電磁氣門驅(qū)動電路設(shè)計探析

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　　摘要：本文在國外和國內(nèi)電磁氣門驅(qū)動機構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，從汽車傳統(tǒng)的氣門領(lǐng)域的發(fā)展情況著手，結(jié)合最新的汽車氣門領(lǐng)域的發(fā)展情況，特別是電磁氣門驅(qū)動的優(yōu)勢和發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合現(xiàn)有的電磁氣門的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點設(shè)計，并根據(jù)相關(guān)的控制理論，重新設(shè)計了電磁氣門的驅(qū)動電路，重新選擇相對應(yīng)的材料來設(shè)計各個模塊，并對電磁氣門驅(qū)動電路的性能試驗提出了方法，為今后的進一步研究和開發(fā)打下堅實基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：電磁氣門；驅(qū)動電路設(shè)計；性能試驗

　　中圖分類號:G712         文獻標(biāo)識碼:A      文章編號：1005-1422（2014）07-0176-03

    一、電磁氣門電磁閥對功率驅(qū)動電路的要求

　　在電磁氣門的能量輸入方式中，功率驅(qū)動模塊起到?jīng)Q定性的作用，它對電磁氣門的工作過程有很大影響。為了實現(xiàn)電磁閥的高速響應(yīng)性和強電磁作用力，驅(qū)動功率電路應(yīng)滿足以下要求：（1）在電磁氣門的初始階段（開啟時刻），應(yīng)該能保證氣門能在彈簧的作用下迅速開啟。（2）在電磁氣門從開啟向關(guān)閉的運動過程中，功率驅(qū)動模塊應(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)時間，從而滿足電磁閥的快速響應(yīng)特性。（3）在電磁氣門的閉合階段，工作間隙很小，此時電磁線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，小的電流也能減小線圈發(fā)熱，降低能量消耗。

　　從功率驅(qū)動電路的要求可以看到，電磁氣門機構(gòu)的驅(qū)動電路應(yīng)有如下特性：（1）電路中電流應(yīng)該有快速的動態(tài)響應(yīng)特性；（2）電流應(yīng)該可調(diào)；（3）有過電流保護功能。

    二、電磁氣門的驅(qū)動電路圖設(shè)計方案的確定

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

　　1.增壓式驅(qū)動方式是使用增壓電路提供遠高于車用電壓12V的電壓來驅(qū)動電磁鐵的線圈，能夠滿足電磁閥的快速響應(yīng)特性。但其電路設(shè)計比較復(fù)雜，能耗較高。

　　2.調(diào)壓式驅(qū)動方式分為線性調(diào)壓式和脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）調(diào)壓式驅(qū)動。線性調(diào)壓式采用12V車用電壓，經(jīng)過對電壓進行線性調(diào)節(jié)得到合理的驅(qū)動電流。PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)壓式在目前控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多，相對于線性調(diào)壓它具有電路簡單、節(jié)約能耗等優(yōu)點。

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

　　三種驅(qū)動類型各有特色，又相互有交叉應(yīng)用之處，通過比較，采用ＰＷＭ（脈寬調(diào)制）調(diào)壓式驅(qū)動模塊。

　　為了保證功率驅(qū)動電路的正常工作，需要對驅(qū)動電路選取功率開關(guān)元件。對于ＰＷＭ（脈寬調(diào)制）驅(qū)動模塊，目前應(yīng)用在這種驅(qū)動模塊的功率開關(guān)元件主要有達林頓晶體管(DT)、功率場效應(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：

　　1.達林頓晶體管(DT)是電流驅(qū)動型器件，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三個電極。達林頓晶體管有很高的放大系數(shù)，能夠提高驅(qū)動能力，獲得大電流輸出。

　　2.功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)是電壓驅(qū)動型器件，開關(guān)損耗幾乎為零，工作頻率高，可以并聯(lián)使用，沒有二次擊穿問題，使用方便，容易驅(qū)動，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)動的雙重優(yōu)點，但是其價格昂貴，開關(guān)速度比較低。

　　綜合以上因素，對ＰＷＭ（脈寬調(diào)制）調(diào)壓式驅(qū)動模塊，決定采用功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，因為其價格便宜且所用電路簡單，雖然額定電流一般小于80A但能滿足電磁氣門驅(qū)動20A的要求。

     三、電磁氣門的功率保護電路的設(shè)計

　　目前常見電磁氣門的功率保護電路有以下三種：

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

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

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

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

圖1二極管-電阻保護電路

     四、抗干擾設(shè)計

　　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)計控制系統(tǒng)時，必須采取一些必要的措施。針對干擾進入控制系統(tǒng)的途徑，相應(yīng)制定出以下防護措施：

    1.空間電磁干擾豹防護措施

　　SI發(fā)動機點火系統(tǒng)在工作時產(chǎn)生高壓脈沖，同時向空間輻射電磁波，其特點是能量大、頻帶寬，這種干擾嚴(yán)重影響發(fā)動機控制系統(tǒng)的正常運行。本文主要采取屏蔽措施來抑制電磁波的干擾，具體做法是：傳輸信號線采用帶金屬屏蔽層的雙絞線。

    2.過程通道干擾的防護措施

　　過程通道是指計算機與外設(shè)的輸入輸出通道，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及驅(qū)動電路。

    3.供電系統(tǒng)干擾的防護措施

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

    五、電磁氣門電路圖的設(shè)計以及實驗結(jié)果

　　1.電路圖的設(shè)計

　　根據(jù)前面的材料選擇，經(jīng)過綜合分析設(shè)計出如圖2所示的電路圖模塊和圖3所示的電磁氣門驅(qū)動電路邏輯圖：

圖2電路圖模塊

圖3電磁氣門驅(qū)動電路邏輯圖

　　圖3中驅(qū)動信號1為U1，驅(qū)動信號2為U2，控制信號為PWM波(具體見圖4)。

圖4電磁氣門驅(qū)動電路的整體設(shè)計

采用竄行通信端口，從PC機將各個PWM波的頻率，占空比及相互間的時序關(guān)系等信息傳遞到單片機，在單片機定時模塊和PWM模塊的配合下，由單片機發(fā)出四路PWM信號，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單片機模塊

　　2.實驗結(jié)果

　　將自行設(shè)計開發(fā)的EMVA安裝在模擬缸頭上進行試驗,該試驗臺由EMVA、功率驅(qū)動模塊、電控單元（ECU）、PC機、傳感器及示波器組成。如圖6所示：

圖6

經(jīng)試驗研究得到驅(qū)動信號與控制信號的形成的時序圖形如圖7。

圖7驅(qū)動信號形成的時序圖

　　控制信號和脈沖信號通過邏輯電路產(chǎn)生兩路控制脈沖:驅(qū)動信號1和驅(qū)動信號2，分別用來驅(qū)動下電磁鐵和上電磁鐵。下電磁鐵和上電磁鐵受到驅(qū)動信號1和驅(qū)動信號2的驅(qū)動后，分別在下電磁線圈和上電磁線圈中形成驅(qū)動電流1和驅(qū)動電流2，控制氣門的開啟和關(guān)閉。通過調(diào)節(jié)脈沖信號的通電時間t1、t2 、t3、 t4 及t3 段PWM波的周期和占空比d來實現(xiàn)。t1表示峰值電壓的通電時間,對應(yīng)于驅(qū)動電流的上升階段，決定了電磁力是否可以克服彈簧力和機械阻力以便迅速、準(zhǔn)確地打開或關(guān)閉氣門。t2表示峰值電壓的切斷時間，峰值電壓切斷后，線圈瞬時產(chǎn)生很高的反電動勢,線圈電流不可能突變?yōu)榱?，在?qū)動電路中采用續(xù)流二極管法使線圈電流快速泄流，但又不希望其降為零，將其控制在所需的保持電流附近，t2 的選擇對銜鐵落座影響很大。t3為ＰＷＭ脈沖通電時間，對應(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對驅(qū)動電流的影響更大，d過大則保持電流過大，加大銜鐵的落座速度和系統(tǒng)的能量消耗，d過小則保持電流過小，電磁力無法克服彈簧力和機械阻力使氣門無法保持在極限位置，而在彈簧力作用下反向運動。t4為PWM斷電時間，此階段驅(qū)動電流降為零，氣門不受電磁力，在彈簧力作用下作有阻尼自由振動。

　　單片機通過傳感器接口電路檢測轉(zhuǎn)速和負荷信號并修正后，通過查詢預(yù)先存儲的MAP圖，得到相應(yīng)的氣門定時和氣門升程，并由此得到電磁閥的控制電流，然后輸出一個脈沖信號以適當(dāng)?shù)碾娏黩?qū)動電磁閥，是氣門開閉，從而實現(xiàn)氣門的驅(qū)動控制在驅(qū)動脈沖信號2主脈沖的上升沿，功率場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通，上電磁閥線圈內(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時，線圈內(nèi)的電流按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)下降到電磁線圈能保持吸合狀態(tài)的保持電流時，PWM保持波的上升沿工作，接著電磁線圈中的電流在PWM波的作用下圍繞保持電流上下波動，銜鐵與上電磁閥鐵芯吸合，氣門處于關(guān)閉狀態(tài)。直到PWM波結(jié)束，電磁力逐漸減小當(dāng)電磁力無法克服彈簧反力時，銜鐵在彈簧反力的作用下向下電磁閥方向運動，在適當(dāng)時刻，給下電磁閥施加驅(qū)動脈沖信號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)，此時氣門全開狀態(tài)，一個循環(huán)完成。

　　　　
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