高频电磁阀单电源驱动电路设计

0引言

高频电磁阀适用于液态介质或气态介质管路传输流量的柔性控制,电磁阀的开关频率越高,介质传输流量控制越平滑、越稳定。70 Mpa储氢系统安全应 用的关键环节就是对高频瓶口电磁阀的精确控制。现阶段驱动电磁阀广泛使用单电源,基于peak—Hold 模式^[1—2],采用pWM(pulsewidthmodulation)大占空比调制电磁阀peak电流短时间强激电磁阀启动,电磁阀启动后,小占空比调制Hold电流长时间维持电磁阀的启动状态。典型的意大利OMB生产的 OTV—70 Mpa高频电磁阀采用peak—Hold模式驱动, peak电流为3.2 A/800~3 000 ms,Hold电流为1.1 A。 但单电源驱动方案中电磁阀动态响应特性较差,为优化电磁阀的开启响应速度,可采用双电源驱动高频电磁阀,在开启阶段,控制高边开关管导通,采用高压电源对电磁阀线圈施加高电压强激启动^[3],在维持阶段,控制高边开关管导通,采用低压电源对电磁阀线圈施加低电压维持电磁阀启动状态^[4—5]。但该方案系统结构复杂,需要一个高压电源及一个低压电源。为优化电磁阀的动态响应特性,本文基于单电源设计高频电磁阀驱动电路,通过将电磁阀的释放电能回收再利用,利用低压电源实现高压电源驱动效果,并同步实现节能。

1 拓扑结构

高频电磁阀的驱动结构为导线线圈缠绕磁芯组成,其驱动线圈可以等效为电阻R和电感L串联。高频电磁阀单电源驱动电路拓扑如图1所示,高频电磁阀单电源驱动电路由直流电源、电磁阀、两个开关管(Q1和Q2)及三个钳位二极管(VD1、VD2、VD3)构成。通过控制两个开关管(Q1和Q2)的通断,形成不同工作模态。

高频电磁阀单电源驱动电路的电压及电流波形 理论分析如图2所示,其中,开关管Q1和开关管Q2 的触发脉冲一致,流过的电流相同。

通过控制两个开关管(Q1和Q2)的通断,为高频电磁阀建立高压驱动回路、能量回收回路及续流回路。当两个开关管(Q1和Q2)同时关断时,建立电磁阀能量回收回路,将电磁阀的释放电能存储在电容中;当两个开关管(Q1和Q2)同时开启时,建立电磁阀高压驱动回路,电容与直流电源串联,共同驱动电磁阀。钳位二极管VD1将电容电压钳位至直流电源电压,防止电容电压过充,并通过钳位二极管VD1为高频电磁阀提供续流回路。

2工作模态研究

高频电磁阀单电源驱动电路具有三种工作模态,分别是:高压驱动模态、能量回收模态、续流模态。在一个驱动周期内,三种工作模态交替运行。

2.1 高压驱动模态

如图2所示,在0—t1时刻,高频电磁阀单电源驱动电路处于高压驱动模态,电路运行模态如图3所示,此时脉冲触发开关管Q1和开关管Q2 同时导通,开关管Q1、开关管Q2、电容C1、高频电磁阀及直流电源构成电气回路,电容和直流电源串联共同为高频电磁阀提供驱动电能,电容电压逐渐下降,高频电磁阀线圈电流快速上升,高频电磁阀线圈存储电能。高频电磁阀线圈电压U_OTV为:

U_OTV=U_i+U_C  (1)

式中:U_i为直流电源电压;U_C为电容两端电压。

2.2 能量回收模态

如图2所示,在t1—t2时刻,高频电磁阀单电源驱动电路处于能量回收模态,电路运行模态如图4所示,此时开关管Q1和开关管Q2均关断,迫使钳位二极管VD2、电容C1、钳位二极管VD3、直流电源及高频电磁阀构成电气回路,直流电源和高频电磁阀共同释放电能为电容充能,高频电磁阀线圈电流逐渐下降,电容电压逐渐上升至直流电源电压。高频电磁阀线圈电压U_OTV为:

U_i=U_OTV+U_C  (2)

2.3续流模态

如图2所示,在t2—t3时刻,高频电磁阀单电源驱动电路处于续流模态,电路运行模态如图5所示,此时开关管Q1和开关管Q2均关断,高频电磁阀线圈电流继续逐渐下降。在能量回收模态,电容电压逐渐上升至直流电源电压,由于钳位二极管VD1 的钳位作用,电容电压被钳位至直流电源电压,停止为电容继续充电,钳位二极管VD1为高频电磁阀线圈提供续流回路。钳位二极管VD2、钳位二极管VD1及高频电磁阀共同构成电气回路。

3 实验研究

为验证理论的正确性及方法的可行性，在Matlab/Simulink中搭建模型进行仿真实验研究。直流电源电压为24 V,高频电磁阀等效电阻为5 Ω,等效电感为3mH。采用peak—Hold模式驱动高频电磁阀,仿真波形如图6~11所示,图中模态1为高压驱动模态,模态2为能量回收模态,模态3为续流模态。高压驱动模态时高频电磁阀的初始驱动电压为48 V,是直流电源电压的2倍。钳位二极管VD1将电容电压钳位至24V。图12为高频电磁阀在0~0.1S时间内的线圈电流波形图,与传统驱动电路相比,本设计可以利用单一低压电源实现高压电源的驱动效果,并同步实现节能。

4 结论

本设计通过优化控制两个开关管(Q1和Q2)的通断,为高频电磁阀建立高压驱动回路及能量回收回路,做到了采用低压电源实现高压电源的驱动效果。当两个开关管(Q1和Q2)同时关断时,建立电磁阀能量回收回路,将电磁阀的释放电能存储在电容中;当两个开关管(Q1和Q2)同时开启时,建立电磁阀高压驱动回路,电容与直流电源串联,共同驱动电磁阀。实验证明了理论的正确性及方法的可行性。

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2024年第12期第3篇