交流電磁閥智能控制模塊設計

湯龍飛 許志紅

（福州大學電氣工程與自動化學院 福州 350116）

1 引言

電磁閥是利用線圈通電激磁產生電磁吸力，驅動閥心運動以開啟或關閉閥門的工業設備[1]，具有結構緊湊、體積小、重量輕、密封良好、維護簡便、可靠性高等優點[2]。交流電磁電器工作中會產生磁滯、渦流損耗，為減小損耗鐵心由硅鋼片疊壓而成，而在電磁閥中，由于結構及尺寸特點，一般采用整體的鐵心和磁軛，損耗更加嚴重，導致電磁閥運行溫度升高，影響電磁閥的安全運行及壽命。交流電磁閥工作電壓范圍在（（75%～115%）Ue），對電網電壓的波動較敏感；在吸持狀態時會產生交流噪聲，為減小交流噪聲而加入的分磁環又會嚴重影響其機械壽命[3]，這些缺點難以通過合理設計電磁閥本體而完全克服，需要對電磁閥進行智能控制。目前電磁閥的智能控制大多以高速電磁閥為控制對象，高速電磁閥是發動機電控噴射系統中的關鍵部件，通過單片機控制它的吸合和釋放來控制噴油時刻及噴油持續時間，其動態響應是直接影響整個電控噴射系統的重要指標[4]。高速電磁閥多采用脈寬調制（PWM）控制方式來控制線圈電流，從而控制高速電磁閥快速的打開與關閉[5]；上述驅動系統多為開環，不能根據電磁閥線圈電流或線圈電壓的大小進行反饋調節，且多用在復雜的發動機電控系統中，體積較大，成本較高。

在空調、制冷設備中存在很多交流電磁閥，這些行業對電磁閥的要求是：電壓輸入范圍寬、節能、噪聲小、溫升低、壽命高、結構緊湊、體積小巧且成本較低，對電磁閥的動作速度要求不高。參考文獻[6,7]提出了交流接觸器的高壓起動、低壓保持的開環優化控制方案，參考文獻[8,9]提出交流接觸器閉環控制方案，提高了交流接觸器的電壽命，但接觸器的智能控制模塊同樣較為復雜，體積和成本相對較高，不適合直接應用于電磁閥的智能控制，在AC/DC 高頻電源變換中，有較多應用成熟的控制方案及設計方法，如參考文獻[10-12]，相應的控制方案大多有量產的芯片，這些芯片性能完善、集成度高、成本低、安全可靠，促進了高頻AC/DC 技術的迅速普及。本文以空調、制冷行業交流電磁閥為控制對象，設計智能控制模塊，將高頻AC/DC 控制方案靈活應用到電磁閥的智能控制中，在滿足控制模塊體積小、成本低的前提下使交流電磁閥高壓直流閉環起動，低壓直流閉環保持，具有很好的應用前景。

2 模塊工作原理及控制參數的確定

2.1 交流電磁閥智能控制模塊工作原理

圖1 為模塊原理框圖，核心元件為兩片開關模式穩壓器，單片穩壓器上集成了一個高壓MOSFET及一個電源控制器，采用流限開/關控制模式來調節輸出電壓，工作頻率為66kHz。

模塊為低端降壓升壓型—光耦反饋拓撲，具有如下優點[13]：輸出電壓可升可降，拓寬了模塊適用范圍；避免集成開關懸浮，驅動簡單安全；內部開關損壞時，輸出始終保持零電壓，避免高壓直通燒壞線圈；在交流電源輸入端接入自恢復保險絲，可實現MOSFET 擊穿時的輸入短路保護。

圖1 控制模塊原理框圖Fig.1 Control module principle diagram

開關模式穩壓器1 對電磁閥的起動過程進行閉環控制：上電時開關穩壓器1 通過動態自供電直接從整流后的HV+線上抽取電流向儲能電容C5充電，到一定值時集成MOSFET 開始斬波，經降壓升壓拓撲向電磁閥線圈提供起動能量，通過光耦電壓反饋電路1 及光耦電流反饋電路1 對起動電壓、電流進行調節，電路設計既可輸出恒定的起動電壓也可輸出恒定的起動電流，當起動電路的輸出電壓或輸出電流達到設定值時，反饋回路發生作用，丟掉多余的開關周期，維持輸出電壓或電流恒定。因此，隨著負載的減輕，會有更多的周期被丟掉，而當負載加重時，只有很少的周期被丟掉，如在50ms 期間沒有任何周期被丟掉，模塊會進入自動重啟動狀態以提供過載保護并限制輸出功率。

起動電路只在上電后短時間工作（幾十毫秒），之后被延時關斷電路關閉。延時關斷電路根據HV+電壓的大小自動調節起動電路工作時間，電壓越低，起動時間越長，保證電磁閥在寬電壓范圍內可靠起動。開關模式穩壓器2 對電磁閥的保持過程進行閉環控制，原理與起動過程相同，將線圈端電壓或電流穩定在一個較低的數值，使電磁閥節能、無聲保持。

控制模塊采用很少的分立元器件，大部分功能依靠芯片實現，增加了電路的可靠性，降低了成本和體積；采用動態自供電方式工作，克服了傳統智能控制器需要輔助工作電源的缺陷；工作在流限開/關控制模式，無需復雜的補償措施；具有完善的保護功能，可以方便的調節起動參數和保持參數，便于對電磁閥進行簡單的優化控制。

2.2 控制參數的確定

采用課題組自行研發的“電磁閥動態仿真設計系統”，對電磁閥進行整體性能仿真，文獻[14]給出了詳細的仿真原理，利用該系統進行控制參數確定。圖2 為動態仿真波形。通過計算得出：打開位置時磁路電感為5.4H，閉合位置時磁路電感為21.5H，最低起動電壓為95V，最低保持電壓為25V，在ts時刻電磁閥動靜鐵心閉合，閉合時間為19ms，以此確定電磁閥直流運行狀態下的相關控制參數，合理設計反饋回路及起動控制電路的工作時間。

圖2 動態仿真波形圖中曲線刻度值與實際值的比例關系為 電壓：0.1∶1 吸力：0.1∶1 反力：1∶1 磁鏈：10:1 電流：100∶1 速度：10∶1 位移：10 000∶1Fig.2 Dynamic simulation waveforms

3 交流電磁閥智能控制模塊仿真分析

3.1 開關模式穩壓器建模

對開關模式穩壓器主要功能建模，包括振蕩器：工作于66kHz，最大占空比限制在67%；反饋電路：當流入 FB 反饋引腳的電流大于 49μA 時，內部MOSFET 被終止，跳過多余的開關周期；5.8V 穩壓電路：從MOSFET 的漏極吸收電流向動態自供電儲能電容充電，充到5.8V 時，觸發芯片開始工作；旁路引腳欠壓電路：當BP 引腳電壓下降到4.85V 時，關閉MOSFET，待電壓重新達到5.8V，才能重啟MOSFET；限流電路：檢測MOSFET 電流，當超過內部閾值時，在該周期剩余階段關斷MOSFET；前沿消隱電路：短時間內禁止內部限流電路，通過前沿消隱，防止電流尖峰導致開關脈沖提前誤關斷[15]；頻率調制：將以上各個電路產生的信號，經適當的邏輯門電路和RS 觸發器，產生需要的PWM 驅動信號；驅動級電路及高壓MOSFET：根據PWM 驅動信號，對主電路進行斬波。

3.2 控制模塊瞬態仿真分析

將模擬電源芯片應用到電磁閥的智能控制中，實現低成本、小體積的智能控制。該模擬芯片無法像單片機系統那樣進行靈活的過程控制，因此在模塊設計中將電磁閥的電路看作恒定阻感負載，僅對模塊輸出電壓、電流的閉環控制能力進行重點分析，線圈電阻為2.18kΩ，磁路電感取10H。

圖3 電壓反饋起動過程波形Fig.3 Voltage feedback starting process waveforms

對起動過程進行瞬態仿真，波形如圖3 所示：在t0時刻，開關模式穩壓器1 開始工作，通過起動電感L1，從HV+吸收電流，向連接在芯片BP 引腳的C5充電，BP 引腳電壓uBPS逐漸上升，在t1時刻上升到5.8V，內部電源控制器向集成MOSFET 輸出驅動PWMS，線圈電壓ucoilS快速上升，在t2時刻ucoilS首先達到設定值，通過光耦電壓反饋1 的閉環反饋作用使輸出電壓穩定在150V，在此過程中，芯片內部漏極電壓UDS的幅值隨著輸出電壓的升高而升高。

在t2到t4時段，ucoilS維持恒定輸出，由于電磁閥線圈電感很大，導致線圈電流icoilS滯后于ucoilS，icoilS在t3時刻達到穩定值，在t3到t4時段，icoilS維持恒定。在t4時刻，延時關斷電路向芯片FB 引腳灌入電流，iFBS=190μA，MOSFET 關閉，ucoilS及icoilS下降，起動控制電路退出工作。

圖4 為t2到t4時段放大波形，ta～tb時段，電源控制器輸出PWMS，驅動MOSFET 斬波，電感電流iL1逐漸上升，ucoilS有微小上升，在tb時刻ucoilS達到反饋設定值，控制器開始跳過多余的開關周期，tb～tc時段，電感L1通過二極管VD1向電磁閥線圈釋放能量，iL1下降，芯片內部漏極電壓滿足：uDS=uIN+ucoilS，至tc時刻iL1下降到0，二極管VD1被反向截止，tc～td時段，iL1=0，uDS=uIN，電感工作于電流斷續模式；在tb～td時段內芯片跳過多余的開關周期，通過簡單的丟周期的開/關工作模式維持輸出電壓動態恒定，當負載較重時，輸出濾波電容輸出的功率較大，其電壓快速動態波動，當電壓波動到設定值之下時，需要開始斬波，及時向濾波電容補充能量，tb～td時段較短，跳過的周期數較少；當負載較輕時，輸出濾波電容輸出的功率較小，其電壓動態波動較慢，tb～td時段較長，跳過的周期數較多。

圖4 細節放大波形Fig.4 Details of the amplified waveforms

調整反饋控制回路參數，在起動過程中使光耦電流反饋1 投入工作，線圈電流維持在反饋設定值，此時電壓環用于防止輸出過壓，禁止延時關斷電路工作，可更好的觀察相關波形，如圖5 所示：t1時刻芯片開始斬波工作，icoilS、ucoilS開始上升，在t2時刻ucoilS達到過壓限制值，電壓環將ucoilS限制在恒定值，此過程持續到t3時刻；在t3到t4時段，電壓環退出工作，在光耦電流反饋1 的作用下，電流在t4時刻穩定。

圖5 電流反饋起動過程波形Fig.5 Current feedback starting process waveforms

可以看出：電流反饋電路與線圈串聯，由于線圈的強感性對電流突變產生阻礙作用，嚴重限制了電流反饋的帶寬，在此拓撲結構中采用電流反饋時，線圈電流會產生較大的超調和長時間的震蕩，動態響應較慢[16]，因此最終使電磁閥的起動及保持過程工作在電壓閉環反饋控制方式下，使控制過程更準確、快速。

4 控制模塊實驗分析

4.1 工作過程分析

合理設置起動電壓最大值，可減小起動過程動靜鐵心碰撞能量，施加一較低保持電壓，可降低電磁閥工作溫升及功耗，提高電磁閥使用壽命。交流電磁閥應用在空調、制冷行業中時直接以交流220V作為電源，用交流220V 作為模塊輸入電源，交流電壓存在合閘相角α，其實驗原理如圖6 所示。用選項合閘裝置控制合閘相角α，用霍爾傳感器測量電磁閥線圈電壓、電流及交流輸入電壓，由于電磁閥小巧且全封閉，無法用常規手段測量其動鐵心位移、速度等動態信息，因此用麥克風模塊測量電磁閥動靜鐵心撞擊時的聲音信號幅值來反映動靜鐵心撞擊能量[17]。

圖6 實驗原理圖Fig.6 Experimental schematic diagram

圖7 中交流電壓uin=220V,圖7a 起動電壓限制在150V，圖7b 起動電壓限制在100V，在t1時刻選項合閘裝置導通，相角α=60°，線圈電壓ucoil開始上升，在t2時刻上升至設定值，在起動電壓反饋環的作用下，ucoil維持恒定，到t3時刻起動控制電路退出工作，ucoil逐漸衰減，至t4時刻保持電壓施加到線圈，ucoil在保持電壓反饋環作用下維持恒定，使電磁閥低壓吸持。

圖7 實測波形Fig.7 The measured waveforms

線圈實測起動電流icoil與電路仿真起動電流icoilS存在差別，主要因為：仿真時電磁閥等效為恒定阻感負載，而實際起動過程中，由于電磁閥動靜鐵心間氣隙變化，其磁路電感發生變化，線圈回路電壓電流關系滿足式（1）[18]

式中Roil——電磁閥線圈電阻；

L——磁路電感；

v——動鐵心運動速度；

dx——動鐵心位移微分量。

動鐵心運動過程分為觸動階段和運動階段；在觸動階段時，v=0，線圈的自感電動勢Ldicoil/(dt)取正值，欲與線圈端電壓ucoil平衡，使icoil按指數規律增長；動鐵心剛開始運動時，速度v很小，運動反電動勢icoilvdL/(dx)很小，使icoil的增長速度變慢；隨著v的加快，運動反電動勢作用顯著，迫使icoil下降，直至圖中P 點，動靜鐵心閉合，v=0，失去運動反電動勢的限流作用，icoil重新按指數規律上升，導致起動電流變化。

電磁閥動靜鐵心在P 點碰撞，麥克風模塊收集動靜鐵心碰撞時的聲音信號，由麥克風信號uvoice可以看出，在P 點處開始輸出聲音信號，且P 點處的幅值最大，根據碰撞時刻uvoice的幅值可以判斷動靜鐵心碰撞能量的大小。由圖7a、7b 對比可知：電磁閥的起動電壓越低，其動靜鐵心之間的碰撞能量越小，因此在滿足電磁閥能夠快速可靠吸合的情況下，應盡可能降低起動電壓。

4.2 合閘相角對控制模塊的影響

交流電磁閥在交流激勵下，由于每次合閘相角α的不同，動作特性存在很大分散性，難以進行優化控制[19,20]，在增加智能控制模塊后，電磁閥的激勵電壓雖為直流，但不同合閘相角會對控制模塊起動電路的斬波時刻產生影響，不同斬波時刻可能對應的HV+電壓不同，進而影響電磁閥的工作狀況，通過合理選取芯片動態自供電的儲能電容，使模塊上電到儲能電容充到5.8V 這段時間內，HV+電壓在不同合閘相角下都有足夠的時間達到最大值，避免合閘相角對電磁閥的影響。

圖8 所示為交流電磁閥智能控制后，在不同合閘相角下得到的線圈電壓、電流波形，將起動電壓設置在150V，分別在α為30°、60°、90°、120°、150°、180°情況下，測量電磁閥的線圈電壓、電流，用Labview 將六種相角下的電壓及電流分別放到同一個電壓波形圖窗口和電流波形圖窗口中進行對比，可以看出：合理選擇控制模塊儲能電容后，不同合閘相角α下，其線圈電流、線圈電壓基本一致，電磁閥動作過程不受合閘相角影響。

圖8 合閘相角的影響Fig.8 The influence of the closing phase angle

4.3 寬電壓工作特性分析

模塊工作在流限開/關控制模式，具有寬電壓輸入，交直流通用的特點，同時可以避免由于電網電壓的短時波動造成的電磁閥意外分斷，具有短時抗晃電功能[21]。圖9 為寬電壓輸入分析，由圖9 可知：智能控制模塊在高的輸入電壓下，可以快速完成起動過程，在較低的輸入電壓時，可自動延長起動電路工作時間，保證電磁閥在寬電壓范圍內可靠起動，由于模塊的起動和保持過程均為閉環控制，所以起動電壓值和保持電壓值可以在較寬的輸入電壓范圍內維持在設定值，降低了電磁閥對電網電壓的敏感性。

圖9 寬電壓輸入分析Fig.9 Wide input voltage analysis

4.4 控制模塊保護功能分析

該控制模塊具有完善的保護性能，起動控制電路與保持控制電路工作原理相同，保持電路工作時間較長，方便觀察，對保持控制電路的保護性能進行分析。圖10a 為反饋環開路時，ucoil和icoil波形，輸出電壓電流上升到一定值時即被關斷并每隔一段時間進行重啟，限制輸出功率；圖10b 為輸出在tm時刻突然短路的ucoil和icoil波形，ucoil=0，輸出電流上升到一定值時即被關斷并重啟；圖10c 為輸出在tn時刻突然過載的ucoil和icoil波形，模塊進入周期性的重啟過程，防止過載對模塊造成永久性的損壞。

圖10 保護性能分析Fig.10 Protection function analysis

5 結論

本文設計了一種交流電磁閥智能控制模塊，通過仿真和實驗得出以下結論：

（1）可將離線式開關電源控制芯片應用到交流電磁閥智能控制中，增加控制模塊的集成度和智能化水平。

（2）在電磁閥的起動與保持過程中可使用電壓閉環反饋的控制方式，實現電磁閥的寬電壓應用，使電磁閥的動作特性相對一致，降低網壓波動對電磁閥的影響，工作安全可靠。

（3）在起動過程中可降低電磁閥起動電壓來減小動靜鐵心的碰撞能量，在保持過程中施加一低電壓可降低工作溫升，提高使用壽命。

（4）模塊具有完善的保護功能，且體積小、成本低、性能優良，為智能交流電磁閥的研究奠定了基礎。

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