電磁氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)探析

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　　摘要：本文在國(guó)外和國(guó)內(nèi)電磁氣門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，從汽車(chē)傳統(tǒng)的氣門(mén)領(lǐng)域的發(fā)展情況著手，結(jié)合最新的汽車(chē)氣門(mén)領(lǐng)域的發(fā)展情況，特別是電磁氣門(mén)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合現(xiàn)有的電磁氣門(mén)的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)，并根據(jù)相關(guān)的控制理論，重新設(shè)計(jì)了電磁氣門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路，重新選擇相對(duì)應(yīng)的材料來(lái)設(shè)計(jì)各個(gè)模塊，并對(duì)電磁氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電路的性能試驗(yàn)提出了方法，為今后的進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：電磁氣門(mén)；驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；性能試驗(yàn)

　　中圖分類(lèi)號(hào):G712         文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A      文章編號(hào)：1005-1422（2014）07-0176-03

    一、電磁氣門(mén)電磁閥對(duì)功率驅(qū)動(dòng)電路的要求

　　在電磁氣門(mén)的能量輸入方式中，功率驅(qū)動(dòng)模塊起到?jīng)Q定性的作用，它對(duì)電磁氣門(mén)的工作過(guò)程有很大影響。為了實(shí)現(xiàn)電磁閥的高速響應(yīng)性和強(qiáng)電磁作用力，驅(qū)動(dòng)功率電路應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：（1）在電磁氣門(mén)的初始階段（開(kāi)啟時(shí)刻），應(yīng)該能保證氣門(mén)能在彈簧的作用下迅速開(kāi)啟。（2）在電磁氣門(mén)從開(kāi)啟向關(guān)閉的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，功率驅(qū)動(dòng)模塊應(yīng)以盡可能高的速度為上電磁鐵提供能量，使其產(chǎn)生足夠大的電磁作用力，縮短響應(yīng)時(shí)間，從而滿(mǎn)足電磁閥的快速響應(yīng)特性。（3）在電磁氣門(mén)的閉合階段，工作間隙很小，此時(shí)電磁線(xiàn)圈只要通入較小的保持電流便能產(chǎn)生足夠大電磁吸力。同時(shí)，小的電流也能減小線(xiàn)圈發(fā)熱，降低能量消耗。

　　從功率驅(qū)動(dòng)電路的要求可以看到，電磁氣門(mén)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)有如下特性：（1）電路中電流應(yīng)該有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；（2）電流應(yīng)該可調(diào)；（3）有過(guò)電流保護(hù)功能。

    二、電磁氣門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路圖設(shè)計(jì)方案的確定

　　在電磁氣門(mén)驅(qū)動(dòng)（EMVA）控制系統(tǒng)的研究方面，目前比較成熟的功率驅(qū)動(dòng)類(lèi)型有三種，即增壓式、調(diào)壓式和電容式。

　　1.增壓式驅(qū)動(dòng)方式是使用增壓電路提供遠(yuǎn)高于車(chē)用電壓12V的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁鐵的線(xiàn)圈，能夠滿(mǎn)足電磁閥的快速響應(yīng)特性。但其電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，能耗較高。

　　2.調(diào)壓式驅(qū)動(dòng)方式分為線(xiàn)性調(diào)壓式和脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）調(diào)壓式驅(qū)動(dòng)。線(xiàn)性調(diào)壓式采用12V車(chē)用電壓，經(jīng)過(guò)對(duì)電壓進(jìn)行線(xiàn)性調(diào)節(jié)得到合理的驅(qū)動(dòng)電流。PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)壓式在目前控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多，相對(duì)于線(xiàn)性調(diào)壓它具有電路簡(jiǎn)單、節(jié)約能耗等優(yōu)點(diǎn)。

　　3.電容式驅(qū)動(dòng)方式是通過(guò)對(duì)高壓電容放電，從而提供給電磁線(xiàn)圈瞬間高變化速率電流使控制閥迅速達(dá)到工作位置，工作氣隙減小到只需很低的電流便能維持正常工作時(shí)，由12V車(chē)用電瓶電壓提供此維持電流。

　　三種驅(qū)動(dòng)類(lèi)型各有特色，又相互有交叉應(yīng)用之處，通過(guò)比較，采用ＰＷＭ（脈寬調(diào)制）調(diào)壓式驅(qū)動(dòng)模塊。

　　為了保證功率驅(qū)動(dòng)電路的正常工作，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)電路選取功率開(kāi)關(guān)元件。對(duì)于ＰＷＭ（脈寬調(diào)制）驅(qū)動(dòng)模塊，目前應(yīng)用在這種驅(qū)動(dòng)模塊的功率開(kāi)關(guān)元件主要有達(dá)林頓晶體管(DT)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵型雙極型晶體管(IGBT)，它們各有自己的特點(diǎn)：

　　1.達(dá)林頓晶體管(DT)是電流驅(qū)動(dòng)型器件，它將兩只或更多只晶體管的集電極連在一起，而將第一只晶體管的發(fā)射極直接耦合到第二只晶體管的基極，依次連接而成，最后引出E、B、C三個(gè)電極。達(dá)林頓晶體管有很高的放大系數(shù)，能夠提高驅(qū)動(dòng)能力，獲得大電流輸出。

　　2.功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，開(kāi)關(guān)損耗幾乎為零，工作頻率高，可以并聯(lián)使用，沒(méi)有二次擊穿問(wèn)題，使用方便，容易驅(qū)動(dòng)，但其額定電流一般小于80A。

　　3.絕緣柵型雙極型晶體管(IGBT)是一種復(fù)合功率器件，有高功率和易驅(qū)動(dòng)的雙重優(yōu)點(diǎn)，但是其價(jià)格昂貴，開(kāi)關(guān)速度比較低。

　　綜合以上因素，對(duì)ＰＷＭ（脈寬調(diào)制）調(diào)壓式驅(qū)動(dòng)模塊，決定采用功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，因?yàn)槠鋬r(jià)格便宜且所用電路簡(jiǎn)單，雖然額定電流一般小于80A但能滿(mǎn)足電磁氣門(mén)驅(qū)動(dòng)20A的要求。

     三、電磁氣門(mén)的功率保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

　　目前常見(jiàn)電磁氣門(mén)的功率保護(hù)電路有以下三種：

　　1.穩(wěn)壓二極管保護(hù)電路：在感性元件的兩端對(duì)接一個(gè)穩(wěn)壓二極管和一個(gè)普通二極管。當(dāng)電磁線(xiàn)圈斷電后，產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)快速升高使穩(wěn)壓管擊穿而導(dǎo)通，能量在穩(wěn)壓管中消耗掉。

　　2.二極管保護(hù)電路：這種方式很常見(jiàn)，即在感性元件的兩端連接一個(gè)普通二極管，利用感性元件的內(nèi)阻將感性元件所儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量消耗掉。

　　3.二極管—電阻保護(hù)電路：即在感性元件的兩端接上一個(gè)普通二極管和一個(gè)電阻。這種方式消耗電感元件所儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量速度比較快。

　　綜合分析以上三種保護(hù)電路，根據(jù)所選的驅(qū)動(dòng)模塊，采用二極管—電阻保護(hù)電路。其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1二極管-電阻保護(hù)電路

     四、抗干擾設(shè)計(jì)

　　電子控制系統(tǒng)必須具有很高的可靠性和抗干擾性能，才能保證它的正常工作。因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，必須采取一些必要的措施。針對(duì)干擾進(jìn)入控制系統(tǒng)的途徑，相應(yīng)制定出以下防護(hù)措施：

    1.空間電磁干擾豹防護(hù)措施

　　SI發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)在工作時(shí)產(chǎn)生高壓脈沖，同時(shí)向空間輻射電磁波，其特點(diǎn)是能量大、頻帶寬，這種干擾嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文主要采取屏蔽措施來(lái)抑制電磁波的干擾，具體做法是：傳輸信號(hào)線(xiàn)采用帶金屬屏蔽層的雙絞線(xiàn)。

    2.過(guò)程通道干擾的防護(hù)措施

　　過(guò)程通道是指計(jì)算機(jī)與外設(shè)的輸入輸出通道，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電路。

    3.供電系統(tǒng)干擾的防護(hù)措施

　　電源噪聲干擾和接地干擾是供電系統(tǒng)干擾的兩個(gè)主要來(lái)源。為了抑制電源噪聲，在電路板上電源輸入端加接濾波電容，在電源線(xiàn)和地線(xiàn)之間分段跨接去耦電容。電源電路分級(jí)加上各階次的電容，以濾掉各頻率的毛刺電壓干擾。接地干擾是由于多點(diǎn)接地時(shí)，兩接地點(diǎn)的電位不為零，并存在一個(gè)電位差，此電位差與電路的輸入輸出電壓耦合而形成干擾，或者由于兩個(gè)電路經(jīng)公共地線(xiàn)接地時(shí)，兩個(gè)電路的電流不同而產(chǎn)生干擾。

    五、電磁氣門(mén)電路圖的設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　1.電路圖的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)前面的材料選擇，經(jīng)過(guò)綜合分析設(shè)計(jì)出如圖2所示的電路圖模塊和圖3所示的電磁氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電路邏輯圖：

圖2電路圖模塊

圖3電磁氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電路邏輯圖

　　圖3中驅(qū)動(dòng)信號(hào)1為U1，驅(qū)動(dòng)信號(hào)2為U2，控制信號(hào)為PWM波(具體見(jiàn)圖4)。

圖4電磁氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電路的整體設(shè)計(jì)

采用竄行通信端口，從PC機(jī)將各個(gè)PWM波的頻率，占空比及相互間的時(shí)序關(guān)系等信息傳遞到單片機(jī)，在單片機(jī)定時(shí)模塊和PWM模塊的配合下，由單片機(jī)發(fā)出四路PWM信號(hào)，經(jīng)邏輯電路組合形成兩路控制脈沖U1U2，分別控制下、上電磁鐵。

圖5單片機(jī)模塊

　　2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　將自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的EMVA安裝在模擬缸頭上進(jìn)行試驗(yàn),該試驗(yàn)臺(tái)由EMVA、功率驅(qū)動(dòng)模塊、電控單元（ECU）、PC機(jī)、傳感器及示波器組成。如圖6所示：

圖6

經(jīng)試驗(yàn)研究得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)與控制信號(hào)的形成的時(shí)序圖形如圖7。

圖7驅(qū)動(dòng)信號(hào)形成的時(shí)序圖

　　控制信號(hào)和脈沖信號(hào)通過(guò)邏輯電路產(chǎn)生兩路控制脈沖:驅(qū)動(dòng)信號(hào)1和驅(qū)動(dòng)信號(hào)2，分別用來(lái)驅(qū)動(dòng)下電磁鐵和上電磁鐵。下電磁鐵和上電磁鐵受到驅(qū)動(dòng)信號(hào)1和驅(qū)動(dòng)信號(hào)2的驅(qū)動(dòng)后，分別在下電磁線(xiàn)圈和上電磁線(xiàn)圈中形成驅(qū)動(dòng)電流1和驅(qū)動(dòng)電流2，控制氣門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的通電時(shí)間t1、t2 、t3、 t4 及t3 段PWM波的周期和占空比d來(lái)實(shí)現(xiàn)。t1表示峰值電壓的通電時(shí)間,對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)電流的上升階段，決定了電磁力是否可以克服彈簧力和機(jī)械阻力以便迅速、準(zhǔn)確地打開(kāi)或關(guān)閉氣門(mén)。t2表示峰值電壓的切斷時(shí)間，峰值電壓切斷后，線(xiàn)圈瞬時(shí)產(chǎn)生很高的反電動(dòng)勢(shì),線(xiàn)圈電流不可能突變?yōu)榱?，在?qū)動(dòng)電路中采用續(xù)流二極管法使線(xiàn)圈電流快速泄流，但又不希望其降為零，將其控制在所需的保持電流附近，t2 的選擇對(duì)銜鐵落座影響很大。t3為ＰＷＭ脈沖通電時(shí)間，對(duì)應(yīng)于保持電流階段，決定ＰＷＭ脈沖的因素為周期T和占空比d，占空比d對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的影響更大，d過(guò)大則保持電流過(guò)大，加大銜鐵的落座速度和系統(tǒng)的能量消耗，d過(guò)小則保持電流過(guò)小，電磁力無(wú)法克服彈簧力和機(jī)械阻力使氣門(mén)無(wú)法保持在極限位置，而在彈簧力作用下反向運(yùn)動(dòng)。t4為PWM斷電時(shí)間，此階段驅(qū)動(dòng)電流降為零，氣門(mén)不受電磁力，在彈簧力作用下作有阻尼自由振動(dòng)。

　　單片機(jī)通過(guò)傳感器接口電路檢測(cè)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷信號(hào)并修正后，通過(guò)查詢(xún)預(yù)先存儲(chǔ)的MAP圖，得到相應(yīng)的氣門(mén)定時(shí)和氣門(mén)升程，并由此得到電磁閥的控制電流，然后輸出一個(gè)脈沖信號(hào)以適當(dāng)?shù)碾娏黩?qū)動(dòng)電磁閥，是氣門(mén)開(kāi)閉，從而實(shí)現(xiàn)氣門(mén)的驅(qū)動(dòng)控制在驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)2主脈沖的上升沿，功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)通，上電磁閥線(xiàn)圈內(nèi)的電流按指數(shù)規(guī)律上升，上升到某一定值（一般為15-20A），銜鐵吸合，線(xiàn)圈內(nèi)的電流按另一種指數(shù)規(guī)律上升。主脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，線(xiàn)圈內(nèi)的電流按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)下降到電磁線(xiàn)圈能保持吸合狀態(tài)的保持電流時(shí)，PWM保持波的上升沿工作，接著電磁線(xiàn)圈中的電流在PWM波的作用下圍繞保持電流上下波動(dòng)，銜鐵與上電磁閥鐵芯吸合，氣門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)。直到PWM波結(jié)束，電磁力逐漸減小當(dāng)電磁力無(wú)法克服彈簧反力時(shí)，銜鐵在彈簧反力的作用下向下電磁閥方向運(yùn)動(dòng)，在適當(dāng)時(shí)刻，給下電磁閥施加驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)1，在電磁力和彈簧力的共同作用下，使銜鐵與下電磁閥吸合，然后利用PWM的保持波使銜鐵處于吸合狀態(tài)，此時(shí)氣門(mén)全開(kāi)狀態(tài)，一個(gè)循環(huán)完成。

　　　　
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