CN101231905B - 一种用于驱动电磁执行器的无级可调大电流发生电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于驱动电磁执行器的无级可调大电流发生电路，包括处理器、数字模拟转换器、电压比较器、隔离型功率管驱动器、隔离运算放大器、电流采样模块和绝缘栅双极晶体管，处理器与数字模拟转换器相连，数字模拟转换器与电压比较器相连，电压比较器与隔离型功率管驱动器相连，隔离型功率管驱动器与绝缘栅双极晶体管相连，隔离运算放大器与电压比较器相连，电流采样模块与隔离运算放大器相连，电流采样模块用于与电磁执行器的正向输入端相连，绝缘栅双极晶体管的集电极输入端用于与电磁执行器的反向输入端相连。本发明的有益效果在于：电路可靠性高，避免了生产事故的发生；可以方便地对驱动电流值进行设定，并能实现无级可调，精确可靠。

Description

一种用于驱动电磁执行器的无级可调大电流发生电路

技术领域

本发明涉及一种抗干扰能力强、可靠性好的0～5A无级可调大电流发生电路，尤其适用于驱动电磁执行器。

背景技术

电磁执行器因具有结构简单，体积小，控制方便，响应速度快，稳定精度好等优点，被广泛应用于工业生产中。

电磁执行器的构造是一个闭磁路的机电部件。当执行器内部的激磁线圈通过电流时，在闭环磁路中(锥型定子铁芯→外壳定子铁芯→空气缝隙→运动衔铁→工作空气缝隙→锥型定子铁芯)将产生磁通量并产生电磁力。由于电磁力的作用，将拉动运动衔铁延轴上的回位弹簧受压产生反作用力，电磁力与弹簧力作用方向相反，大小相等，其平衡点就是执行器输出轴的位移。激磁线圈通过的电流大，产生的磁力就大，执行器输出的相对位移就大；反之产生的磁力就比较小，执行器输出轴的相对位移就小。由此可以看出，要控制执行器输出轴的位移，就需控制激磁线圈中电流的大小。因此，在电磁执行器的应用过程中，其后续驱动电路，即控制电流产生电路的设计就显得十分重要。

传统的电流型驱动电路主要有线性方式和PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)方式：线性方式电流型驱动电路使用线性器件将电压转换为电流，但其产生的电流通常较小，难以应用于驱动电磁执行器等场合；PWM方式通过控制功率MOS管(Metal-Oxide-Semiconductor type FET，金属-氧化物-半导体场效应管)的开关时间与频率，即使用直流斩波和滤波稳流的原理方法来产生和输出所需的大电流。由于MOS管损耗功率小、效率高，而脉宽调制电路又较简单，故PWM方式广泛应用于工业上各种功率驱动电路之中。

目前人们通常使用嵌入式处理器的I/O(输入/输出)端口引脚控制MOS管的开关时间与频率，即通过改变MOS管导通脉冲脉宽和频率来获得电磁执行器所需的较大驱动电流。然而，在这种情况下，如果嵌入式处理器发生程序“跑飞”故障，则MOS管的状态则将变为开而不关、或关而不开，从而使电流突然降低为0或者增大到满幅值、电磁执行器突然关断或旋转至最大角度，这时极易造成生产事故。因此，能大大提高嵌入式系统PWM方式中电磁执行器驱动电路可靠性的设计具有很好的工程实用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就在于提供一种具有高可靠性和高抗干扰能力的用于驱动电磁执行器的无级可调大电流发生电路。

本发明采用如下技术方案：

一种用于驱动电磁执行器的无级可调大电流发生电路，包括处理器、数字模拟转换器、电压比较器、隔离型功率管驱动器、隔离运算放大器、电流采样模块和绝缘栅双极晶体管，处理器的从机选择信号输出端与数字模拟转换器的电压触发控制输入端相连，处理器的串行时钟输出端与数字模拟转换器的串行时钟输入端相连，处理器的串行数据输出端与数字模拟转换器的串行数据输入端相连，数字模拟转换器的模拟电压输出端与电压比较器的正向电压输入端相连，电压比较器的比较电压输出端与隔离型功率管驱动器的驱动信号输入端相连，隔离型功率管驱动器的驱动信号输出端与绝缘栅双极晶体管的门极输入端相连，隔离运算放大器的模拟电压输出端与电压比较器的反向电压输入端相连，电流采样模块的模拟电压输出端与隔离运算放大器的模拟电压输入端相连，电流采样模块的驱动电流输出端用于与电磁执行器的正向输入端相连，绝缘栅双极晶体管的集电极输入端用于与电磁执行器的反向输入端相连。

其中，所述电流采样模块包括采样电阻、信号调理模块和电源模块，电源模块的输出端与采样电阻的一端口相连，该端口与信号调理模块的信号正向输入端相连，采样电阻的另一端口作为所述驱动电流输出端，该另一端口与信号调理模块的信号反向输入端相连，该另一端口还用于和电磁执行器的正向输入端相连。

本发明充分结合了线性方式和PWM方式这两种传统电流型驱动电路的设计思想，大大提高嵌入式系统中电磁执行器驱动电路的可靠性。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.在电流输出环路借鉴了脉宽调制方式的设计思想，使用直流斩波原理，通过控制功率开关管的开关时间与频率，来产生和输出所需的大电流；同时，采用了线性方式驱动电路的设计思想，将电压转换为电流，通过数字模拟转换器输出的电压来控制输出电流的大小，选择接口简单，且带有数据锁存功能的串行数字模拟转换器，这样，在处理器发生故障时，一方面，由于处理器不能完成复杂的串行通信协议，数字模拟转换器的工作状况不会受到影响，另一方面由于带有数据锁存功能，数字模拟转换器不会停止工作，而是输出上一次处理器告知的电压值，这样，电磁执行器在处理器发生故障时，保持了上一个工作状态，工作状态不会发生突变，电路可靠性高，避免了生产事故的发生。

2；通过电压比较器，建立输入电压与驱动电流的线性关系，数字模拟转换器的模拟电压输出端与电压比较器的正向电压输入端相连，信号调理模块将采样电阻上的电压信号放大，经隔离运算放大器后送入电压比较器的反向输入端，当输出电流值稳定时，电压比较器的正向输入端和反向输入端的电压值相等，即数字模拟转换器输出的电压值与采样电阻上的信号经放大后产生的电压值相等。据此条件，可以方便地对驱动电流值进行设定，并能实现无级可调，设定精确可靠。

3.使用隔离型器件实现了电流输出回路与控制回路的电气隔离，进一步提高了电路的可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。

图1是本发明的电路框图；

图2是图1中电流采样模块的电路框图及其对外连接关系示意图；

图3是本发明的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于驱动电磁执行器的无级可调大电流发生电路，包括处理器1、数字模拟转换器2、电压比较器3、隔离型功率管驱动器4、隔离运算放大器5、电流采样模块6和绝缘栅双极晶体管7，处理器1的从机选择信号输出端11与数字模拟转换器2的电压触发控制输入端21相连，处理器1的串行时钟输出端12与数字模拟转换器2的串行时钟输入端22相连，处理器1的串行数据输出端13与数字模拟转换器2的串行数据输入端23相连，数字模拟转换器2的模拟电压输出端24与电压比较器3的正向电压输入端32相连，电压比较器3的比较电压输出端33与隔离型功率管驱动器4的驱动信号输入端41相连，隔离型功率管驱动器4的驱动信号输出端42与绝缘栅双极晶体管7的门极输入端71相连，隔离运算放大器5的模拟电压输出端51与电压比较器3的反向电压输入端31相连，电流采样模块6的模拟电压输出端601与隔离运算放大器5的模拟电压输入端52相连，电流采样模块6的驱动电流输出端602与电磁执行器8的正向输入端81相连，绝缘栅双极晶体管7的集电极输入端72与电磁执行器8的反向输入端82相连。

如图2所示，电流采样模块6包括采样电阻61、信号调理模块62和电源模块63，电源模块63的输出端631与采样电阻61的一端口611相连，端口611与信号调理模块62的信号正向输入端621相连，采样电阻61的另一端口602作为驱动电流输出端602，端口602分别与信号调理模块62的信号反向输入端622和电磁执行器8的正向输入端81相连。

如图3所示为本发明的电路原理图，其中，处理器1采用PhilipsSemiconductors公司生产的LPC2132；数字模拟转换器2采用Analog Devices公司生产的AD5620，AD5620为一种轨到轨输出、单电源供电、串行输入的12位数字模拟转换器，它内置幅值为2.5V的高精度电压基准源，建立时间典型值为10微秒；电压比较器3采用Texas Instruments公司生产的LM339，LM339为一种可单电源供电的电压比较器，其输出级为集电极开漏形式，可兼容TTL和CMOS电平；隔离型功率管驱动器4采用Agilent公司生产的HCPL-3150；隔离运算放大器5的型号为ISO122，其引脚Vin表示模拟电压输入端52，其引脚Vout表示模拟电压输出端51；绝缘栅双极晶体管7采用Infineon公司生产的SGB15N60HS，SGB15N60HS为一种高速绝缘栅双极晶体管，发射极最大通过电流为15A。采样电阻61选用阻值为0.025欧姆、功率为4W的水泥电阻R1；信号调理模块62包括两级运算放大器，运算放大器采用Texas Instruments公司生产的OP07；电源模块63(图中的VCC)的电压幅值为24V，功率大于150W；电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R12需选用精度等级高，温度参数优良的电阻，电阻的阻值参阅图3；插座J1用于连接电磁执行器，工作时，电磁执行器的正向输入端与插座J1的2脚连接，电磁执行器的反向输入端与插座J1的1脚连接。

工作时，电流流经采样电阻61，信号调理模块62将采样电阻61上的电压信号放大40倍，经隔离运算放大器5后送入电压比较器3的反向输入端。当电流值稳定时，电压比较器3的正向输入端和反向输入端的电压值相等，即数字模拟转换器2输出的电压值与采样电阻61上的信号经放大后产生的电压值相等。设数字模拟转换器2输出的电压值为U，单位为伏，电路产生的驱动电流值为I，单位为安培，则

0.025×40×I＝U

即：I＝U

AD5620为12位AD，满输出值为5V，当输出0V时，电路产生的驱动电流为0A，当输出5V时，电路产生的驱动电流为5A，即输入到AD5620中的12位串行数据，每增加1，电路中产生的电流增加0.25mA。若需产生的电流值为Iout，单位为安培，则处理器1输入数字模拟转换器2的串行数据D为

$D=\frac{I_{\mathrm{out}}}{0.00025},$

由此，可通过设定串行数据D的值来精确设定驱动电流的大小。

Claims (2)

1.一种用于驱动电磁执行器的无级可调大电流发生电路，其特征在于包括处理器(1)、数字模拟转换器(2)、电压比较器(3)、隔离型功率管驱动器(4)、隔离运算放大器(5)、电流采样模块(6)和绝缘栅双极晶体管(7)，处理器(1)的从机选择信号输出端(11)与数字模拟转换器(2)的电压触发控制输入端(21)相连，处理器(1)的串行时钟输出端(12)与数字模拟转换器(2)的串行时钟输入端(22)相连，处理器(1)的串行数据输出端(13)与数字模拟转换器(2)的串行数据输入端(23)相连，数字模拟转换器(2)的模拟电压输出端(24)与电压比较器(3)的正向电压输入端(32)相连，电压比较器(3)的比较电压输出端(33)与隔离型功率管驱动器(4)的驱动信号输入端(41)相连，隔离型功率管驱动器(4)的驱动信号输出端(42)与绝缘栅双极晶体管(7)的门极输入端(71)相连，隔离运算放大器(5)的模拟电压输出端(51)与电压比较器(3)的反向电压输入端(31)相连，电流采样模块(6)的模拟电压输出端(601)与隔离运算放大器(5)的模拟电压输入端(52)相连，电流采样模块(6)的驱动电流输出端(602)用于与电磁执行器(8)的正向输入端(81)相连，绝缘栅双极晶体管(7)的集电极输入端(72)用于与电磁执行器(8)的反向输入端(82)相连。

2.如权利要求1所述的用于驱动电磁执行器的无级可调大电流发生电路，其特征在于所述电流采样模块(6)包括采样电阻(61)、信号调理模块(62)和电源模块(63)，电源模块(63)的输出端(631)与采样电阻(61)的第一端口(611)相连，第一端口(611)与信号调理模块(62)的信号正向输入端(621)相连，采样电阻(61)的第二端口(602)作为所述驱动电流输出端，第二端口(602)与信号调理模块(62)的信号反向输入端(622)相连，第二端口(602)还用于和电磁执行器(8)的正向输入端(81)相连。

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