高速电磁阀驱动电路设计及试验分析
缸内直喷发动机高速电磁阀驱动电路设计
缸内直喷发动机高速电磁阀驱动电路设计陈林;董小瑞;王艳华【摘要】汽油机缸内直喷技术已经成为实现汽车节能环保的有效措施.控制电磁阀高速启闭是发动机缸内直喷技术实现的关键技术.针对缸内直喷技术对电磁阀响应特性的要求,设计了实现电磁阀快速响应的驱动电路.对电磁阀驱动采用Peak&Hold电流驱动模型,在桌面版级设计软件上搭建基于ACS755XCB-050集成芯片电流反馈控制驱动电路,驱动电磁阀动作、控制喷油器喷油.仿真实验结果表明,基于电流反馈控制的驱动电路能够快速响应电磁阀驱动要求,并控制流过电磁阀驱动电流大小.【期刊名称】《柴油机设计与制造》【年(卷),期】2014(020)002【总页数】5页(P28-31,56)【关键词】汽油机;喷油器;驱动控制电路;电磁阀【作者】陈林;董小瑞;王艳华【作者单位】中北大学机械与动力工程学院,太原030051;中北大学机械与动力工程学院,太原030051;中北大学机械与动力工程学院,太原030051【正文语种】中文能源危机和环境污染已经成为全球普遍关注的焦点，并伴随着汽车保有量的持续增加，形势越来越严重。
开发具有汽油机优点同时又具备柴油机部分负荷高燃油经济性优点的车用发动机是主要的研究目标[1]。
20世纪50年代德国的Benz300SL车型、20世纪60年代的MAN-FM系统、20世纪70年代美国Texaco的TCCS 系统和Ford的PROCO系统就已经开始采用汽油机缸内直喷工作方式[2,3]。
不过当时由于内燃机制造水平低和电控喷射技术尚未应用，开发出的缸内直喷汽油机节能环保方面并不理想，没有得到实际应用。
20世纪90年代后，随着发动机制造技术进步和电控汽油系统的应用，使得GDⅠ汽油机瞬态响应好，可以实现精确的空燃比控制，具有快速冷起动和减速断油能力以及潜在系统优化能力，比进气道喷射汽油机更优越[4,5]。
汽油机缸内直喷技术只有借助先进电子控制技术和电子控制策略才能充分发挥其优势[6]，也使得许多发动机制造企业重新考虑GDⅠ汽油机的潜在优点。
高速电磁阀软开关驱动控制系统设计
（2） 软开关的分类
1）.准谐振电路 2）.零开关PWM电路 3）.零转换PWM电路
（3）设计初步电磁阀驱动原理图
24V 5V 12V 阀 光光耦耦
单片机
3 驱动控制信号的形成
运用单片机知识编写程序
ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0100H MAIN: CLR P1.0 MOV TMOD, #21H MOV TH0, #15H MOV TH0, #0A0H MOV TH1, #0E7H MOV TH1, #0E7H SETB TR0 JNB TF0, $ CLR TF0 SETB TR1 LOOP: CPL P1.0 JNB TF1, $ CLR TF1 LJMP LOOP END
高速电磁阀软开关驱动控制系统设计
同组人：丛叶斌（电气0802） 王彩云（电气优0802）
工作总结
1 基本了解电磁开关阀工作原理 2 基本掌握软开关技术 3 重点解决驱动控制信号的形成
1电磁开关阀基本工作原理
通电 吸合 断电
电磁力
动铁芯与静铁芯
动铁心与静铁芯分开
2 软开关技术
（1） 硬开关------>软开关
高感电磁阀驱动恒流源的设计
高感电磁阀驱动恒流源的设计Design of drive constant current sourcefor high inductance solenoid valve李佳鑫1，朱玉玉1,2，林茂松1LI Jia-xin 1, ZHU Yu-yu 1,2, LIN Mao-song 1（1.西南科技大学 信息工程学院，绵阳 621000；2.电子科技大学 自动化工程学院，成都 610054）摘 要：电磁阀在核工业中应用广泛，安全稳定地运行是核工业发展的要求，对电磁阀的稳定驱动是电磁阀长期运行的保障。
针对供电电压、温度、负载变化等因素造成电磁阀驱动电流稳定度低、可靠性差、功耗大等问题，设计一款基于STM32的可调节DC/DC恒流源驱动。
该恒流源主要包括全桥DC/DC变换器电路、串联负反馈式稳流电路和STM32控制系统三部分。
经仿真和实验证明，该恒流源采用“粗-细”调节控制策略，实现对高感电磁阀驱动电流100mA～300mA连续可调、稳定输出，具有抗干扰能力强、稳定性高。
关键词：高感电磁阀；恒流源；STM32；DC/DC变换器；稳流电路中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2021)04-0102-06收稿日期：2019-12-18基金项目：国家自然科学基金项目（61801406）作者简介：李佳鑫（1993 -），男，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统及电力电子应用。
0 引言电磁阀在核工业中应用广泛，在反应堆棒控系统中作为重要的执行单元，用以完成控制棒的提升、保持、下插等动作，实现对反应堆反应性以及功率特性的控制功能[1]，其准确性及可靠性决定了反应堆控制的实时性和准确性，关系到反应堆的正常运行和安全。
清华大学10MW 高温气冷堆、中国先进研究堆CARR 采用基于IGBT 和可编程控制器PLC 控制台方式[2～5]实现电磁阀驱动，其具有良好的运行可靠性、动作响应迅速，但动态调节能力略有不足，控制精度不够高，开发成本高，对电磁阀负载特性有一定的限制要求。
MAX471电容储能式高速电磁阀驱动电路的研制
电容储能式高速电磁阀驱动电路的研制摘要：本文介绍了一种电容储能式高速电磁阀驱动电路。
通过采用高端电流检测反馈控制PWM 输出实现了对电磁阀电流的精确控制。
与传统的电磁阀驱动电路相比，其控制逻辑简单，更符合电磁阀的电流响应特点，且有利于降低功耗和防止电磁阀过载。
关键词：高速电磁阀；驱动电路；电容储能；高端电流检测引言高压共轨燃油喷射系统是柴油发动机的发展方向之一。
该系统通过控制燃油的共轨压力和喷油器的快速启闭来保证发动机对喷油正时、精确喷油量及理想喷油率等方面的要求。
其中关键执行器件是高速电磁阀，其电流响应特性决定其驱动电路应满足下列基本要求。
1. 电磁控制阀开启前的能量强激功率驱动模块应以尽可能高的速率为电磁阀注入能量, 确保电磁控制阀在开启过程中产生足够大的电磁作用力, 缩短开启响应时间。
2. 电磁控制阀开启后, 因工作气隙较小, 磁路磁阻很低, 电磁线圈通入较小的保持电流便能产生足够大的电磁作用力以保证电磁控制阀的可靠开启。
小的保持电流可以降低能量消耗, 减小线圈发热, 同时有利于电磁控制阀的快速闭合。
综上所述，电磁阀驱动电路的设计要求在电磁阀的不同工作阶段应维持相应的理想驱动电流。
目前常见的电磁阀驱动电路大致分为可调电阻式、双电压式、脉宽调制式和双电压脉宽调制式4种。
其中可调电阻式驱动电路结构简单但功耗较大，双电压式功耗有所减小但仍不理想。
脉宽调制式与双电压脉宽调制式均采用PWM来控制电磁阀保持电流，大大减小了功耗。
与脉宽调制式相比，双电压脉宽调制式的好处在于电磁阀保持电流由蓄电池提供，减轻了DC/DC升压电路的负载。
然而上述的几种驱动电路存在的共同问题是难以确保在喷油脉宽时序重叠的情况下电磁阀的正常打开。
这是因为当两路喷油信号在相位上重叠时，其中一路电磁阀的导通将导致DC/DC 升压电路的电压瞬时下降，这时的电压将无法保证另一路电磁阀的正常打开。
本文的课题背景中，柴油高压共轨转子机前后双缸分别配备双喷油器，即引燃喷油器和主喷油器分别独立控制，且两路喷油器在部分工作中喷油时序重叠。
高速开关电磁阀的应用及测试分析 朱晴
高速开关电磁阀的应用及测试分析朱晴摘要：高速开关电磁阀就是一种在电磁控制系统中较为简单的结构模式，是一种可以实现计算机控制的关键控制元件，其主要的性能指标就是对电液系统产生直接影响。
通过对高速开关电磁阀的应用及测试分析可以为其应用提供有效参考。
关键词：高速开关电磁阀；应用；测试；电磁阀响应时间主要就是受到电、磁、机等因素影响，要想提升动作实践，可以通过增加电磁力减少机械阻力、缩短电磁过度过程的方式对其进行控制。
对此，在电磁阀设计过程中必须要对其各项动作因素与各种制约关系进行系统分析。
高速开关电磁阀的开关速度对于其性能有着决定性的影响。
1.高速开关电磁阀的结构以及原理高速开关电磁阀在设计过程中主要应用的就是圆滑阀式两位三通结构模式，通过应用一种含铅量较少的铁硅合金材料，利用其起始磁导率以及最大磁导率的特征，可以提升其整体的电磁吸力。
加入铝可以增加合金电阻率，有效的降低涡流损耗的问题，同时也可以减少电阻温度系统，有效的增强合金的耐磨性特征，降低币种，进而减少阀芯的质量。
而在电磁阀的两端其应用的就是一种双线圈结构类型，通过取消复位弹簧的方式，有效的小处理因为弹簧阻尼导致的机械延时以及电磁阀应用期限降低的问题。
在阀芯上主要应用的就是开平衡槽的方式，可以有效的消除液压的卡紧力问题。
在相同的工作周期中，在前半个周期中电磁阀主要就是通过正向的电流产生一定的电磁吸力，而另一端则是通过提前通反向电流消除电流导致的剩磁问题；在后半个周期中其与前半个周期是成反向的作用。
适当的添加驱动电流可以有效的增强电磁线圈的电流变化率，进而真切电磁阀的相应速度。
在高电压以及大电流的影响之下，如果不切断电源就会导致线圈温度过高，致使能耗过大的问题出现。
对此，必须要加强对电磁阀端口的PWM控制电路的重视，保障其呈现高压开启的状态；然后在利用剩磁保障其呈现吸合状态，在释放的时候必须要处理剩磁，这样才可以避免其影响电磁阀关闭时间。
2高频电磁阀的数学模型与开关特性机理分析2.1高速开关电磁阀测试模型构建主要的应用的模型就是电路模型与磁路模型，其中电路模型就是通过对电路的实际状况进行分析，简化处理就可以获得电路模型；而磁路模型因为导磁体磁导率相对较大，在实践中可以确定磁能就是在气隙中集中，进而忽略边际效应就可以获得磁路模型。
高速电磁阀驱动控制策略的研究
ｃ ｎ ｒ ｌｗａ ｄ ｅ ｔｔ ｔ ｇ ｆ ｌ ｗ— ｏ ｔ ｇ ｉ ｔ ｉ ｎ ｏ ｒ ａ ｉ ｅ ｆ ｓ ｐｅ ｎ ｎ ｌ ｉ ｏ ｅ ｏｉ ａ ｖ ｎ ｏ ｓ ｖｅ ｅ ｅ ｇ ｏ ｔ ｏ ｓ ａ ｄ ｄ ａ ｈｅ ｓ ａ ｅ ｏ ｏ ｖ ｌａ ｅ ｍａ ｎ ａ ｎｉ ｇ ｔ ｅ ｌｚ ａ ｔｏ ｎｉ ｇ ａ ｄ ｃ ｏｓｎｇ ｏｆ ｓ ｌ ｎ ｄ ｖ ｌ ｅ ａ ｄ ｔ ａ ｎ ｒ ｙ ｃ ｎｓ ｍｐｔ ｎ ｉ ｈｅ ｍｅ ｎ ｉ ｅ Ｔｈ ｄ ａ ｔ ｇ ｆ ｔ ｅ ｃ ｒ ｕｉ ｉ ｈ ｔｏ ｎｉ ｇ ｏ ｏｌ ｎ ｉ ａ ｖ ， ａ ｎ ａ ｎ ｎｇ ｃ ｒ ｅ ｔ Ｗ Ｍ ｉ ｎ ｌｆｅ ｏ ｕ ｉ ｎ ｔ ａ ｔｍ ． ｅ ａ ｖ ｎ ａ ｅ ｏ ｈ ｉｃ ｔ ｓ ｔ ａ ｐｅ ｎ ｆ ｓ ｅ ｏ ｄ ｖ ｌ ｅ ｍ ｉ ｔ ｉ ｉ ｕ ｒ ｎ ，Ｐ ｏ ｓｇ ａ ｒ—
过 热 ，当 阀 门打 开后应 迅速 控制 线 圈电流 降低到 一
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｎｒ ｄ ｔ ｎ ｗａ ｄ ｏｔ ｅｐ ｉ ｉ ｅｏ ｉｇｌ ｏ ｕｍｐ ｈｇ ｐｅ ｄ ｓ ｌｎｏｄ ｖ ｌｅ ｄ ｉｅ ｃｒｕｉ． ｅｃｒ ｕｔａ ｏ ｅ ｓｒ ｃ：Ｉ ｔｏ ｕｃｉ ｓｍａ ｅｔ ｈ ｒｎｃｐｌ ｆｓｎ ｅｂ ｄｙｐ ｏ ｉｈ ｓ ｅ ｏ ｅ ｉ ａｖ ｒｖ ｉｃ ｔ Ｔｈ ｉｃ ｉ ｄ ｐｔｄ
电工电． （０ Ｎ ． ＿ ２ １ ｏ７ 【 １ ）
高速开关阀的设计与研究
高速开关阀的设计与研究*周福章李力千刘志玮任德志(洛阳工学院机电工程系洛阳471039)摘要介绍了一种新型的二级高速开关阀，它采用柱塞式液压增益放大结构，以高速开关电磁阀为先导级，通过二级锥阀的放大，使数字阀最大流量超过80l/min，且保持较高的切换速度，解决了大流量和快速性之间的矛盾。
阀的控制器采用PWM控制原理和降幅双压驱动技术，加速电压持续时间和工作电压幅值均可调节，优化了阀的切换特性。
叙词：数字阀高速开关柱塞式液压增益放大PWM降幅双压驱动中图分类号：TP2710前言目前的电液控制中，虽然模拟控制仍占主导地位，但是随着微机的广泛应用，人们越来越注意到数字控制系统和数字元件的重要性。
高速开关数字阀工作在“开”、“关”两种状态下，与计算机接口非常容易，且价格低廉、抗污染能力强、抗干扰性好、易于维护。
通常采用调制脉冲宽度的方法进行控制，放大器结构简单，功耗小。
国内外一些单位已开展了对其的研究工作，开发了多种结构的高速开关阀，但是都未达到推广阶段，主要原因之一就是目前研制出的一些切换速度较快的单级阀流量较小，不能满足实际工程的需要，而二级阀虽然流量大，切换速度却非常慢。
研制一种新型的高速二级开关阀解决快速性和大流量之间的矛盾就势在必行。
1二级阀工作原理图1二级阀结构原理图1.负载2.主阀芯3.弹簧14.弹簧25.控制活塞6.先导阀7.阻尼孔二级阀原理如图1所示。
当先导阀6开启，容腔3压力接近系统压力，活塞5推动主阀芯开启，当先导阀6关闭，容腔3压力下降，主阀芯推动控制活塞关闭。
采用这种柱塞式增益放大结构，二级阀在获得大流量的同时，仍有较快的切换速度。
图1中阻尼孔7将先导阀输出流量分流，其孔径大小决定了容腔3的压力，是影响主阀芯开关速度的主要参数。
两端弹簧刚度很低，仅用于初定位，对阀的开关几乎没有影响。
先导阀6采用日本不二越公司生产的高速开关电磁阀(HS-G01-AR-D1)，其性能参数分别为：最高切换频率50 Hz，最大流量8 l/min，最高压力17 MPa，开启时间4 ms～6 ms，关闭时间1.5 ms～2.5 ms，控制电压12 V，最大电流2.4 A。
基于cpld的单体泵高速电磁阀升压电路的设计与实现
基于cpld的单体泵高速电磁阀升压电路的设计与实现1引言单体泵是一种用于燃油喷射系统的核心部件，其作用是将高压燃油喷射到发动机的燃烧室内，以完成燃烧过程。
单体泵高速电磁阀升压电路是单体泵工作的关键组成部分，其作用是为电磁阀提供足够的电源电压和电流，以保证电磁阀快速响应并完成开、关操作。
本文将介绍一种基于cpld的单体泵高速电磁阀升压电路的设计与实现。
2单体泵高速电磁阀升压电路的工作原理单体泵高速电磁阀升压电路的工作原理非常简单，其主要由电磁阀、升压电路、cpld芯片、时钟芯片和调节电位器等组成。
在工作时，cpld芯片输出PWM信号，经过升压电路升压后，驱动电磁阀打开，此时单体泵内的燃油被压力送入发动机燃烧室，完成燃烧过程。
3单体泵高速电磁阀升压电路的设计与实现在设计单体泵高速电磁阀升压电路时，我们首先需要选用合适的电磁阀和cpld芯片，并根据电磁阀的额定电压和电流确定升压电路的参数。
同时，我们还需要考虑到电磁阀响应速度、脉冲信号的占空比、电流保护等因素，以确保电磁阀能够稳定、快速地开启和关闭。
在实现过程中，我们使用了altera公司的cyclone iv系列cpld芯片，并参考了其官方文档和开发板设计。
4单体泵高速电磁阀升压电路的测试结果经过实际测试，单体泵高速电磁阀升压电路表现良好，能够快速、稳定地开启和关闭电磁阀，并有效提高单体泵的工作效率和燃油喷射精度，使发动机的燃烧效率得到了显著提升。
5结论本文介绍了一种基于cpld的单体泵高速电磁阀升压电路的设计与实现。
该电路以altera公司的cyclone iv系列cpld芯片为核心，集成了升压电路、时钟芯片、调节电位器等功能，并通过PWM信号驱动电磁阀快速响应完成燃油喷射。
该电路具有设计简单、可靠性高、工作稳定等优点，是一种值得推广应用的单体泵高速电磁阀升压电路方案。
电控高压共轨柴油机电磁阀驱动电路分析与实验
车 载 （ 油 车） 电池 电压一 般 为 ２ 因此须 柴 蓄 ４Ｖ，
１ 高压 共 轨 柴油 机 电磁 阀驱 动 电路 方 案设 计
采 用直 流升 压 （ Ｃ Ｄ 技 术 实 现 所 需 开 启 初 期 的 Ｄ ／ Ｃ） 高 电压 。 本 文按 Ｂ ｏ ｔ ｏ ｓ 电路 原 理搭建 了如 图 ２所 示采 用 直 流 升 压 （ ｏ ｓ） Ｂ ｏ ｔ 斩
波基 本 原理 ， 使用 脉宽 调制 技术 ， 通过 改变 受控 开关 器件 Ｑ导 通 与关断 的 时间 比 ， 制 其输 出 电压值 的 控 大小 ， 文设定 输 出高 电压 值 为 ８ 本 ＯＶ。依 靠 电容 Ｃ 及 电感 Ｌ的 滤波 和反 馈 电路 来 维 持 输 出 电压 的稳 定 。高压 产生 电路 的核 心在 于 Ｐ ＷＭ 控 制器 。
喷 油 器 （ 开关 电磁阀） （ 实现供油规律）
图 １ 电 控 燃 油 系 统 组 成 示 意 图
压 共轨 喷 油 系统 及 其 关 键 部件 —— 高 压 油 泵 、 轨 共 管 及 喷油器 等 的制造 和控 制 技术 目前仍 处 于 引进和 消 化 阶段 。因此 加快 对高 速 电磁 阀驱 动控制 的核 心 技术 研 究 ， 利 于尽 快 提 高 电 控 柴油 机 高 压 共 轨 燃 有 油 喷射 技术 的 自主研 发能 力 和技术 开发 水平 。
＋２ Ｖ ４
的燃 烧过 程 很 短 、 秒 （ ） ， 喷 油 器 的开 关 电 毫 ｍｓ 级 若
磁 阀没有 足够 快 的开 、 响应 能力 ， 无法 实 现控制 关 将 电脑 （ Ｃ 预 算 的 供 油 规 律 。因 此 电 磁 阀 的快 速 Ｅ Ｕ） 响应 特性是 衡 量工 作 性 能 非 常重 要 的指 标 ， 直 接 其 影 响 到 电控 单 元 （ Ｃ 对 高 压 燃 油 系 统 的 控 制 精 Ｅ Ｕ） 度 和最 终控 制效 果 。因此 在 高压共 轨燃 油 喷射 系统
一种新型高速电磁阀驱动电路
开关元件选用ＩＲＦ６４０：Ｎ沟道功率 就近耦合。例如：如果使用了铝电解电 低压侧控制信号。
Ｍ Ｏ Ｓ 。 低 压 侧 栅 极 驱 动 开 启 电 压 容做为自举电容，就应再用一个瓷电
Ｍ７４ＨＣ４５３８ 为双可重触发单稳态
，可直接通过 ＴＴＬ 信号控 电容；如果自
制。而高压侧栅极驱动时则应满足以 举电容是瓷电
其中：Ｖ ：自举二极管正向压降， ｆ
Ｖ ：低端器件压降或高端负载压降。 ＬＳ 另外，自举电容要尽可能靠近 ＩＣ
控制信号相对应的低压侧开关控制信 号，原理图如图 ５ 所示。Ｍ７４ＨＣ４５３８ 产 生的单稳态信号与 Ｓ Ｇ ２ ５ ２ ４ 产生的
开关电路设计
的管脚，至少有一个低ＥＳＲ的电容提供 ＰＷＭ 信号经由或门 ７４ＨＣＴ３２ 复合产生
下３个条件：栅级电压一定要比漏极电 或钽电容，自
压高１０～１５Ｖ；栅级电压从逻辑上看必 己直接和地耦
须是可控的，它通常以地为参考点；栅 合 也 就 足 够
级驱动电路吸收的功率不会显著地影 了。自举二极
响总效率。因此高压侧栅级驱动 ＩＣ 选 管的选择：在
用 ＩＲ２１１０，对高压高速功率 ＭＯＳ 管驱 高端器件开通
Field Applications 应 用 指 南
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中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院 郑 萍 李广荣 郑云 刘鲜芳
一种新型高速电磁阀驱动电路
Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ Ｖａｌｖｅ Ｄｒｉｖｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＷＭ
２００６．２
85
应 用 指 南 Field Applications
Field App li ca ti on s
高速电磁开关阀快速关闭方法设计与实现_概述说明
高速电磁开关阀快速关闭方法设计与实现概述说明1. 引言1.1 概述本文针对高速电磁开关阀的快速关闭方法进行了设计与实现。
传统的开关阀存在着关闭速度慢、失效率高等问题，对于某些需要快速切断流体通路的应用而言并不适用。
针对这一问题，本文提出了一种新的设计方案，旨在通过改进电磁开关阀的结构和控制方式，实现更快速、更可靠的关闭操作。
1.2 文章结构本文共分为五个部分进行介绍。
除此引言外，还包括“2. 高速电磁开关阀快速关闭方法设计与实现”、“3. 实验结果与分析”、“4. 应用前景和展望”以及“5. 结论”。
在“2. 高速电磁开关阀快速关闭方法设计与实现”部分中，将详细描述我们所提出的方法的具体步骤，并解释其原理。
同时还将介绍我们进行了哪些验证实验以评估该方法的性能和可行性。
接下来，在“3. 实验结果与分析”部分中，将列举我们所收集到的数据，并对这些数据进行处理和分析。
通过对比与传统方法及其他相关研究成果的比较，我们将对该方法的实际效果进行全面评估，并提供深入的讨论和分析。
在“4. 应用前景和展望”部分中，我们将探讨现有应用领域中该方法的潜在价值，并分析其发展趋势以及可能面临的挑战。
这将为进一步推动该技术的应用和发展提供重要参考。
最后，在“5. 结论”部分中，我们将对整个研究进行总结，并指出其中的创新点与不足之处。
同时，我们还会提出未来研究方向，以期进一步完善和优化这一方法。
1.3 目的本文旨在研究高速电磁开关阀快速关闭方法的设计与实现。
通过改进已有开关阀的结构和控制方式，提出一种更加高效、可靠且适用于各种流体通路切断需求的解决方案。
通过实验结果与分析，探讨该方法在应用领域中的前景和潜力，并为进一步研究提供方向。
最终目标是推动该技术在相关领域中得到广泛应用，为工业生产、能源领域等带来更高效、可靠且安全的解决方案。
2. 高速电磁开关阀快速关闭方法设计与实现2.1 方法介绍高速电磁开关阀是一种用于控制介质流动的重要设备，在许多工业领域都有广泛的应用。
柴油机高压共轨燃油系统――高速电磁阀的控制及其测试系统研究与.
东南大学博士学位论文柴油机高压共轨燃油系统——高速电磁阀的控制及其测试系统研究与开发姓名:张靖申请学位级别:博士专业:精密仪器及机械指导教师:翟羽健20030501东南大学博士学位论文摘要作为满足柴油机排放、节能和提高性能的重要途径,柴油机电子控制技术已成为当前柴油机技术的重要发展领域。
其中,高压共轨式柴油机电控燃油系统就是当前研究的新技术之一。
共轨式燃油系统是最近十几年来发展起来的新型燃油系统,其喷油压力与喷油量无关,也不受发动机负荷和转速的影响,能根据要求任意改变压力水平,使NOx和颗粒排放都大大降低。
在柴油机的喷射控制中,高速强力电磁阀作为系统的执行元件是关键性器件,共轨式燃油系统通过高速电磁阎实现对柴油机的预喷油量、主喷油量、预喷闻隔、喷油正时和喷油速率等参数的精确柔性控制,高速电磁阀的特性直接影响燃油喷射系统的主要性能指标。
本文结合一汽集团柴油机高压共轨喷油系统的研究课题,针对喷油器高速强力电磁阀及其控制技术进行了研究,取得了具有实用价值的成果和技术数据,开发了相应的驱动器及测试设备,并投入使用。
(1从工程应用和控制的角度建立了具实用价值的高速电磁阀静态及动态数学模型,电磁阀静态模型对电磁阀的结构、工作机理和参数设计具有指导意义;电磁阎动态模型对高速电磁阀的动态特性及其驱动器研制具有指导意义。
(2针对高压共轨喷油器电磁阎的工作性质和环境特点,研制开发了具有多种参数调节、可实现最佳电磁阀驱动波形的驱动器,提出了适用于汽车发动机环境条件下的电磁阀驱动器智能控制方案,提高了驱动器的稳定性和适应性;提出了升压放电配合功率吸收提高电磁能充放速度的技术方法,解决了高速电磁阀开关过程中电磁能快速加载和卸载的技术问题,使驱动器在有效提高电磁阀开关速度的同时,不降低自身的效率。
(3为能准确得到电磁阀的定量参数,以及为电磁阀的设计和控制提供依据和参数评定,研制了电磁阀静态特性测试系统。
介绍了系统的结构、原理及数据采集方案,提出了在输出电流大范围调整时保证脉冲电流发生器电流输出精度的技术方法。
电磁阀驱动电路设计
电磁阀驱动电路设计电磁阀驱动电路设计是一个复杂的过程，需要综合考虑多个因素。
以下是关于电磁阀驱动电路设计的详细介绍：一、设计前的准备在开始设计电磁阀驱动电路之前，需要明确电磁阀的参数，如驱动电压、驱动电流和电磁铁阻抗等。
这些参数将决定驱动电路的设计规格。
同时，了解电磁阀的工作原理也是非常重要的，以便更好地设计与之匹配的驱动电路。
二、电路原理图设计电路原理图是整个驱动电路设计的基础。
在设计电路原理图时，需要考虑以下几个方面：1.电源电路：根据电磁阀的驱动电压要求，设计合适的电源电路，确保电源的稳定性和可靠性。
2.开关元件选择：根据电磁阀的驱动电流和电磁铁阻抗等参数，选择合适的开关元件，如晶体管、继电器或场效应管等。
这些开关元件将用于控制电磁阀的通断。
3.保护电路设计：为了保护电磁阀和驱动电路，需要设计相应的保护电路，如过流保护、过压保护和欠压保护等。
4.信号处理电路：根据需要，可以设计信号处理电路，如放大电路、滤波电路和比较电路等，以实现对电磁阀的精确控制。
三、PCB布局设计在完成电路原理图设计后，需要进行PCB布局设计。
在布局设计时，需要考虑以下几个方面：1.元件布局：根据电路原理图和元件封装，合理安排元件在PCB板上的位置，确保电路的稳定性和可靠性。
2.布线设计：根据电路原理图和信号流向，合理规划布线路径和宽度，确保信号的传输质量和稳定性。
3.接地设计：合理设计接地网络，确保电路的稳定性和抗干扰能力。
4.散热设计：对于大功率元件，需要考虑散热问题，合理布置散热片和风扇等散热元件。
四、测试与调试在完成PCB布局设计和制板后，需要进行测试和调试。
测试和调试的目的是验证驱动电路的功能和性能是否符合设计要求。
在测试和调试过程中，需要注意以下几个方面：1.电源测试：测试电源电路的稳定性和可靠性，确保电源符合设计要求。
2.开关元件测试：测试开关元件的通断功能和性能指标，确保其符合设计要求。
3.保护功能测试：测试保护电路的功能是否正常工作，确保在异常情况下能够及时切断电源或发出报警信号。
高速开关电磁阀的模型分析及控制方法研究
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电气应用 ! " " #年第! $卷第% %期
/ 较小，开关阀不能完全开启。这种情况对阀体 本身没有什么损害，也不存在深度饱和，功耗增
大，温升等问题。
! 控制方法
! " # $ %& 与闭环反馈控制 脉冲宽度调制 （ ，是在控制系统中经常 " #$） 用到的信号调制方法，原理简单，技术成熟，在此 不再赘述。 当调压阀出口压力值 （ 由出口传感器测得）与 给定压力值不相等时，单片机用输出压力值与给定 压力值的偏差驱动进、排气电磁阀，实现对先导腔 压力的调节，直到偏差为零，进、排气电磁阀均关 闭，主阀芯在新的位置上达到平衡，从而得到一个 与输入信号成比例的输出压力。按偏差信号进行控 制的方法，就是闭环反馈控制。" #$ 与闭环反馈 ］ ’ 控制结合，在气动伺服系统中应用得比较广泛［ 。 ! " ’ 二次调制 高速开关阀是感性组件，其开启、关闭动作相 对于控制信号有一定的滞后，其滞后时间主要由驱 动能量和驱动方式决定。阀上电后，电磁部分产生 电磁力，衔铁在电磁力的作用下上下运动，公式为
IRF540驱动电磁阀电路分析
IRF540 MOS管应用VDSS=100V RDS<0.077 ID=22AVGS(th)=4VVGS=10. RDS接近0.007 ID=11A负载电流小的情况下可以5V驱动IRF540，IN4007 MOS管内部等效，100/10W（可用2W）功率电阻，电磁阀驱动电路原理图ABS压力调节器的4个常开进油电磁阀的最大起动电流约为3.6 A;4个常闭出油电磁阀最大起动电流约为2.4 A。
而L9349的工作电压4.5～32 V，两路通道内阻0.2Ω，最大负载电流3A；另两路内阻0.3Ω，最大负载电流5A，恰好能满足ABS常开和常闭电磁阀的驱动电流要求，而且较低的导通内阻又能保证低功耗，因此L9349非常适合进行ABS电磁阀的驱动控制。
电磁阀驱动电路原理图见图。
电磁阀驱动电路原理图在图中，每片L9349能驱动4个电磁阀工作，属于典型的低端驱动。
通过Vs端口给芯片提供12V供电电压；当给输入端IN1～IN4 PWM控制信号，就能方便地控制输出端以驱动4路电磁阀工作，OUT1和OUT2端口的最大驱动能力为5A，应该连接ABS的常闭电磁阀；OUT3和OUT4端口最大驱动能力为3A，应连接ABS常开电磁阀，不可接反；EN 端口为使能端，能通过MCU快速关闭芯片；L9349的数字地和模拟地分开，提高了驱动模块的抗干扰能力。
24V电磁阀驱动电路8推荐说明：驱动24V直流电磁阀的驱动电路：，此电路已经在实际应用中，稳定，可靠。
此电路虽然在现场已经稳定运行很久，但有不合理的地方，不知道大家有没有发现。
---2007-07-24此电路驱动24V的电磁阀，电流只能在2A左右，不能太大，因为 Vgs 只有5V，IRF540没有达到完全的导通状态，如果要增大电流得重新设计驱动电路，使Vgs在10V左右才能充分发挥IRF540的驱动能力。
这么久了都没人提出这问题，还是出来补充下，以免大家误解 ---2007-09-07欢迎大家交流探讨！-------------------------------- 最新更新 2008.04.16 -----------------------------------重新设计了驱动电路，已经在实际电路可靠工作，供参考！（如果浏览器不能看到全图，请把图片保存到你的电脑即可）posted @ 2007-1-18 9:24:00 AVR猎手阅读全文(8305) | 回复(35) |反映问题 | 引用通告(0) | 编辑∙标签：单片机电磁阀驱动电路∙上一篇：24V继电器的驱动电路∙下一篇：★卷布机（布料、薄膜等）光电对边控制器纠偏控制器（纠偏器_对边器）★2007-7-30 15:12:00Re:24V电磁阀驱动电路图不全，后面的看不清楚，大哥能不能把全图给小妹看看啊！谢谢！！！！！以下为blog主人的回复：点右键，图片另存为，放到你的电脑上就看清楚，看不清楚后面的是因为你电脑的尺寸的问题。
航空高速电磁阀驱动器的设计_周飞
2015 年第 23/24 期·航空制造技术 107
RESEARCH 学术论文
合表贴电源产品中应用混合厚膜技术，实现局部或部分 电路功能，促进产品小型化。
2 生产组织模式变革
2.1 体制变革 借助咨询公司的专业力量，协助实施二次电源事业
部改制，促进研制生产模式变革，优化设计开发流程，着 力解决现阶段发展模式与发展速度不匹配的矛盾。
Vcc
U1
U5
D1
RB1
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T2
D2 U2
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PWM 单片机驱动 RW1 C1
U3
T1
Vcc U7 Vcc
U4 U8
U6 RW2
RW3
R2 Vcc
图3 PWM脉冲驱动及成形原理图 Fig.3 Principle diagram of PWM pulse drive and forming
（下转第 119 页）
2 控制器硬件电路设计
2.1 控制器系统方框图 根 据 设 计 技 术 要 求，控 制 器 可 输 出 脉 宽 可 调 的
PWM 驱动信号，占空比可手动设置或由输入的电压信 号控制。这些功能由单片机较容易实现。驱动波形由 硬件开关电路设计实现 [1]，系统方框图如图 2 所示。 2.2 单片机系统
106 航空制造技术·2015 年第 23/24 期
3 结束语
通过开展星用二次电源产业化转型研究与实践，完 善型谱规划、制定部组件及元器件选用目录、强化模块 化及通用化设计，为提升产品成熟度及开展组批生产创 造必要条件。
统一试验条件，实现不同型号、不同规格的产品组 批试验，试验能力提升约 16% 以上，在提升产能的同时 节约成本。实施事业部改制，激发组织及队伍活力，推 进能力建设，年度生产能力完全满足型号配套需求。加 强技术创新和国内外技术合作交流，提升核心竞争力， 拓展应用领域，引领国内宇航二次电源技术发展；构建 产业链战略联盟伙伴，提升批量生产能力及成本控献力量。
高速开关电磁阀的研究及测试
文章编号:1000-0925(2004)01-038-05250010高速开关电磁阀的研究及测试刘兴华,李广荣(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京,100081)R esearch and T est of High Speed Switch Electromag netic V alveL IU Xing 2hu a ,L I G u ang 2rong(School of mechanical and Vehicle Engineering ,Beijing Inst.of Technology ,Beijing 100081,China )Abstract :The high 2speed switch electromagnetic valve is a key equipment in the electromagnetic control sys 2tem ,whose performance will influence the whole electromagnetic control system greatly.In this paper ,a new kind of high 2speed swicth electromagnetic valve with two loops is designed and tested.Some advise in the design of elec 2tromagnetic valve are given and its application to the control system is introduced.摘要:高速开关电磁阀在电磁控制系统中是一种结构简单、易于实现计算机控制的关键控制元件,它的性能指标对整个电液系统有很大的影响。
本文设计了一种新型的双线圈结构的高速开关阀,并对其性能进行了测试和研究,给出电磁阀设计过程中需注意的几点建议,最后,给出了电磁阀在电控系统中的应用方法。
高速开关电磁阀的性能分析及优化研究
高速开关电磁阀的性能分析及优化研究张廷羽张国贤(上海大学机电工程与自动化学院上海 200072)摘要：本文建立了高速电磁阀的电、磁、机、液模型，并利用ANSYS、AMESim软件，将上述模型联系起来求解，在此基础上，对影响电磁阀流量和响应时间等性能的各个因素，进行了定性的分析，提出了进一步改进和优化高速电磁阀的方案。
关键词：电磁阀 ANSYS AMESim 仿真Abstract: In this paper, a mathematical model for solenoid is built, including the magnetic model、current model、mechanical model and hydraulic model. With ANSYS、AMESim software, the model is calculated and the factors which effect the performance of solenoid are analyzed. Keyword : solenoid ANSYS AMESim simulation1、概述高速开关电磁阀是很多控制系统的关键执行元件，例如在汽车制动防抱死系统（ABS）、电控柴油喷射系统、无凸轮电控液压驱动气门系统上都需要具有大流量、快速响应的开关电磁阀。
它通过接受电子控制单元的控制信号实现快速的启闭，额定流量和动作时间是衡量电磁阀的重要指标，其直接影响系统的稳定性和可控性，电磁阀的额定流量越大，响应时间越快，系统的控制精度和稳定性越好。
目前，具有大流量、高响应的电磁阀只在少数发达国家生产制造，早在20世纪70年代末，英国Lucas公司就研制了Colenoid电磁阀，开启时间为0.75ms，关闭时间为0.8ms，被用于该公司的电控单体泵中，且由于其行程长（最大可达20mm），可达到很高流量；日本Zexel公司的DISOLE电磁阀，当最大行程为0.4mm时，其响应时间为0.74ms，被用于该公司研制的Model-1型电控分配泵中。
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2005136高速电磁阀驱动电路设计及试验分析宋 军,李书泽,李孝禄,乔信起,黄 震(上海交通大学内燃机研究所,上海 200030) [摘要] 分析了3种电磁阀驱动方式的特点,并基于HEU I 喷油器对PWM 控制方式进行了试验和分析。
试验表明,提高线圈电压有助于实现电磁阀快速开启,开启脉冲和PWM 占空比决定了不同阶段电流的大小,三者的有机调节,可以实现理想的电流波形。
试验结果为整机的柔性控制提供了可靠依据。
关键词:高速电磁阀,驱动电路,喷油器,PWMDesign and Experimental Analysis of Drive Circuit forHigh 2speed Solenoid ValveSong Jun ,Li Shuze ,Li Xiaolu ,Q iao Xinqi &H uang ZhenInstit ute of Internal Combustion Engi ne ,S hanghai Jiaotong U niversity ,S hanghai 200030 [Abstract] The features of three types of drive circuits are presented and a PWM drive circuit for HEU I injector is designed ,tested and analyzed.The result indicates that increasing the voltage exerted on the winding is conducive to quick response of solenoid ,and the opening pulse and PWM pulse duty factor determine the mag 2nitude of current in different phases.This provides a reliable foundation for flexible control of the engine.K eyw ords :High 2speed solenoid valve ,Drive circuit ,Injector ,PWM 原稿收到日期为2004年8月17日,修改稿收到日期为2004年11月15日。
1 前言电控共轨式燃油喷射系统能通过高速电磁阀实现对喷油量、喷油正时和喷油速率的精确控制,是最有发展前途的燃油喷射系统。
在共轨系统中,为了实现电磁阀快速准确地开启与关闭,除了电磁阀本身精密的制作工艺外,还需要设计一个高效的驱动电路。
2 高速电磁阀的驱动特性高速电磁阀是发动机电控喷射系统中的一个关键部件,微处理器ECU 通过控制它的吸合和释放来控制喷油时刻及喷油持续时间,以满足不同工况下的喷射要求,电磁阀的动态响应特性直接影响着整个系统的主要性能指标。
由于共轨式燃油喷射系统每次喷射的时间很短,电磁铁必须能在很短的时间内产生很强的吸力来克服复位弹簧的拉力,电磁阀的快速响应特性为实现最小喷油量和预喷射提供了系统硬件保证。
由公式F =K (IW )2S /δ2×9.8×10-8(F 为电磁吸引力;K 为常数;I 为线圈电流;W 为线圈匝数;S 为铁芯截面积;δ为气隙大小)可知[1],电磁吸力与电磁阀线圈中的电流的平方成正比,要使电磁铁产生足够的吸力必须加大线圈中的电流。
而要使线圈电流在短时间内迅速增大,就要求d i/d t 为一个较大的数值。
因为电磁线圈在电路形式上为一个几欧的电阻R 和一个几毫亨的电感L 的串连,当施加外电压U 时,线圈中的电流变化规律满足电压平衡方程U =i R +L d i/d t 。
在电磁阀结构参数一定的情况下,尽可能提高驱动能量输入,即增大外加电压U 值,可以得到较高的d i/d t ,实现电磁阀的快速开启。
但大电流通过线圈必然会造成发热现象,为了避免电磁阀线圈过热,当阀门开启后应迅速将线圈电流下降到一个较小的数值。
因为在电磁铁2005年(第27卷)第5期 汽 车 工 程Automotive Engineering 2005(Vol.27)No.5磁力克服复位弹簧拉力之后,只需要较小的吸力就图1 电磁阀线圈中理想电流波形可以维持阀门开启状态,这样既减小功耗,还便于及时关闭电磁阀,实现快速停油,此时的电流称为维持电流。
电磁阀线圈电流在整个工作过程中的理想曲线如图1所示[2]。
这种先高后低的电流波形,可以大幅度降低线圈的功率损耗,保证了整个喷油系统长期可靠运行。
以HEU I (hydraulic electronic unit injection )喷油器为例,它的电磁阀线圈阻值为3Ω,电感量为2mH 。
由于电感是不消耗功率的,因此可以根据电流波形和线圈负载电阻计算出最高转速时各缸电磁阀消耗的总平均功率[3]P L =(I P2)2R ×2T P +I 2S R T ST D=(62)2×3×2×1+22×3×12=60(W )式中I P 为电磁阀线圈的峰值电流;R 为电磁阀线圈的铜阻;T P 为达到最大峰值的持续时间;I S 为电磁阀开启后维持电流的大小;T S 为维持电流持续时间;T D 为喷油循环工作周期。
由公式分析可知,电磁阀开启阶段消耗的功率占较大比例,若使用单一大电流,线圈功耗将达108W ,而分段工作方式节省功率接近50%,并且随着电流维持阶段所占比例的增大,会产生更少的功率损耗。
3 电磁阀驱动电路的几种形式在共轨式电控燃油喷射系统中,为了实现电磁阀控制的理想波形,一般采用3种驱动方案。
这3种方案按照产生线圈电流的方式不同,可分为可调电阻式驱动电路、双电压式驱动电路和脉宽调制式(PWM ,pulse width modulation )驱动电路[4],其基本结构如图2所示。
3.1 可调电阻式驱动电路该电路设计思路简单,易于实现。
这种驱动方式是通过改变不同阶段电路回路中的电阻值,来实现对电流波形的控制。
当窄脉冲到来时,功率管A 1图2 电磁阀驱动电路导通,电压直接作用在线圈上;窄脉冲结束后,电压作用在线圈与分压电阻的串连回路上,使流过线圈的电流减小。
维持电流可通过改变电阻值的大小进行调节。
但是,此电路在电流维持阶段的功率,很大一部分消耗在分压电阻上,造成了功率的无效损耗,而且受到电阻额定功率和尺寸的限制,在电路板上布置不便,不符合高集成度的要求。
3.2 双电压式驱动电路控制电路通过改变工作过程不同阶段的工作电压幅值,达到提供较小维持电流,减小能量消耗的目的。
因为要提供2种不同的电压,所以受到电源形式的限制,需要进行DC 2DC 变换,实现起来比较困难,增加了整个电路的复杂性。
而且电路易受到电源波动的影响,工作的可靠性很难得到保证。
3.3 脉宽调制式驱动电路在该电路中,可以利用PWM 硬件电路或者充分发挥微处理器的PWM 功能,对电路进行控制。
图3对PWM 控制原理进行了说明,图3(a )中的u 为控制基准信号,将该信号与一高频三角波信号进行比较,如果在某时刻u 的值大于三角波的值,则输出高脉冲,否则输出低脉冲,从而得到如图3(b )所示的一系列控制指令。
将这一系列指令(电压)施・745・2005年(第27卷)第5期 汽 车 工 程图3 PWM 控制原理加到电磁阀线圈上,于是在每一个循环时间T c 内,有T on 的时间线圈上得到电压。
由于PWM 脉冲周期远远小于线圈的充放电时间,T on 时间越长,线圈的平均电流也就越大,如图3(c )所示。
时间T on 与T c 之比称为占空比。
电磁阀线圈的维持电流便可以通过控制高频PWM 脉冲波的占空比方便地进行调节。
如果与电流负反馈功能结合起来,可以减小电源电压波动对电磁阀工作特性造成的影响。
与前两种驱动方式相比,它的技术含量高,可以达到很高的控制精度,是一种可以满足柔性控制要求的理想驱动方式。
4 PWM 驱动方式试验研究利用HEU I 喷油器,对电磁阀PWM 驱动方式中影响电流波形的各个因素进行了试验和分析。
4.1 HEUI 喷油器结构HEU I 喷油器是美国Caterpillar 公司推出的用于其共轨系统的核心部件,通过电磁阀来实现喷油控制。
不同于其它的共轨系统,HEU I 喷油系统的油压控制回路和燃油喷射回路完全隔离,其共轨中为高黏度的机油,而喷射的燃油为柴油。
使用机油不仅有助于系统的润滑,而且可以实现良好的冷启动特性。
另外,该系统高压的产生是通过喷油器中图4 HEU I 喷油器结构的增压活塞实现的,共轨中的油压只有4～23MPa ,属于中压共轨系统,这样可以降低整个系统的高压负担。
HEU I 喷油器的具体结构如图4所示。
当喷油脉冲到来时,高速电磁阀打开,提升阀抬起,关闭了回油通道,机油由共轨进入增压活塞上腔,从而使活塞克服弹簧力下行,这时燃油通道关闭,活塞下方燃油开始升压,一旦其压力大于针阀弹簧开启压力,喷油开始;喷油脉冲结束时,提升阀回位,增压活塞回升,机油通过回油通道卸压,针阀关闭。
由于增压活塞上下面积比为7∶1,故实际喷射压力可达28～161MPa ,保证了燃油的良好雾化。
另外,增压活塞下降过程中,精密计量的预喷射泄流孔接通,在主喷射之前会进行预喷射,可以优化燃烧过程[5]。
4.2 PWM 驱动电路设计如图5所示,设计中采用硬件电路实现PWM 功能,完成对HEU I 喷油器的驱动控制,这样可以减轻微处理器ECU 的软件负担,ECU 只需要发出控制喷油时间长短的方波即可。
PWM 驱动控制单元主要由延时电路、PWM 波形产生电路和功率驱动电路3部分组成。
延时电路为一单稳触发器,由ECU 发出的方波触发产生一窄脉冲,形成电磁阀打开初期的开启脉冲。
开启脉冲的大小可以通过RC充放电回路在200μs ～5ms 之间进行调节。
PWM 波形产生电路的振荡源形成高频三角波,这一三角波作为控制电路的比较基准,同外部设置的控制信号相比较,产生一系列宽度可变的高频脉冲列。
电磁阀经开启脉冲打开以后,驱动电路立即转为PWM 运转方式,线圈上的电流也随之降低,这时的电流为维持电流,其大小可通过PWM 占空比调节电路进行控制。
电磁阀上施加的是大电压大电流,必须通过驱动电路进行功率放大,D 、R 2构成电感电流泄放回路,C 、R 3构成功率MOS 管的保护电路,同时为了便于观察线圈中的电流波形,使用了一个小阻值的纯阻性负载进行电流采样。
图5 HEU I 电磁阀驱动电路4.3 驱动电路试验分析4.3.1 线圈电压对电流波形的影响对线圈施加不同的电压,可以看出电压对电磁阀快速响应特性的影响。