高頻電磁閥單電源驅(qū)動電路設(shè)計

0引言

高頻電磁閥適用于液態(tài)介質(zhì)或氣態(tài)介質(zhì)管路傳輸流量的柔性控制,電磁閥的開關(guān)頻率越高,介質(zhì)傳輸流量控制越平滑、越穩(wěn)定。70 Mpa儲氫系統(tǒng)安全應(yīng) 用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是對高頻瓶口電磁閥的精確控制。現(xiàn)階段驅(qū)動電磁閥廣泛使用單電源,基于peak—Hold 模式^[1—2],采用pWM(pulsewidthmodulation)大占空比調(diào)制電磁閥peak電流短時間強激電磁閥啟動,電磁閥啟動后,小占空比調(diào)制Hold電流長時間維持電磁閥的啟動狀態(tài)。典型的意大利OMB生產(chǎn)的 OTV—70 Mpa高頻電磁閥采用peak—Hold模式驅(qū)動, peak電流為3.2 A/800~3 000 ms,Hold電流為1.1 A。 但單電源驅(qū)動方案中電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性較差,為優(yōu)化電磁閥的開啟響應(yīng)速度,可采用雙電源驅(qū)動高頻電磁閥,在開啟階段,控制高邊開關(guān)管導(dǎo)通,采用高壓電源對電磁閥線圈施加高電壓強激啟動^[3],在維持階段,控制高邊開關(guān)管導(dǎo)通,采用低壓電源對電磁閥線圈施加低電壓維持電磁閥啟動狀態(tài)^[4—5]。但該方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要一個高壓電源及一個低壓電源。為優(yōu)化電磁閥的動態(tài)響應(yīng)特性,本文基于單電源設(shè)計高頻電磁閥驅(qū)動電路,通過將電磁閥的釋放電能回收再利用,利用低壓電源實現(xiàn)高壓電源驅(qū)動效果,并同步實現(xiàn)節(jié)能。

1 拓撲結(jié)構(gòu)

高頻電磁閥的驅(qū)動結(jié)構(gòu)為導(dǎo)線線圈纏繞磁芯組成,其驅(qū)動線圈可以等效為電阻R和電感L串聯(lián)。高頻電磁閥單電源驅(qū)動電路拓撲如圖1所示,高頻電磁閥單電源驅(qū)動電路由直流電源、電磁閥、兩個開關(guān)管(Q1和Q2)及三個鉗位二極管(VD1、VD2、VD3)構(gòu)成。通過控制兩個開關(guān)管(Q1和Q2)的通斷,形成不同工作模態(tài)。

高頻電磁閥單電源驅(qū)動電路的電壓及電流波形 理論分析如圖2所示,其中,開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q2 的觸發(fā)脈沖一致,流過的電流相同。

通過控制兩個開關(guān)管(Q1和Q2)的通斷,為高頻電磁閥建立高壓驅(qū)動回路、能量回收回路及續(xù)流回路。當(dāng)兩個開關(guān)管(Q1和Q2)同時關(guān)斷時,建立電磁閥能量回收回路,將電磁閥的釋放電能存儲在電容中;當(dāng)兩個開關(guān)管(Q1和Q2)同時開啟時,建立電磁閥高壓驅(qū)動回路,電容與直流電源串聯(lián),共同驅(qū)動電磁閥。鉗位二極管VD1將電容電壓鉗位至直流電源電壓,防止電容電壓過充,并通過鉗位二極管VD1為高頻電磁閥提供續(xù)流回路。

2工作模態(tài)研究

高頻電磁閥單電源驅(qū)動電路具有三種工作模態(tài),分別是:高壓驅(qū)動模態(tài)、能量回收模態(tài)、續(xù)流模態(tài)。在一個驅(qū)動周期內(nèi),三種工作模態(tài)交替運行。

2.1 高壓驅(qū)動模態(tài)

如圖2所示,在0—t1時刻,高頻電磁閥單電源驅(qū)動電路處于高壓驅(qū)動模態(tài),電路運行模態(tài)如圖3所示,此時脈沖觸發(fā)開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q2 同時導(dǎo)通,開關(guān)管Q1、開關(guān)管Q2、電容C1、高頻電磁閥及直流電源構(gòu)成電氣回路,電容和直流電源串聯(lián)共同為高頻電磁閥提供驅(qū)動電能,電容電壓逐漸下降,高頻電磁閥線圈電流快速上升,高頻電磁閥線圈存儲電能。高頻電磁閥線圈電壓U_OTV為:

U_OTV=U_i+U_C  (1)

式中:U_i為直流電源電壓;U_C為電容兩端電壓。

2.2 能量回收模態(tài)

如圖2所示,在t1—t2時刻,高頻電磁閥單電源驅(qū)動電路處于能量回收模態(tài),電路運行模態(tài)如圖4所示,此時開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q2均關(guān)斷,迫使鉗位二極管VD2、電容C1、鉗位二極管VD3、直流電源及高頻電磁閥構(gòu)成電氣回路,直流電源和高頻電磁閥共同釋放電能為電容充能,高頻電磁閥線圈電流逐漸下降,電容電壓逐漸上升至直流電源電壓。高頻電磁閥線圈電壓U_OTV為:

U_i=U_OTV+U_C  (2)

2.3續(xù)流模態(tài)

如圖2所示,在t2—t3時刻,高頻電磁閥單電源驅(qū)動電路處于續(xù)流模態(tài),電路運行模態(tài)如圖5所示,此時開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q2均關(guān)斷,高頻電磁閥線圈電流繼續(xù)逐漸下降。在能量回收模態(tài),電容電壓逐漸上升至直流電源電壓,由于鉗位二極管VD1 的鉗位作用,電容電壓被鉗位至直流電源電壓,停止為電容繼續(xù)充電,鉗位二極管VD1為高頻電磁閥線圈提供續(xù)流回路。鉗位二極管VD2、鉗位二極管VD1及高頻電磁閥共同構(gòu)成電氣回路。

3 實驗研究

為驗證理論的正確性及方法的可行性，在Matlab/Simulink中搭建模型進行仿真實驗研究。直流電源電壓為24 V,高頻電磁閥等效電阻為5 Ω,等效電感為3mH。采用peak—Hold模式驅(qū)動高頻電磁閥,仿真波形如圖6~11所示,圖中模態(tài)1為高壓驅(qū)動模態(tài),模態(tài)2為能量回收模態(tài),模態(tài)3為續(xù)流模態(tài)。高壓驅(qū)動模態(tài)時高頻電磁閥的初始驅(qū)動電壓為48 V,是直流電源電壓的2倍。鉗位二極管VD1將電容電壓鉗位至24V。圖12為高頻電磁閥在0~0.1S時間內(nèi)的線圈電流波形圖,與傳統(tǒng)驅(qū)動電路相比,本設(shè)計可以利用單一低壓電源實現(xiàn)高壓電源的驅(qū)動效果,并同步實現(xiàn)節(jié)能。

4 結(jié)論

本設(shè)計通過優(yōu)化控制兩個開關(guān)管(Q1和Q2)的通斷,為高頻電磁閥建立高壓驅(qū)動回路及能量回收回路,做到了采用低壓電源實現(xiàn)高壓電源的驅(qū)動效果。當(dāng)兩個開關(guān)管(Q1和Q2)同時關(guān)斷時,建立電磁閥能量回收回路,將電磁閥的釋放電能存儲在電容中;當(dāng)兩個開關(guān)管(Q1和Q2)同時開啟時,建立電磁閥高壓驅(qū)動回路,電容與直流電源串聯(lián),共同驅(qū)動電磁閥。實驗證明了理論的正確性及方法的可行性。

[參考文獻]

[1] 白思春,李京,褚全紅,等.高壓共軌高速電磁閥自升壓雙電源驅(qū)動方法研究[J].車用發(fā)動機,2017(3):74-77.

[2] 陳禮勇,劉二喜,郭樹滿,等.基于PSPICE噴油器電磁閥雙電源雙邊驅(qū)動電路的設(shè)計與優(yōu)化研究[J].內(nèi)燃機工程,2015,36(1):81-86.

[3]程靜,努爾買買提.阿布都拉,蘇樂.一種節(jié)能電磁閥驅(qū)動 電路的設(shè)計與實現(xiàn) [J]. 電子器件,2021,44 (2):352-356.

[4]孫曉,欒盈盈,孫柯,等.高速雙線圈開關(guān)電磁閥控制策略研究[J].液壓與氣動,2020(2):175-182.

[5]施穎,潘藝園.溫度對電磁閥驅(qū)動影響的計算分析[J].機電信息,2022(20):48-51.

2024年第12期第3篇