CN103325522B - 电磁铁双向驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁铁双向驱动电路。包括主电路和控制电路，其中：主电路中的48V直流电压依次与滤波电路、H桥工作电路、保护和限流电路连接，最后连接电磁铁；控制电路中单片机系统发出两路PWM信号和一路方向信号，通过逻辑电路变换和隔离电路的反向隔离放大，转换成四路控制信号，其中两路控制一个MOSFET驱动电路，另两路控制另一个相同的MOSFET驱动电路，MOSFET驱动电路与H桥工作电路相连，参数调节电路与单片机系统相连。本发明实现用PWM驱动H桥从而控制电磁铁正反运动，且正反运动的各种参数可以分开独立调节，设有保护电路防止电磁铁反向时的产生的瞬时感应电流损坏电路。

Description

电磁铁双向驱动电路

技术领域

本发明涉及电磁铁驱动电路，尤其是涉及一种电磁铁双向驱动电路。

背景技术

电磁铁是一种通电以后对铁磁物质产生吸力，把电磁能转换为机械能的电器。电磁铁的基本组成部分和工作原理是相同的，一般是由线圈、静铁心和动铁心三个主要部分组成。当线圈通过一定数值的电流之后，在静铁心、动铁心和气隙中就产生一定数量的磁通，在磁通的作用下，产生一定大小的电磁吸力，将动铁心吸向静铁心，从而使气隙减少到最小。当线圈中的电流停止后，电磁吸力就消失。

电磁铁一般采用直流电源供电，一般的电磁铁都为单向电磁铁，即未通电时，电磁铁在外力作用的作用下处于复位状态，通电时电磁铁克服外力进行动作，完毕后靠外力返回。电磁铁磁性的大小可以用电流的强弱或线圈的匝数多少来控制，也可通过改变电阻控制电流大小来控制磁性大小。

最近有研究者也通过PWM控制线圈平均电流，电流大小与PWM占空比成正比。用PWM驱动电磁铁的好处是能够节省能量，方便调整电流的大小。

IR2110是IR公司的桥式驱动集成电路芯片，它采用高度集成的电平转换技 术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。IR2110浮置电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，工作频率可达到500kHz。

型号为MSP430G2553的单片机芯片是德州仪器 (TI) MSP430系列超低功耗微控制器，其最大特点是超低功耗，具有5种低功耗模式，在待机模式是电流仅为0.5μA，且可在不到1μs的时间里超快速地从待机模式唤醒。有两个16位Timer_A，可输出4路独立的PWM信号。带有内部基准、采样与保持以及自动扫描功能的10位200ksps模数(A/D)转换器。以上特点可以为本发明提供持续、可靠的信号。

发明内容

    本发明的目的在于提供基于PWM的一种双向电磁铁驱动电路，该电路可以实现用PWM驱动H桥，继而独立驱动电磁铁正反运动，同时可以调节PWM的参数来独立控制正反运动的速度、时间、工作模式。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明包括主电路和控制电路；其中：

1）主电路：包括滤波电路，H桥工作电路，保护和限流电路；48V直流电压依次与滤波电路，H桥工作电路，保护和限流电路连接，最后连接电磁铁；

2）控制电路：包括单片机系统，参数调节电路，逻辑电路，隔离电路，MOSFET驱动电路；单片机系统发出两路PWM信号和一路方向信号Dir，通过逻辑电路变换和隔离电路的反向隔离放大，转换成四路控制信号，其中两路控制一个MOSFET驱动电路，另两路控制另一个MOSFET驱动电路，两路MOSFET驱动电路分别与H桥工作电路相连，参数调节电路与单片机系统相连。

所述的主电路中的滤波电路用两个并联的电容C11、C12对48V工作电压进行滤波；由此输出的直流电与H桥工作电路相连，其中正极与H桥上桥臂的两个MOSFET Q1、Q3的漏极相连，负极与下桥臂的两个MOSFET Q2、Q4的源极相连，每个MOSFET的源极和漏极之间都连接一个续流二极管；H桥工作电路输出的一端与保护和限流电路中限流电位器R21相连，再在输出两端之间连接电容C22和TVS二极管D5。

所述的控制电路中的单片机系统发出的两路PWM信号PWM1、PWM2和一路方向信号DIR；PWM1输入到逻辑电路中与非门芯片U6的2脚、5脚和与或非门芯片U5的3脚、10脚，PWM2输入到逻辑电路中与或非门芯片U5的5脚、13脚，DIR输入到非门芯片U4的1脚、与非门芯片U6的4脚、与或非门芯片U5的4脚和9脚，非门芯片U4的2脚和与非门芯片U6的1脚、与或非门芯片U5的1脚和2脚相连，逻辑电路中与非门芯片的6脚、3脚和与或非门芯片的6脚、8脚分别输出信号CTRL1、CTRL2、CTRL3、CTRL4；CTRL1～CTRL4分别通过光耦U7～U10进行信号反向隔离放大，再由各自的光耦6脚输出信号OUTPUT1～OUTPUT4；OUTPUT1、OUTPUT3分别通过一个滤波电容滤波后与MOSFET驱动芯片U13的10脚、12脚相连，U13的1脚和7脚分别串联电阻R22和R23后输出信号Net3和Net1，电阻R22、R23分别并联二极管D10、D11，U13的5脚输出信号Net5，Net1和Net5之间并联电阻R26和稳压二极管D14，Net3和地之间并联电阻R27和稳压二极管D15，Net1和Net5之间的信号控制H桥的上桥臂Q1，Net3和地之间的信号控制H桥的下桥臂Q3；另外两路信号OUTPUT2和OUTPUT4输入到另一个相同的MOSFET驱动芯片U14，连接方法和U13完全相同，Net2和Net6之间的信号控制H桥的上桥臂Q2，Net4和地之间的信号控制H桥的下桥臂Q4；参数调节电路中9个电阻R1～R9串联对2.5V电压进行分压，每两个电阻之间连接一个按键，共8个按键S1～S8，按键另一端接到一起通过一个消抖电容C2后分为两路，分别输入到电压跟随器芯片U3的3脚和5脚，U3的1脚与2脚相连后与单片机系统AD输入口连接，U36脚和7脚相连后与比较器芯片U2的3脚连接，电位器R12将5V电压分压后输入到U310脚，U3的8脚与9脚相连后与比较器芯片U2的2脚连接，信号从比较器芯片U2的1脚输出后与单片机系统INT输入口连接，单刀双置开关S9的一端接地，另一端接电阻R10后接3.6V电源，摇臂接单片机系统P1.2输入口，按键S10两端并联消抖电容C1，S10一端接地，另一端接单片机系统START输入口。

本发明具有的有益效果是：

1、采用H桥实现电磁铁正反运动，且正反运动的速度和时间都可以独立控制并调整。

2、用PWM信号来驱动电磁铁，通过调节PWM的占空比就能够调节电磁铁工作电流的大小，简化控制。

3、利用TVS二极管能够瞬间吸收浪涌电流的特性，防止电磁铁反向时产生的大感应电流对电路造成损坏。

4、利用光耦搭建隔离电路，隔离电路输入端和输出端的电路接不同地，有效防止电磁铁工作时对信号发生源产生干扰。

5、用单个IO口实现多按键控制，提高IO口的利用率。

6、采用按键后触发AD采样的方法，减少AD采样数并减小单片机系统工作的负担。

附图说明

    图1是本发明的系统结构框图。

    图2是本发明的单片机系统。

    图3是本发明的参数调节电路。

图4是本发明的逻辑电路。

图5是本发明的隔离电路。

图6是本发明的MOSFET驱动电路。

图7是本发明的主电路。

具体实施方式

    下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

 如图1所示，本发明包括主电路和控制电路，主电路包括：滤波电路、H桥工作电路、保护和限流电路，控制电路包括：参数调节电路、单片机系统、逻辑电路、隔离电路、MOSFET驱动电路。主电路中48V直流电源通过滤波电路后给H桥工作电路供电，之后再与保护和限流电路相连，最后连接电磁铁。保护和限流电路能够保护MOSFET工作电路，防止电磁铁反向时产生的感应电压或者感应电流过大而造成MOSFET的损坏。控制电路中单片机系统发出两路PWM信号（PWM1、PWM2）和一路方向信号（DIR），三路信号通过逻辑电路变换和隔离电路反向隔离放大后，转换成4路控制信号OUTPUT1～OUTPUT4，其中两路信号OUTPUT1、OUTPUT3输入到一个MOSFET驱动电路，另两路信号输入到另一个相同的MOSFET驱动电路，两个MOSFET驱动电路再驱动H桥工作。参数调节电路通过控制单片机系统的输出信号来控制电磁铁的运行状态及参数。其中MOSFET是指金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）。

如图2所示，本发明中的单片机系统主要由单片机芯片U1、供电电路、复位电路组成。单片机芯片型号为TI公司的MSP430G2553，3.6V电压经过两个电容滤波后给单片机系统供电。复位按键一端接GND1，另一端接单片机RESET输入口，复位按键两端并联用于消除按键抖动的滤波电容，复位按键按下时，单片机系统立即重启。单片机输出一路方向信号DIR，两路互补并且带有死区的PWM信号PWM1、PWM2。其中GND1为接地。

如图3所示，本发明的参数调节电路中9个电阻R1～R9将2.5V电压进行分压，每两个电阻之间接一个按键，总共8个按键S1～S8，按键另一端接到一起通过一个消除抖动的电容C2后分两路接到两个电压跟随器的正输入端，电压跟随器芯片型号为LM324，内部集成了4个放大器，可以作为4个电压跟随器，5V电压通过滤波电容C4滤波后接到电压跟随器芯片U3的4脚给U3供电，U3的11脚接GND1。按键的公共点分两路后，一路接到U3的3脚，另一路接到U3的5脚，U3的1脚、2脚接在一起后输入到单片机系统的AD输入口，U3的6脚、7脚接在一起后输入到比较器芯片U2的3脚。电位器R12两端分别接+5V和GND1，中间抽头接U3的10脚，U3的8脚、9脚接在一起后接到比较器芯片U2的2脚。5V电源通过一滤波电容C6滤波后接到比较器8脚，比较器4脚接GND1，1脚通过一上拉电阻R11上拉到3.6V，然后接到单片机系统INT输入口。参数调节电路中另有一个单刀双掷开关S9，开关一端连接电阻R10后接3.6V电源，另一端接GND1，开关摇臂接到单片机系统的P1.2输入口，按键S10一端接GND1，另一端接单片机系统的START输入口，按键S10两端并联消除抖动的电容C1。本发明参数调节电路中，8个按键S1～S8分别按下时按键接在一起的公共端会产生不同的电压，该电压分两路，一路通过一个电压跟随器之后输入到单片机系统的进行AD采样，另一路通过电压跟随器之后输入到比较器的正输入端，而电位器R12对5V电源分压产生的一个参考电压，参考电压经过电压跟随器后输入到比较器的负输入端，按键产生的电压与参考电压进行比较后输出中断信号，然后单片机系统开始采集按键按下时按键公共端的电压，再控制电磁铁不同的工作状态。单刀双掷开关S9用来指示电磁铁单步工作还是连续工作，按键S10仅在单步工作时有效，作为单步启动按键。本发明参数调节电路中，比较器型号为LM393。

如图4所示，本发明逻辑电路由一个型号为74LS04的四输入非门芯片U4、一个型号为74LS00的与非门芯片U6、一个型号为74LS51的与或非门芯片U5组成，单片机系统发出的DIR信号输入到U4的1脚、U6的4脚、U5的4脚和9脚，U4的2脚为输出，接到U6的1脚、U5的1脚和2脚，单片机系统发出的PWM1接到U6的2脚和5脚、U5的3脚和10脚，PWM2接到U5的5脚和13脚，U5的11脚和12脚接到3.6V。芯片U4、U5、U6的14脚和7脚分别接5V电源和GND1。U6的6脚、3脚和U5的6脚、8脚分别输出信号CTRL1、CTRL2、CTRL3、CTRL4。

如图5所示，本发明隔离电路主要由4个型号为TLP250的光耦U7～U10组成，每个光耦的2脚分别接电阻R13～R16后接到3.6V电源，CTRL1～CTRL4四路信号分别输入到光耦U7～U10的3脚，四个光耦的8脚接15V电源，5脚接GND2，每个光耦的6脚、7脚接在一起后分别接电阻R17、R18、R19、R20的一端，电阻R17～R20的另一端接GND2，光耦U7～U10的6脚分别输出信号OUTPUT1、OUTPUT2、OUTPUT3、OUTPUT4。本发明隔离电路中将光耦正输入端上拉，信号从负输入端输入，以此增强抗干扰能力，所以光耦输出的信号与输入信号相反。其中GND2为接地，与GND1不相连以产生隔离的效果。

如图6所示，本发明MOSFET驱动电路主要由两片型号为IR2110的驱动芯片U13、U14组成，每个芯片控制2个MOSFET。信号OUTPUT1、OUTPUT3分别通过滤波电容C15、C17的滤波后输入到U13的10脚、12脚，信号OUTPUT2、OUTPUT4分别通过滤波电容C16、C18滤波后输入到U14的10脚、12脚。15V供电电压分别通过滤波电容C19、C24、C20、C26滤波后输入到U13的3脚、9脚、U14的3脚、9脚，U13和U14各自的2脚、11脚、13脚都接GND2，U13和U14的6脚分别接二极管D6、D7的负极，二极管D6、D7正极指向15V电源。U13和U14的5脚分别输出信号Net5、Net6，U13的5脚和6脚之间接自举电容C23、C27和稳压二极管D8，二极管正极指向U13的5脚，同样U14的5脚和6脚之间接自举电容C25、C28和二极管D9，二极管正极指向U14的5脚。U13的7脚、U13的1脚、U14的7脚、U14的1脚分别接保护电阻R22～R25的一端，电阻的另一端分别为信号输出Net1、Net3、Net2、Net4，电阻R22～R25两端分别并联二极管D10～D13，二极管正极分别指向Net1、Net3、Net2、Net4。Net1和Net2分别接电阻R26、R27后接到U13和U14的5脚，Net3和Net4分别接电阻R27、R29后接GND2，电阻R26～R29的的两端分别并联稳压二极管D14～D17，稳压二极管的正极分别指向Net5、GND2、Net6、GND2。稳压二极管能够保护MOSFET，防止MOSFET的栅极和源极被击穿。

如图7所示，本发明的主电路主要由滤波电路、H桥工作电路、限流和保护电路构成，滤波电路由两个滤波电容组成，48V电源经过电容C11、C12的滤波后给H桥工作电路供电，48V正极连接到H桥的上桥臂Q1、Q2的漏极，48V负极（即GND2）连接到H桥下桥臂Q3、Q4的源极，H桥工作电路由4个MOSFET构成，其中Q1、Q2为上桥臂，Q3、Q4为下桥臂。到Q1、Q2的漏极，Q1、Q2的源极分别于Q3、Q4的漏极相连，Q3、Q4的源极接到GND2，Net1、Net2、Net3、Net4分别接到Q1、Q2、Q3、Q4的门极，Net5、Net6分别接到Q1的源极和Q2的源极，MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4的漏极和源极之间分别连接续流二极管D1、D2、D3、D4，二极管的正极指向MOSFET的源极。保护电路由限流电位器R21和TVS二极管D5、电容C22构成，Net6连接电位器R21后接到电磁铁的一端，电磁铁的另一端接与Net5相连，电磁铁两端接电容C22和TVS二极管D5。

本发明的工作过程如下：

单片机系统输出两路互补且带有死区的PWM1、PWM2信号和一路方向信号DIR，PWM1和PWM2是驱动电磁铁工作的初始信号，DIR是电磁铁运动方向的指示信号，DIR为高电平时，电磁铁正向运动，DIR为低电平时，电磁铁反向运动，通过调节PWM的占空比可以控制流过电磁铁的电流大小，PWM占空比越大，流过电磁铁的电流越大。PWM1、PWM2、DIR信号通过逻辑电路运算后产生4路信号CTRL1、CTRL2、CTRL3、CTRL4，以上4路信号通过4个光耦反向隔离放大并且反相后，分别输出OUTPUT1、OUTPUT2、OUTPUT3、OUTPUT4，OUTPUT1～OUTPUT与PWM1、PWM2、DIR信号的关系如下：

其中OUTPUT1和OUTPUT2为驱动芯片U13、U14的高端输入信号，OUTPUT3和OUTPUT4为低端输入信号，经过MOSFET驱动电路处理，Net1与Net5之间的信号与OUTPUT1相同，用于驱动上桥臂Q1，Net2与Net6之间的信号与OUTPUT2相同，用于驱动另一个上桥臂Q2，Net3信号与OUTPUT3相同，用于驱动下桥臂Q3，Net4信号与OUTPUT4相同，用于驱动下桥臂Q4。当Net1和Net5之间为高电平时Q1导通，其余同理。Q1和Q4同时导通时，电流方向为从48V正极经Q1、电磁铁、电位器R21、Q4到地；Q2、Q3同时导通时，电流方向为从48V电源正极经Q2、电位器R21、电磁铁、Q3到地。以上两种情况时，流过电磁铁的方向不同，以此来控制电磁铁的正反运动。其中Q1、Q3不能同时导通，同样Q2、Q4也不能同时导通，如导通则会导致电源短路，造成严重的后果，所以PWM1和PWM2为互补的信号且存在死区，可以有效防止Q1和Q3或者Q2和Q4同时导通。而由于IR2110自举电路的特点，上桥Q1的导通必须要以下桥Q3的导通为前提，即给自举电容C23、C27通电，所以Q1和Q3需要交替导通，同样Q2和Q4也需要交替导通。当电磁铁中电流反向或者停止时，瞬间会产生很大的感应电流，感应电流方向与原来电流方向相反，会导致MOSFET损坏，在电磁铁两端的TVS二极管D5和电容C22可以吸收瞬间的大电流从而保护MOSFET电路。电位器R21的作用是限流，防止由于电磁铁线圈短路而引起的电流过大，同时，通过调节电位器大小，可以调节流过电磁铁的电流大小，从而调节电磁铁运动时的力度。

本发明参数调节电路中，由于需要控制的参数较多，如果采用普遍的一个按键对应一个IO口的方法，就会占用单片机大量的IO口，为了减少IO的使用，提高IO口利用率，本发明参数调节电路采用多按键单IO的方法，当S1～S8中不同的按键被按下时，在按键的公共端会产生不同的电压值，不同的电压值对应不同的功能。具体功能如下：S1增加正向运动PWM占空比，S2减小正向运动PWM占空比，S3增加反向运动PWM占空比，S4减小反向运动PWM占空比，S5增加正向运动时间，S6减小正向运动时间，S7增加反向运动时间，S8减小反向运动时间。此外，按键的公共端还接到一个比较器和一个参考电压比较，参考电压由电位器对5V电压分压得到，此处参考电压设置为约2.45V，当没有按键被按下，按键的公共端为高电平（2.5V），比较器U2的1脚输出高电平，当任何一个按键被按下时，按键的公共端电压会低于2.45V，比较器1脚输出低电平，让单片机系统对按键公共端的电压进行采集并处理。设置比较器的好处是减少AD采样数和减小单片机系统工作的负担。参数调节电路中的单刀双掷开关S9能够让电磁铁在单步、连续两个工作状态之间切换，当电磁铁工作在连续状态时，电磁铁自由正反运动，当电磁铁工作在单步状态时，S10为启动开关，S10按一下，电磁铁进行正向、反向运动一次。

Claims (2)

1.一种电磁铁双向驱动电路，其特征在于，包括主电路和控制电路；其中：

1）主电路：包括滤波电路，H桥工作电路，保护和限流电路；48V直流电压依次与滤波电路，H桥工作电路，保护和限流电路连接，最后连接电磁铁；

2）控制电路：包括单片机系统，参数调节电路，逻辑电路，隔离电路，MOSFET驱动电路；单片机系统发出两路PWM信号和一路方向信号Dir，通过逻辑电路变换和隔离电路的反向隔离放大，转换成四路控制信号，其中两路控制一个MOSFET驱动电路，另两路控制另一个MOSFET驱动电路，两路MOSFET驱动电路分别与H桥工作电路相连，参数调节电路与单片机系统相连；

所述的主电路中的滤波电路用两个并联的电容C11、C12对48V工作电压进行滤波；由此输出的直流电与H桥工作电路相连，其中正极与H桥上桥臂的两个MOSFET Q1、Q2的漏极相连，负极与下桥臂的两个MOSFET Q3、Q4的源极相连，每个MOSFET的源极和漏极之间都连接一个续流二极管；H桥工作电路输出的一端与保护和限流电路中限流电位器R21相连，再在输出两端之间连接电容C22和TVS二极管D5。

2. 根据权利要求1所述的一种电磁铁双向驱动电路，其特征在于：所述的控制电路中的单片机系统发出的两路PWM信号PWM1、PWM2和一路方向信号DIR；PWM1输入到逻辑电路中与非门芯片U6的2脚、5脚和与或非门芯片U5的3脚、10脚，PWM2输入到逻辑电路中与或非门芯片U5的5脚、13脚，DIR输入到非门芯片U4的1脚、与非门芯片U6的4脚、与或非门芯片U5的4脚和9脚，非门芯片U4的2脚和与非门芯片U6的1脚、与或非门芯片U5的1脚和2脚相连，逻辑电路中与非门芯片的6脚、3脚和与或非门芯片的6脚、8脚分别输出信号CTRL1、CTRL2、CTRL3、CTRL4；CTRL1～CTRL4分别通过光耦U7～U10进行信号反向隔离放大，再由各自的光耦6脚输出信号OUTPUT1～OUTPUT4；OUTPUT1、OUTPUT3分别通过一个滤波电容滤波后与MOSFET驱动芯片U13的10脚、12脚相连，U13的1脚和7脚分别串联电阻R22和R23后输出信号Net3和Net1，电阻R22、R23分别并联二极管D10、D11，U13的5脚输出信号Net5，Net1和Net5之间并联电阻R26和稳压二极管D14，Net3和地之间并联电阻R27和稳压二极管D15，Net1和Net5之间的信号控制H桥的上桥臂Q1，Net3和地之间的信号控制H桥的下桥臂Q3；另外两路信号OUTPUT2和OUTPUT4输入到另一个相同的MOSFET驱动芯片U14，连接方法和U13完全相同，U14的1脚和7脚分别串联电阻R25和R24后输出信号Net4和Net2，U14的5脚输出信号Net6，Net2和Net6之间的信号控制H桥的上桥臂Q2，Net4和地之间的信号控制H桥的下桥臂Q4；参数调节电路中9个电阻R1～R9串联对2.5V电压进行分压，每两个电阻之间连接一个按键，共8个按键S1～S8，按键另一端接到一起通过一个消抖电容C2后分为两路，分别输入到电压跟随器芯片U3的3脚和5脚，U3的1脚与2脚相连后与单片机系统AD输入口连接，U36脚和7脚相连后与比较器芯片U2的3脚连接，电位器R12将5V电压分压后输入到U310脚，U3的8脚与9脚相连后与比较器芯片U2的2脚连接，信号从比较器芯片U2的1脚输出后与单片机系统INT输入口连接，单刀双置开关S9的一端接地，另一端接电阻R10后接3.6V电源，摇臂接单片机系统P1.2输入口，按键S10两端并联消抖电容C1，S10一端接地，另一端接单片机系统START输入口。