

基于Multisim 仿真軟件的恒流控制電路可簡(jiǎn)單地由MCU、8 位并行DAC 芯片以及功率MOS 管組成模擬電路， 如圖4 所示。 由于功率MOS 管的柵極閾值電壓約4～5V，因此用10V 電源作為DAC 芯片的參考電壓，輸出最大為10V，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)功率MOS 管的開(kāi)關(guān)控制和恒流控制。

圖4 恒流控制電路仿真電路圖

3.3 環(huán)路控制算法設(shè)計(jì)

自適應(yīng)功率電磁閥節(jié)能驅(qū)動(dòng)仿真電路如圖5 所示。

圖5 自適應(yīng)功率電磁閥節(jié)能驅(qū)動(dòng)仿真電路圖

如上圖所示的仿真電路，R1為功率電磁閥的靜態(tài)電阻，R2為采樣電阻，開(kāi)關(guān)二極管D1的導(dǎo)通壓降約0.7V，默然所用靜態(tài)輔助電源輸出24V 電壓， 為提高電流回采數(shù)據(jù)的精度，選用16 位ADC 作為轉(zhuǎn)換芯片，但該芯片需預(yù)留一個(gè)使能端口以及一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)束端口作為控制端口，因此16 位ADC 在本設(shè)計(jì)電路中只用到了高14 位，回采精度達(dá)0.3mV，滿(mǎn)足應(yīng)用需求。 當(dāng)U3為滿(mǎn)量程輸出時(shí)，功率MOS 管為全開(kāi)狀態(tài)，其漏源電壓可忽略不計(jì)。 因此檢測(cè)電流Itest與靜態(tài)電阻R1的關(guān)系為：

此時(shí)ADC 芯片的檢測(cè)電壓與靜態(tài)電阻R1的關(guān)系為：

主控制器U1 接收到來(lái)自P1 口和P3 口的有效碼字（命名為adc_bin）為：

由此， 主控制器通過(guò)讀取P1 口和P3 口的有效碼字得到R1的值。

驅(qū)動(dòng)功率電磁閥所需的驅(qū)動(dòng)電壓Vd為：

因此所需的壓控電源的前端電壓為：

此時(shí)主控制器U1 的P0 口應(yīng)該輸出的有效碼字為：

由上述各式共同形成了一個(gè)環(huán)路控制算法。

基于上述各公式算法，以C 語(yǔ)言的形式對(duì)8051 主控制器進(jìn)行編程， 得到常溫狀態(tài)下功率電磁閥的仿真結(jié)果如下所示。電磁閥的激活電流默認(rèn)為250mA，保持電流為150mA，此時(shí)的靜態(tài)電阻為800Ω。 如圖6 所示，4 通道示波器的A 通道監(jiān)測(cè)功率電磁閥高側(cè)端電壓，B 通道監(jiān)測(cè)功率電磁閥低側(cè)端電壓（同時(shí)也是功率MOS 管的漏極電壓），C 通道監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電流， 按1V/mA 的比例轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行顯示，D 通道監(jiān)測(cè)回采電壓。

圖6 常溫狀態(tài)下的激活電流仿真波形圖

當(dāng)激活電流保持400ms 后，自動(dòng)調(diào)整到150mA 的輸出狀態(tài)，仿真情況如圖7 所示。 整個(gè)仿真過(guò)程無(wú)需人為外加干涉，自動(dòng)運(yùn)行并輸出波形。

圖7 常溫狀態(tài)下的保持電流仿真波形圖

在主控制器的仿真代碼不變的情況下。在仿真電路中將功率電磁閥的靜態(tài)電阻R1的值改為1600Ω，以模擬在高溫環(huán)境下的啟動(dòng)運(yùn)行情況，仿真情況如圖8 所示。

如圖8-9 所示，不管電磁閥的靜態(tài)電阻是800Ω 還是1600Ω，均能有效得到對(duì)應(yīng)的激活電流和保持電流，且在功率MOS 管上以漏源電壓的形式存在的電壓是B 通道監(jiān)測(cè)電壓減去D 通道監(jiān)測(cè)電壓， 這個(gè)電壓保持在較低電壓水平， 保證了功率MOS管不會(huì)因漏源電壓過(guò)大而快速升溫， 影響其電性能特性， 在保證恒流輸出的情況下， 盡可能地降低了輸出驅(qū)動(dòng)電源的大小， 由此達(dá)到節(jié)能驅(qū)動(dòng)的目的。

圖8 高溫狀態(tài)下的激活電流仿真波形圖

圖9 高溫狀態(tài)下的保持電流仿真波形圖

4 結(jié)論

本文以解決功率電磁閥在不同環(huán)境溫度下因靜態(tài)電阻差異較大而影響電路正常驅(qū)動(dòng)為主要目的， 提出了一種自適應(yīng)功率電磁閥節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)仿真分析，本電路能在正常驅(qū)動(dòng)未知阻值的功率電磁閥的同時(shí)， 降低總供電電源的輸出電壓，減少了功率MOS 管的漏源電壓損耗，降低了整個(gè)系統(tǒng)的功率開(kāi)銷(xiāo)以及熱散功耗，提高了應(yīng)用電路的可靠性。