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1、Field Applications应 用 指 南Field Applications 852 0 0 6 . 2w w w . e c n c h i n a . c o m工作原理随着微电子技术的飞速发展，以机、 电、 液三位一体为特征的高速数字控制系统进入了前所未有的发展，高速数字开关阀（H S V ）是该技术成功应用的一个典范。以H S V 为核心的执行器具有快速响应、 低成本、 抗污染的特点，其应用范围和领域正在不断地扩展。在现代高压开关设备和工业控制系统中，电磁阀的响应时间直接影响着整个系统的性能。影响电磁阀的性能除了阀本身的特性外，驱动电路也是一个重要的环节。 因此， 分析与设计
2、一种新型高速电磁阀驱动电路H i g h - s p e e d V a l v e D r i v e r D e s i g n B a s e d o n P W M中国矿业大学 （北京） 机电与信息工程学院 郑 萍 李广荣 郑云 刘鲜芳摘 要：本文详述了高速电磁阀（H S V ）驱动电路的原理，利用高压侧栅级驱动与P W M 实现了电磁阀的快开、快闭及电流平稳控制。 该驱动电路具有开闭效果好、 功耗低、 控制信号频率适应范围广， 可驱动高压线路。 电磁阀的开启电流、保持电流大小、P W M 信号频率和占空比均可调节等优点，并给出了驱动电路的参数选择方法。关键词：电磁阀；栅级驱动；P W
3、 M一个的快速开关的驱动电路, 对于进一步提高工控系统的性能具有重大的意义。本文所探讨的驱动高速电磁阀具有快开、 快闭特点， 其开闭频率能达到毫秒级。 基本原理图如图1 所示， 驱动电路由高压侧开关S 1 、低压侧开关S 2和两个超快恢复二极管构成。控制信号控制开关S 1 、S 2 的开闭，从而实现对电磁阀开闭的控制。电磁阀的开启可以通过加大电流来加快开启速度，电磁阀开启后小电流即可维持其开启状态。对于电流的控制可通过开关S 2 实现， 如图2 所示。 开始时S 1 、 S 2 同时闭合使电流迅速增大， 电磁阀快速开启 ；一定时间后S 2 断开，电流下降，随后S 2 在 P W M 控制下维持
4、小电流工作，使电磁阀保持开启状态。 S 1 、 S 2 同时断开后，电磁阀线圈中的电流经由两个超快恢复二极管D 2 、D 1 迅速降为0 ，电磁阀迅速关闭（如图3 所示） 。电路设计与调试高速电磁阀的驱动电路由提供高、低压侧栅级驱动的开关电路和提供低压侧驱动控制信号的控制电路构成。图1 高速电磁阀驱动原理图图2 S 2 对电流的控制作用图3 电磁阀迅速关闭Field Applications应 用 指 南F i e l d A p p l i c a t i o n s862 0 0 6 . 2w w w . e c n c h i n a . c o m设计和调试时使用2 K H z 方波控
5、制信号作为高压侧开关控制信号，同时作为控制电路的输入产生低压侧开关控制信号，电磁阀开启峰值电流应能达到4 A ，保持电流应能达到1 A 。开关电路设计开关元件选用I R F 6 4 0 ： N 沟道功率MOS。低压侧栅极驱动开启电压，可直接通过 T T L 信号控制。而高压侧栅极驱动时则应满足以下3 个条件 ： 栅级电压一定要比漏极电压高1 0 1 5 V ； 栅级电压从逻辑上看必须是可控的， 它通常以地为参考点 ； 栅级驱动电路吸收的功率不会显著地影响总效率。因此高压侧栅级驱动I C 选用 I R 2 1 1 0 ，对高压高速功率M O S 管驱动，高压侧干线最高电压5 0 0 V 。高压侧
6、驱动采用自举电路的方式来满足高压侧栅极驱动的要求。开关控制电路如图4 所示：Q 1 为高压侧开关，Q 2 为低压侧开关，C 1 为自举电容，D 1 为自举二极管，H 、L 分别接两个开关的控制信号。2 K H z 方波控制信号直接输入H 端。 自举电容和自举二极管是仅有的在电路中有严格要求的外接元件，应仔细计算选择。 自举电容值的计算 ： 下列公式列出了自举电容应该提供的最小电荷要求 ：其中： ：高端器件栅极电荷， 对于I R F 6 4 0 为7 0 n C ， f ： 工作频率，：自举电容漏电流 （铝电解电容时考虑）, ： 每个周期内， 电平转换电路中的电荷要求, 对于I R 2 1 1
7、0 为5 n C 。最小电容值可以由下式计算 ：其中：Vf：自举二极管正向压降，VL S：低端器件压降或高端负载压降。 另外，自举电容要尽可能靠近I C的管脚， 至少有一个低E S R 的电容提供就近耦合。 例如 ： 如果使用了铝电解电容做为自举电容，就应再用一个瓷电电容；如果自举电容是瓷电或钽电容，自己直接和地耦合 也 就 足 够了。自举二极管的选择：在高端器件开通时，自举二极管必须能够阻止高压，并且应是快恢复二极管，以减小从自举电容向电源 VC C的回 馈电荷。如果电容需要长期贮存电荷时，高温反向漏电流指标也很重要。二极管的额定电流值由和工作频率的乘积得到，二极管特性：= 功率端电压， 最
8、大= 1 0 0 n s ， 。控制电路设计控制电路用来产生与高压侧开关控制信号相对应的低压侧开关控制信号，原理图如图5 所示。M 7 4 H C 4 5 3 8 产生的单稳态信号与 S G 2 5 2 4产生的P W M 信号经由或门7 4 H C T 3 2 复合产生低压侧控制信号。M 7 4 H C 4 5 3 8 为双可重触发单稳态图5 控制电路图4 开关控制电路图6 双可重触发的单稳态电路Field Applications应 用 指 南Field Applications 872 0 0 6 . 2w w w . e c n c h i n a . c o m触发器，用来产生开关S
9、 2 的闭合保持信号与S G 2 5 2 4 的关闭保持信号。电路如图 6所示。高压侧开关控制信号由1 A 、 2 A 分别输入两个单稳态触发器， 两个延时时间分别由R 6 、C 6 和R 7 、C 7 确定：= 0 . 7 2 C 6 R 6 ；= 0 . 7 2 C 7R 7 。 Q 1 输出开关S 2 的闭合保持信号，Q 2 输出S G 2 5 2 4 的关闭保持信号。通过可变电阻R 6 、 R 7 可以调节和时间。S G 2 5 2 4 为 P W M 专用控制 I C ，用来产生P W M 信号， 电路如图7 所示。 高压侧开关控制信号通过可变电阻R 8 接入 C O M P 使 S
10、 G 2 5 2 4 产生与高压侧开关控 制 信 号 等 宽 的 P W M 信 号 。M 7 4 H C 4 5 3 8 中 Q 2 输出的关闭保持信号输入S H U T ，使 S G 2 5 2 4 的 P W M 信号关闭 tw 2时间。P W M 控制信号由E A 、E B 输出。P W M 信号的占空比由可变电阻R 8 调节，P W M 振荡频率由 R 5 、C 5 确定，可通过可变电阻R 5 调节。M 7 4 H C 4 5 3 8 输出的S 2 闭合保持信号与 S G 2 5 2 4 输出的 P W M 控制信号通过或门 7 4 H C T 3 2 复合后即为低压侧开关控制信号
11、（输入开关电路的L 端） ： S 1闭合时，S 2 先闭合tW 1时间后断开 （tw 2 tw 1） 时间， 再以频率f 工作 （闭合与断开时间由 P W M信号的占空比决定）至 S 1 断开时断开。 在具体不同的工控系统中使用时， 电磁阀应先通小电流，再逐渐增大至目标电流。因此应先缩短S 2 的闭合保持时间tw 1，延长P W M 关闭保持时间tw 2，降低P W M 振荡频率f ，减少P W M 占空比。控制电路中C 5 、C 6 、C 7 均选用0 . 0 1 F 瓷电电容。控制信号为2 K H z ，高压侧开关闭合时间1 m s 。电流测量电路设计与标定由于高速电磁阀的开启电流较大，因
12、此需要设计专门的电流测量电路，如图8 所示。右侧由三极管Q 3 、Q 4 与电阻R 9 、R 1 0 、R 1 1 、R 1 2 构成镜象电流源， 流经电磁阀的电流iR与iC成比例。因此可以通过测量T P 2 测点的电压， 即可知流经电磁阀的电流。电流测量电路使用前应先进行标定，标定电路如图9 所示。 为1 0 水泥电阻， 标定时接 1 0 V 电源，iR 1 A ，调整R 1 0 、R 1 2使 T P 2 电压为 1 V 。则 1 A 电流对应1 V电压， 由T P 2 测得的电压值即为通过线圈的电流值。图 7 S G 2 5 2 4 P W M 电路图8 电流测量电路图9 标定电路图1
13、0 驱动电路与电流测量电路的连接Field Applications应 用 指 南F i e l d A p p l i c a t i o n s882 0 0 6 . 2w w w . e c n c h i n a . c o m高速电磁阀驱动电路的整合调试高速电磁阀驱动电路在正式投入控制系统使用时，为了使线圈中通过合适的电流， 需接入电流测量电路， 调整各个可变电阻的值，接法如图1 0 所示。 接入电源方波控制信号后，由T P 2即可测得流经电磁阀的电流波形。电流波形通过控制电路的可变电阻 R 5 、R 6 、R 7 、R 8 进行调整，增大R 6 可提高电磁阀开启峰值电流，减小R 7
14、 可提高电磁阀保持电流，调整R 8 可使保持电流呈水平波动，减小R 5 可平缓保持电流的波动。通过调整以上几个可变电阻阻值可以将电磁阀开启峰值电流调至4 A ，保持电流调至1 A 。若低压侧开关元件过热可适当增大 R 5减小 P W M频率以减少元件开关次数。方波信号的调制M C 6 8 H C 9 1 2 D 6 0 A 是 F r e e s c a l e 公司生产的一种高性能微处理器，它采用了 H C M O S工艺、工作温度范围广、可靠性高、 抗干扰能力强， 能够进行实时中断和W a t c h d o g 等功能，所以它在工控领域尤其是高温、振动领域得到了广泛的应用。它的片内包括1
15、 6 位的中央处理器、6 0 K字节的 f l a s hE E P R O M 、2 K 字节的 R A M 、1 K 字节的E E P R O M 、一个 1 6 位的增强型的定时器、4 通道可独立得P W M 产生模块、两个 C A N 通讯模块等。增强型的定时器有8 个输入捕捉、输出比较通道（I C /O C ） ， 每个输入比较通道各有一个1 6 位的输入捕捉寄存器， 其中4 个输入比较口还各具有一个缓冲保持寄存器，这允许每采样两次产生一次中断。 4 路可选择的抗干扰输入延时计数器可以分辨输入信号的真伪。独立的P W M 子模块能够提供4个独立的 8位 P W M ，也可以产生2 路
16、1 6 位的P W M 或者 1 路1 6 位P W M 和2 路独立的 8位 P W M 。每个 P W M通道具有可程控的 P W M周期和占空比。灵活的时钟选择允许4 路 P W M 选择不同的时钟周期，它们的周期范围可为2 5 0 n s 1 s , 可以产生4 种不同类型的方波。本驱动电路的控制方波信号采用4 路独立的 P W M通道和可调占空比参数， 采样信号采用8 路输入保持控制寄存器。线圈电流变化曲线为了获得理想的驱动电流和可靠性，设计了高压开启低压保持型电磁阀驱动电路，选取了1 0 0 V 驱动电压，并利用示波器监测电磁阀工作情况，图1 1 是示波器采集到的电磁阀线圈的电流变化
