CN1967035B - 一种双电压峰值保持高速电磁阀驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁阀驱动电路技术领域，具体为一种高速电磁阀双电压峰值保持驱动电路。本发明采用并联式双电压驱动。低端驱动电路在控制脉冲到来时一直导通，高端驱动电路则随控制脉冲上升沿的到来而导通，至驱动电流达到设定峰值时由简单分立元件构成的限流电路关断，电磁阀驱动电路进入仅有低端驱动电路作用保持阶段。在低端驱动电路配置泄压电阻，以解决电磁阀关断瞬间低端驱动电路无法跟上电磁阀及高端电路泄流过程的问题。在电磁阀续流上，采用为电磁阀并联压敏电阻的方法去除电磁阀关断瞬间的感应电压尖峰，并通过合理选定压敏电阻耐压值和MOS管源漏极耐压值，既去除了感应电压尖峰，又保证了阀门关断速度。该驱动电路驱动阀门，速度快，寿命长，易扩展应用。

Description

一种双电压峰值保持高速电磁阀驱动电路

技术领域

本发明属于电磁阀驱动电路，尤其涉及一种双电压峰值保持高速电磁阀驱动电路。

背景技术

电磁阀动作的执行是通过控制其驱动电流实现的，而对于特定的驱动电路，驱动策略直接决定了驱动电流的变化。所以，对电磁阀性能的要求最终将通过特定的驱动策略实现。电磁阀驱动的优化目标主要有两点：能量损耗和响应时间。在高频应用场合，减少不必要的电磁阀驱动损耗对降低***功耗有重要意义。响应时间是指从电磁阀线圈通电到电磁阀阀杆完成某一动作的时间间隔，如从通电到开始运动的时间间隔，高频应用场合要求电磁阀的响应时间非常短，即必须使用高速电磁阀和相应的驱动电路。缩短电磁阀的响应时间主要依靠提高驱动电压从而提高峰值电流实现，但是这只在一定的范围内作用明显。原因在于磁饱和现象，进入磁饱和状态后，虽然驱动电流和磁场强度仍将增大，但是磁感应强度增长速度变慢，这将直接导致电磁力的增长速度变慢。因此，合理控制峰值电流既能够获得一定的电磁阀响应速度，又能够降低整个驱动电路和电磁阀的损耗。此外，电磁阀在完全打开后，只需要较小的维持电流保持自身开启。这就需要峰值保持驱动电路。

电磁阀驱动技术种类众多，按驱动电源的个数可以分为单电压驱动技术和双电压驱动技术。单电压驱动技术的特点是只有单一的驱动电源，同时承担提升驱动电流至峰值与维持驱动电流两种功能，在设计时往往以降低能量消耗为优化原则，故其快速响应能力较差，其应用对象往往是对电磁阀响应速度要求不高的驱动电路，如压力控制电磁阀驱动电路。传统的驱动电路大多采用该技术。双电压驱动技术指驱动电路采用了一高一低两个驱动电压，前者迅速提升驱动电流至峰值，后者负责在电流的维持阶段提供足够的能量。双电压驱动电路能同时能满足响应速度与能量消耗的要求，因而将在高速阀门驱动中得到广泛应用。

现有的双电压峰值保持驱动电路存在如下问题：

(1)设计复杂，成本较高；

(2)常常需要微处理器参与峰值保持过程，增大了微处理器负荷；

(3)解决了电磁阀关断时的续流和去除感应电压尖峰的问题，但是阀门关闭时间仍然较长，不适用于高频应用场合；

(4)在低端驱动电路的输出端正串了整流二极管，防止高端驱动电压反灌，这对电磁阀续流和去除感应电压尖峰没有任何影响，却使低端驱动电路的感应电压泄放不畅，影响低端驱动电路的寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种双电压峰值保持高速电磁阀驱动电路，该驱动电路除了能够提高电磁阀响应速度和降低电磁阀驱动功耗，还具有成本低，设计简单，可降低微处理器负荷的特点；并且既能有效续流和去除感应电压尖峰又能缩短电磁阀关断时间；此外，对低端驱动电路进行优化设计，提高其寿命。

本发明提出的电磁阀驱动电路，包括6个部分：隔离电路、高端限流电路、高端驱动电路、低端驱动电路、去峰及电流检测电路和峰值电流设定电路。其结构如图1所示。

隔离电路2用于将阀门驱动电路和发出阀门控制脉冲的微处理器电路隔离开，降低阀门驱动电路工作噪声对微处理器电路的电磁干扰。

高端限流电路3通过设定电流峰值，对阀门实际驱动电流进行监控并且能够在实际驱动电流超过设定电流峰值时切断高压电源，转而由低压电源维持阀门开启。

高端驱动电路4用于在实际电流未达到电流峰值设定值时迅速提升驱动电流，提高阀门响应速度。

低端驱动电路5用于在实际电流达到设定电流峰值后以维持电流保持阀门开启，降低驱动电路和电磁阀的损耗。并且通过泄压电阻解决了低端驱动电路泄压不畅的问题。

去峰及电流检测电路6中将压敏电阻与电磁阀7并联，既能将电磁阀7关断时的感应电压尖峰大大削弱，也能保证电磁阀7的关闭速度；另一方面，通过采样电阻将阀门驱动电流转为电压信号以供高端限流电路3监控。

峰值电流设定电路8通过设定参考电压设定峰值电流，并由高端限流电路3与阀门实际电流转换来的电压信号进行比较，进而对高端驱动电路4进行反馈控制。

整个驱动电路的连接方式为：隔离电路2的输入端与阀门控制器1的输出端相连，其输出端是隔离后的阀门控制脉冲，分别与高端限流电路3和低端驱动电路5的输入端相连；高端限流电路3的输出端与高端驱动电路4相连，在隔离后的阀门控制脉冲上升沿到来时输出高电平，打开高端驱动电路4，其另两个输入端分别与峰值电流设定电路8和去峰及电流检测电路6的输出端相连；高端驱动电路4和低端驱动电路5的输出端与去峰及电流检测电路6相连，去峰及电流检测电路6除与高端限流电路3的输入端相连外，还与电磁阀7相连，是电磁阀接口电路。

本发明的有益效果是：通过较少的简单分立元件实现峰值保持功能，将低了设计复杂性和成本；微处理器控制电路只需发出阀门开启控制脉冲，就可由该驱动电路自行实现峰值保持，而不需要微处理器继续参与，这就大大将低了微处理器负荷；通过给电磁阀并联压敏电阻既解决了续流及去除感应电压尖峰的问题，又大大提高了电磁阀的关闭速度；通过在低端驱动电路中特别设计泄压电阻，解决了低端驱动电路因防反二极管而感应电压泄放不畅的问题。

与现有技术相比，本发明设计简单、成本低；不需微处理器参与峰值保持过程，大大将低了微处理器负载；既能解决电磁阀续流和去除感应电压尖峰的问题又能够大大缩短电磁阀关闭时间，因而十分适用于高频应用场合；既能够发挥双电压的优势，又解决了低端驱动电路中感应电压泄放不畅的问题，提高了驱动电路的使用寿命。该电路小巧，驱动电压为外接，可灵活改变，峰值电流可灵活设定，该电路可以灵活组合，从而实现多路电磁阀驱动。

附图说明

图1是双电压峰值保持高速电磁阀驱动电路结构框图。

图2是隔离电路。

图3是高端限流电路。

图4是高端驱动电路。

图5是低端驱动电路。

图6是去峰及电流检测电路。

图7是峰值电流设定电路。

图8(a)和(b)分别为该驱动电路完成一次阀门开启的驱动电流和驱动电压波形。

图中标号：1为阀门控制器，2为隔离电路，3为高端限流电路，4为高端驱动电路，5为低端驱动电路，6为去峰及电流检测电路，7为电磁阀，8为峰值电流设定电路，9为阀门控制脉冲，10为隔离后开关信号，11为高压驱动信号，12为阀门驱动电压，13为电流反馈信号，14为峰值电流设定电压。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施做进一步说明：

图1所示为双电压峰值保持高速电磁阀驱动电路结构框图，虚线框内所示即为本装置中的结构，包括了隔离电路2，高端限流电路3，高端驱动电路4，低端驱动电路5，去峰及电流检测电路6以及峰值电流设定电路8。隔离电路2的输入端与阀门控制器1的输出端相连，其输出端是隔离后的阀门控制脉冲，分别与高端限流电路3和低端驱动电路5的输入端相连；高端限流电路3的输出端与高端驱动电路4相连，在隔离后的阀门控制脉冲上升沿到来时输出高电平，打开高端驱动电路，其另两个输入端并与峰值电流设定电路8和去峰及电流检测电路6的输出端相连；高端驱动电路4和低端驱动电路5的输出端与去峰及电流检测电路6相连，去峰及电流检测电路6除与高端限流电路3的输入端相连处，还与电磁阀7相连，是电磁阀接口电路。

图2所示为隔离电路2。由于驱动电路在工作时会产生大量的噪声，若将驱动电路与微处理器电路直接相连，会影响微处理器电路的电磁兼容性，导致其工作不稳定，因此需要进行隔离。本装置中采用的隔离电路2由光耦U1、电阻R1、发光管LED1和电阻2经电路连接组成。电阻R1用于设定输入信号的电流，发光管LED1用于阀门控制脉冲指示，LED1发光时控制脉冲Ctrl-Sig2有效，为低电平，驱动电路动作；电阻R2用于隔离后控制脉冲信号的限流，Ctrl-Sig2是隔离后的控制脉冲信号，高电平有效。

图3所示为高端限流电路3，由或门OR、与门AND、比较器CMP以及一阶高通阻容电路C1、R3连接而成；其中，与门AND的输出端反馈回或门OR的输入端，这个反馈将在限流电路中起到重要的保持作用。在控制脉冲为来到、阀门未工作时，比较器CMP输出高电平，即与门的输入引脚2为高电平。隔离后的阀门控制脉冲Ctrl-Sig2的上升沿将在一阶高通阻容电路的输出端，即或门OR的输入引脚2上触发一个由低电平到高电平的阶跃信号，由于一阶高通滤波的影响，该阶跃出现后迅速衰减为低电平。但是，由于此时比较器输出高电平，在与门输出端也会得到一个阶跃信号，此阶跃信号被反馈回或门输入引脚1后，将因电路反馈机制在或门输出端和与门输出端产生恒定高电平。即高端限流电路的输出HVD恒为高电平，高电压将作用于电磁阀，电磁阀中电流迅速上升，直至电流检测电路的输出信号Vf超过峰值电流设定电压VREF。此时比较器输出低电平，HVD立即变为低电平，并反馈回与门输入引脚1，由于与门输入引脚2上的电平早已衰减为低电平(该衰减时间常数可通过C1和R3的值配置)，或门将输出低电平，因此由于反馈的保持作用，高端限流电路将一直输出低电平，高端驱动电路不工作，这样，电流在达到设定峰值后下降。可以看出，每一个阀门控制的上升沿将导致高压驱动电路工作直至实际驱动电流达到设定峰值电流。

图4所示为高端驱动电路4。它由NPN型三极管T1、齐纳二极管ZSL1、MOS管PMOS1和电阻R4、R6、R7经电路连接组成。+PH为从外部接入的可调高端驱动电压。高端驱动电路的输入为高端限流电路的输出，因此高端驱动电路只在从控制脉冲上升沿到实际驱动电流上升至设定峰值的这段时间内工作。高端驱动电路的输出端SOL+与阀门的一根驱动线直接相连，该点的电压值与电流检测电路的压降之差即为阀门实际驱动电压，由于电流检测电路的压将很小，可认为SOL+为阀门驱动电压。PMOS1为P沟道MOS管，当高端限流电路输出低电平时，NPN型三极管T1截止，PMOS1的门极(引脚1)和源极(引脚3)之间的电压差为零，PMOS1也截止，高端驱动电路不工作；反之，当高端限流电路输出高电平，即HVD为高，三极管T1导通，并且由于电阻R6和R7和阻值配置较大，T1工作在饱和区，三极管集电极电压近似为零，通过合理设定R6与R7电阻比值可合理设定此时PMOS1门、源极压差，从而使PMOS1导通，由于MOS管导通电阻与电磁阀阻抗相比较小，此时阀门驱动电压SOL+近似等于高端驱动电压+PH。ZSL1为齐纳二极管，可限制PMOS1的门源极之间发生过压。

图5所示为低端驱动电路5。它由NPN型三极管T2、齐纳二极管ZSL2、MOS管MOS2、二极管D1和电阻R5、R8、R9、R10经电路连接组成。+PL为从外部接入的可调低端驱动电压。与高端驱动电路相比，T2的工作原理与T1完全相同，PMOS2的工作原理与PMOS1完全相同，齐纳二极管ZSL2的作用与ZSL1完全相同，分压电阻R8和R9与分压电阻R6和R7的作用完全相同。低端驱动电路有三点不同于高压驱动电路。一是低压驱动电路的输入信号Ctrl-Sig2为隔离后的控制脉冲，即在整个控制脉冲为高电平有效期间，PMOS2一直导通；不同点二在于PMOS2的漏极(引脚2)经整流二极管D1与阀门驱动端SOL+相连，这样，当PMOS1导通，高端驱动电路工作时，尽管PMOS2也导通，但是D1反向截止，低端驱动电压不作用于电磁阀。但是一旦阀门实际驱动电流达到设定峰值电流，PMOS1关断，由于PMOS2一直导通，D1将正向导通，阀门实际上切换至低端驱动。因此，整流二极管D1实际上起到了简化驱动逻辑，防止高压驱动电源和低压驱动电源短路的作用；三是低端驱动电路中，MOS管的漏极通过电阻R10与地相连，这是因为在阀门关断瞬间，在SOL+处会感应出高达负数百伏的瞬间对地电压，这时，整流二极管D1正向导通，低端驱动电路的PMOS2漏极电压也会升至与SOL+近似相等(仅比SOL+高一个二极管正向压降)。但是由于去峰电路的存在，SOL+处的负电压尖峰被削平，电压迅速上升，而这在没有泄压电阻R10的情况下将导致整流二极管D1反向截止，于是PMOS2漏极负电压无法获得合适的泄流通道，恢复很慢，这样PMOS2的源漏极之间在阀门关断之后会长时间承受一个大电压，这会导致该MOS管的寿命下降，进而影响阀门驱动电路的寿命。加上泄压电阻R10后，由于在阀门关断瞬间MOS管漏极电压为负值，电流从地经R10流过，并继续流过整流二极管形成泄放回路。这样，低端驱动电路便能够跟上阀门和高端驱动电路的泄压过程。

图6所示为去峰及电流检测电路6。它由电磁阀7和电阻RVS和采样电阻R5连接组成。低端驱动电路和高端驱动电路的输出端连接阀门驱动端SOL+，另一个阀门驱动端SOL-与电流采样电阻Rs相连，阀门驱动电流流经Rs形成反馈电压Vf，从而实现电流检测。Vf为高端限流电路中比较器的一个输入，该比较器的另一个输入为峰值电流设定电路的输出，通过调节峰值电流设定电路的输出电压便可以实现峰值电流的控制。因Rs阻值很小，在考虑电磁阀感应电压时，可近似认为SOL-接地。电磁阀在关断瞬间会在SOL+处感应出负电压尖峰，这会造成高端驱动电路和低端驱动电路中MOS管源漏极压降过大。除去这个电压尖峰的最常用方法是给电磁阀反并续流二极管。反并续流二极管虽然去除电压尖峰的效果非常好，但是也带来了另外的问题，即阀门关闭时间偏长，不适用于高频工作场合。在本装置中采用的方法是给电磁阀并联压敏电阻，压敏电阻能够在瞬间吸收超过其标称电压1.2～1.4倍以上的电压尖峰的能量，去除尖峰，去峰后的感应负电压将通过MOS管缓缓泄放。通过合适选定压敏电阻标称电压值和MOS管耐压值可以同时保证电路寿命、电磁阀关闭速度和工作逻辑正确。寿命试验表明，压敏电阻去峰配合以通过MOS管耐压能力进一步泄流的方法是可靠的。

图7所示为峰值电流设定电路8。它由电感L1、电容C1、电容C2和C3、电阻R11、R12、R13、二极管D2经电路连接组成。去峰及电流检测电路已经将阀门驱动电流采样成了电压信号，并成为高端限流电路比较器的一个输入。因此，只要调节比较器的另一个输入电压便可以设定峰值电流。峰值电流设定电路采用了基准电压二极管D2，对此基准电压进行分压得到设定电压，通过调节可调电阻R13可以改变设定电压值，从而实现峰值电流调节。为降低成本，直接对低端驱动电源+PL进行低通感容滤波，然后为基准电压源供电。

图8(a)和(b)分别为该驱动电路完成一次阀门开启的驱动电流和驱动电压波形。控制脉冲到来时高端电路首先作用，实际驱动电压为高端驱动电压，驱动电流迅速上升至设定峰值电流，到达峰值点后高端限流电路切断高端驱动电路，实际驱动电压迅速变为负感应电压，在感应电压泄压后低端驱动电路中的整流二极管正向导通，低端驱动电压实际发生作用。高端驱动电路被切断后电流由峰值电流降为维持电流，维持电流的大小可通过调节低电压值而改变。若想进一步提升阀门开启速度，可以进一步调高高端驱动电压。高端驱动电路控制脉冲消失后低端驱动电路也关断，同样出现感应电压，随后驱动电压衰减为零。(b)图中所示两处负感应电压均已被压敏电阻去峰，实际感应峰值电压有限，从实际感应峰值电压开始的衰减都是通过MOS管泄压实现。合理选定MOS管耐压值，可保证MOS管寿命，该电路已通过20亿次寿命试验。低端驱动电路关断后驱动电流下降为零的过程极为迅速，即电磁阀关断极为迅速。

在实际应用场合，可通过多路驱动电路实现多路电磁阀驱动，各路驱动电路可共享高压驱动电源、低压驱动电源和峰值设定电路的电压输出以降低成本。本驱动电路可在中小功率及高频工作场合获得广泛运用。

Claims (7)

1.一种双电压峰值保持高速电磁阀驱动电路，其特征在于由隔离电路、高端限流电路、高端驱动电路、低端驱动电路、去峰及电流检测电路和峰值电流设定电路经电路连接组成；其中：隔离电路(2)的输入端与阀门控制器(1)的输出端相连，隔离电路(2)的输出端是隔离后的阀门控制脉冲，分别与高端限流电路(3)和低端驱动电路(5)的输入端相连；高端限流电路(3)的输出端与高端驱动电路(4)相连，在隔离后的阀门控制脉冲上升沿到来时输出高电平，打开高端驱动电路(4)，高端限流电路(3)的另两个输入端分别与峰值电流设定电路(8)和去峰及电流检测电路(6)的输出端相连；高端驱动电路(4)和低端驱动电路(5)的输出端与去峰及电流检测电路(6)相连，去峰及电流检测电路(6)除与高端限流电路(3)的输入端相连外，还与电磁阀(7)相连，是电磁阀接口电路。

2.根据权利要求1所述的双电压峰值保持高速电磁阀驱动电路，其特征在于所述隔离电路(2)由光耦U1、电阻R1、发光管LED1和电阻R2经电路连接组成，其中，电阻R1用于设定输入信号的电流，发光管LED1用于阀门控制脉冲指示，LED1发光时控制脉冲Ctrl-Sig1有效，为低电平，所述电磁阀驱动电路动作；电阻R2用于隔离后控制脉冲信号的限流，Ctrl-Sig2是隔离后的控制脉冲信号，高电平有效。

3.根据权利要求1所述的双电压峰值保持高速电磁阀驱动电路，其特征在于所述高端限流电路(3)由或门OR、与门AND、比较器CMP以及一阶高通阻容电路C1、R3连接而成；其中，与门AND的输出端反馈回或门OR的输入端。

4.根据权利要求1所述的双电压峰值保持高速电磁阀驱动电路，其特征在于高端驱动电路(4)由NPN型三极管T1、齐纳二极管ZSL1、MOS管PMOS1和电阻R4、R6、R7经电路连接组成。

5.根据权利要求1所述的双电压峰值保持高速电磁阀驱动电路，其特征在于低端驱动电路(5)由NPN型三极管T2、齐纳二极管ZSL2、MOS管PMOS2、二极管D1和电阻R5、R8、R9、R10经电路连接组成。

6.根据权利要求1所述的双电压峰值保持高速电磁阀驱动电路，其特征在于所述去峰及电流检测电路(6)由电阻RVS和采样电阻RS连接组成。

7.根据权利要求1所述的双电压峰值保持高速电磁阀驱动电路，其特征在于所述峰值电流设定电路(8)由电感L1、电容C1、电容C2和C3、电阻R11、R12、R13、二极管D2经电路连接组成。

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