高速電磁開關閥快速關閉方法設計與實現

劉宇剛，蘇 明

（1.貴州師范大學 機械與電氣工程學院，貴陽 550025；2.貴州師范大學 大數據與計算機科學學院,貴陽 550025）

高速開關閥是一種新型的電液數字閥。采用脈寬調制（PWM）式數字控制，高速電磁開關閥的線圈能量釋放影響閥芯關閉時間toff，是影響高速電磁開關閥的主要因素[1]。因此，要實現減小閥芯關閉滯后時間tdf及閥芯關閉運動時間（toff-tdf），應該使電流波形下降時間盡可能短，從而使開關閥的靜、動態特性一致性好，提高開關閥在系統控制中的精度[2]。

1 高速電磁開關閥放電電路分析

高速電磁開關閥在開啟和關閉時線圈的電路如圖1所示，PWM信號如圖2所示，假設開關為理想開關。當PWM信號為1時，開關通，驅動電源與線圈接通；當PWM信號為0時，開關斷開，線圈與續流二極管接通，忽略續流二極管兩端電壓，在toff范圍內，線圈電流為

式中：Rx為續流支路電阻；i0為開關轉換時線圈內的初始電流。

圖1 開關閥電路Fig.1 Switch valve circuit

圖2 PWM波形Fig.2PWM wave

由式（1）、式（2）可見，增大 Rx有利于提高高速電磁開關閥線圈電流的下降速度，從而提高高速電磁開關閥的關閉特性。但是，Rx太大會引起電壓增高，一旦超過開關管的耐壓，將造成開關管擊穿。此外，通過固定電阻放電時，電流下降到一定程度后，放電過程減緩，難以滿足高速電磁開關閥的關閉特性要求。因而通常提高高速電磁開關閥線圈電流的下降速度的方法是：在續流支路中與二極管反向串聯1個穩壓管，保護開關元件的同時，盡可能加快電流的下降速度，提高高速電磁開關閥的關閉特性。然而，盡管串聯了穩壓管，當電流較小時，穩壓管會失去穩壓作用，高速電磁開關閥的關閉時間不能令人滿意[3]。

2 放電系統整體結構設計

針對上述缺陷，提出一種能夠提高高速電磁開關閥線圈放電速度，減小高速電磁開關閥關閉時間的方法，并提供實現該方法的控制電路。開關閥放電系統原理如圖3所示。

圖3 開關閥放電系統原理Fig.3 Switch valve discharge principle schematic diagram

其原理是用1個開關陣列的電阻代替續流支路電阻Rx，在高速電磁開關閥關閉過程中，通過檢測線圈兩端電壓UD，動態調整續流支路電阻值，使得在高速電磁開關閥關閉過程中，一方面保證線圈兩端電壓穩定在一個安全的反向電壓以下，保證前級開關不被擊穿，另一方面當線圈兩端電壓低于安全電壓UA一定值（UT為調整電壓）時，通過加大續流支路電阻值，提高線圈放電速度，從而達到既保證前級開關安全又減小高速電磁開關閥閥芯關閉時間的效果。

根據前級開關管反向擊穿電壓UB選取UA，UA＜UB且保留一定的安全余量 （UB的50%～60%即可），安全電壓通過電阻的設定來保證。

3 放電速度控制系統電路設計

3.1 控制電路設計

控制電路原理如圖4所示。放電速度控制電路由電壓比較器、計數器和譯碼器構成。

圖4 控制電路原理圖Fig.4 Control circuit schematic diagram

當PWM=0時，高速電磁開關閥線圈開始放電，計數器74LS161的各功能端設置為計數狀態。當參考電壓大小取樣電壓時，電壓比較器輸出為高電平，當電磁閥B點電位通過取樣分壓后，與電壓比較器進行比較。如果B點電位的取樣分壓值高于調整電壓，比較器U2輸出1個低電平，CLK時鐘為下降沿，使74LS161計數，輸出為0001，此時74HC138的輸出變化為只有Y1端口輸出為0，經光電耦合器后驅動NMOS管Q1，使Q1導通，B點電位下降，電壓比較器U2輸出為高電平。當B點電位升高時，電壓比較器U2又輸出低電平，74161又開始計數，輸出0010，譯碼器 74HC138的Y2輸出為0，一直循環到只有Y7端口輸出為0，僅使Q7管導通，同時Y7端口使 74LS161使能端置 0，74LS161不再計數，直至放電完成。

U1電壓比較器起到保護高速電磁開關閥驅動管作用，當取樣電壓B點圖電壓過高，U1電壓比較器輸出低電平，使計數器停止工作，輸出為0000，譯碼器Y0輸出低電平，使開關閥放電電阻取值最小，從而保護了驅動管不被反向擊穿[4]。

3.2 Rx電阻陣列設計

Rx電阻陣列采用并聯開關電阻陣列電路型式，主要由光電耦合器，NMOS管 Q0，Q1，…，Q7及相應的放電電阻 Rx0，Rx1，…，Rx7構成，如圖 5 所示。

圖5 電阻陣列電路設計Fig.5 Design of resistance array circuit

Rx阻值的選取依次為 20R0，21R0，…，27R0，各級放電電阻之間成等比關系。在PWM信號為0期間，將B點電壓取樣到電壓比較器，通過計數器計數，選擇譯碼器輸出端，由光電耦合器耦合，自動選擇NMOS管的導通與截止，從而使自適應調節Rx阻值為最大，加快放電速度，且不會導致瞬間高壓擊穿前級開關管，由此提高了高速電磁開關閥的控制性能。

4 實驗結果

根據所設計的電路制作實驗板，對某一時刻計數器74161的QB，QC，QD測試的波形如圖6所示。其波形也對應著74HC138的腳1，腳2，腳3的波形，從而譯碼出某輸出端為低電平，PWM波形的頻率為128 Hz。

圖6 計數器輸出波形Fig.6 Counter output waveform

電阻陣列中4個相鄰開關管柵極電壓波形如圖7所示。各開關管在PWM為0時，自適應導通，直到放電電阻最大，又能保證驅動管不被擊穿的情況下，提高開關閥關閉時間。

圖7 相鄰開關管柵極電壓波形Fig.7 Adjacent switching grid voltuage waveform

在PWM為0時，由電磁開關閥線圈、開關閥線圈內阻、電阻陣列中某一支路、續流二極管D1構成放電回路，在某一時刻測試續流二極管陰極電壓波形如圖8所示。由圖可見，增大電阻陣列中的電阻，加快了電壓放電速度，提高了高速電磁開關閥的關閉特性[5]。

圖8 續流二極管陰極電壓波形Fig.8 Continuation diode cathode voltage waveform

電路設計和試驗測試表明，在PWM為0時，圖3中的開關斷開，線圈開始放電，控制器通過電壓比較器逐步調整Rx陣列的阻值，達到減小高速電磁開關閥關閉時間的效果。

5 結語

所設計的新型裝置采用開關電阻陣列替代Rx，靈活方便，既可與前級電路一起構成整個系統，也可以自成一個控制系統，可以滿足大多數應用要求；可實現Rx數字控制，滿足大多數高速電磁開關閥的控制要求。本系統不僅適用于所涉及的高速電磁開關閥，同樣也適用于其它結構形式的高速電磁開關閥及其它電感放電裝置，具有較大的普適性。

[1]宋軍，李書澤，李孝綠，等.高速電磁閥驅動電路設計及試驗分析[J].汽車工程，2005，27（5）：546-549.

[2]蘇明，劉宇剛.高速電磁開關閥靜態特性研究[J].機床與液壓，2014，42（9）：50-53.

[3]蘇明.電磁高速開關閥控制特性及方法[D].貴陽：貴州大學，2010：15-35．

[4]劉宇剛，蘇明.適應供油口壓力變化的開關閥控制系統設計[J].電子技術應用，2012，38（10）65-67.

[5]黃衛春，蘇利杰.PWM高速開關閥驅動電路仿真設計[J].制造業自動化，2010，32（6）：168-171.