创新的电路设计，显著提升低功耗高速电磁铁的性能
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
温州大学机电工程学院的研究人员李勇、黄庆林、谷璐璐、赵杨、任燕，在2019年第2期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“一种双电压合成信号脉宽调制的低功耗高速电磁铁驱动电路”），针对提升电液控制系统动态和稳态性能的需求，提出一种双电压合成信号脉宽调制的低功耗高速电磁铁驱动电路。
与常见的双电源切换电路不同，该电路通过单稳态触发器电路、反相输入求和电路、反相比例运算电路合成一个双电压信号，与高频三角波电路比较产生一个双占空比的脉宽调制信号，最后经功率放大级输出，实现初始阶段100%占空比脉宽调制信号使电磁铁线圈电流急速上升驱动衔铁高速运动，运动结束后又以10%占空比实现低功耗保持，避免了双电源切换电路设计的复杂性和实时性问题。
基于上述原理，建立高速电磁铁及驱动电路的理论模型，仿真分析电磁铁的动态和稳态性能，并结合原型样机进行实验验证。研究结果表明：与典型恒定电压或恒定占空比控制方式相比，性能明显提高，该驱动电路作用下的电磁铁在2.5mm行程内开启时间为10ms，关闭时间为22ms，稳态功耗为0.3W，可更好地满足低功耗高速电磁铁的驱动要求。
高速电液阀已广泛运用在航空航天、柴油机燃油喷射系统、车轮的防抱死制动系统、汽车减震器、深海、野外等众多领域。作为高速电液阀的核心元件，电-机械转换器的特性直接影响着整个系统的控制性能。因此，如何提升电-机械转换器的特性尤其是动态和稳态性能，已成为近年来国内外研究的热点。
目前国内外对高速电-机械转换器的研究主要体现在高性能磁性材料和驱动电路两个方面。一方面，超磁致伸缩材料和新型压电PZT等新型材料在高速电-机械转换器上的应用提高了电液阀的动态响应特性，但是受到新型材料的应用局限性及产权保护等限制，国内对于高性能磁性材料在高速电液阀的应用研究一直未能获得突破性的进展；另一方面，国内外研究机构在高速电-机械转换器的驱动电路方面作了大量的研究，其主要的控制方式有模拟电路控制、数字脉宽调制（PWM）控制、双电压控制或多电压控制。
A. Kumar等提出一种高频响应的高压电磁喷油器驱动电路[11]，分别对三级功率晶体管驱动电路、单脉冲驱动电路、三级功率MOSFET管驱动电路进行对比，研究结果表明：采用MOSFET管驱动延迟时间最短，在保持阶段采用PWM控制有利于电磁喷油器的关闭。Cheng Qiang等通过仿真表明在不同的驱动策略下，电磁阀的功率损耗和动态响应特性有显著差异，并通过实验进行验证。
郭树满等通过研究电磁阀在不同阶段对电流变化快慢的不同要求，提出一种基于自举电路的电磁阀驱动电路，提高了其保持阶段电流的稳定性、关闭阶段的响应特性和控制精度。王琼等提出一种PWM维持占空比方式控制，并基于Matlab/Simulink建立仿真模型分析开关特性及关键参数对维持占空比、关闭速度的影响，表明该驱动电路能有效提高开关阀的响应速度。
田静等提出一种基于2501单片机的脉宽调制电路，运用此驱动电路，高速开关阀开启时间由4.9ms降低到3.9ms。陈仲华等提出一种高推力永磁游标直线电机的开放式绕组空间矢量脉宽调制（Space Vector PWM, SVPWM）控制策略，该控制方式使电机系统具有较好的动态特性。夏鲲等提出一种电流反馈的分段式PWM控制方法，减小电机的转矩波动，提高伺服系统输出转矩的稳定性。
双电压控制或多电压控制主要思路是采用大电流开启，小电流保持，缩短了电-机械转换器开启和关闭时间，降低了线圈发热，来实现高频响和低功耗等特性，是目前高速电-机械转换器驱动电路研究的一个重要方向。Lu Haifeng等对不同的驱动方式进行了分析，提出一种基于双电源的预激励和反向激励控制策略，该驱动方式明显降低了电磁喷油器开关响应时间。
汤龙飞等提出一种高压直流闭环起动，低压直流闭环保持的智能控制模块，实现闭环反馈的控制方式。张斌等提出一种三电压控制策略，通过仿真分别就常规PWM控制、双电压控制和三电压控制进行对比，结果表明三电压控制在降低电磁阀开关时间上明显优于前两者，而且可控频率和可调占空比范围大。
Lee Y. 等提出一种三电压驱动电路，通过实验验证该驱动电路较恒定电压驱动方式，高速开关阀开启时间从5ms降低到1.55ms，关闭时间由2.2ms降低到1.95ms。双/多电压驱动方式能有效提高电-机械转换器的动态和稳态性能，但是目前的技术要在多个不同的电源或功率放大电路之间进行切换，对切换的实时性要求较高，电路设计较为复杂。
高速电磁铁是一种结构简单、直线驱动、响应快、成本低的电-机械转换器，本文的研究重点在于通过驱动电路的创新设计提高动态响应和降低稳态功耗。为了解决双/多电压驱动方式多个电源或功率放大级切换电路的缺点，提出一种双电压合成信号脉宽调制的低功耗高速电磁铁驱动电路，先由控制信号合成双电压信号，再产生一个前后占空比不同且可调的脉宽调制信号，最后由功率放大级来驱动高速电磁铁。基于上述原理，建立高速电磁铁及驱动电路的理论模型，仿真分析驱动电路电气参数对高速电磁铁动态和稳态性能的影响，并结合实验进行验证。
图1 高速电磁铁结构示意图
图2 驱动电路结构
图13 高速电磁铁及驱动电路测试系统
1）提出一种双电压合成信号脉宽调制的低功耗高速电磁铁驱动电路，该电路先由单稳态触发器电路输出的触发信号与控制信号合成双电压信号，再经比较器输出一个前后占空比不同且可调的脉宽调制信号，最后由功率放大级来驱动高速电磁铁，解决引言中双/多电压驱动方式多个电源或功率放大级切换电路的缺点。
2）建立了高速电磁铁及驱动电路的理论模型，通过仿真分析证明了该低功耗高速电磁铁驱动电路的可行性，并探讨了驱动电路主要电气参数如驱动电压、PWM信号频率、PWM信号占空比等对高速电磁铁动态、稳态性能的影响规律，为驱动电路原型样机的制作提供参数设计依据。
3）与典型恒定电压和恒定占空比控制方式相比，该驱动电路作用下的电磁铁动态、稳态性能明显提高，开启时间为10ms，关闭时间为22ms，稳态功耗为0.3W，表明该驱动电路具有动态响应快、稳态保持功率低、无需双电源切换电路等优势，更好地满足了低功耗高速电磁铁的驱动要求。