CN107342147B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明涉及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。利用本发明的驱动电路，在电磁铁开启阶段，驱动电路输出高电压使电磁铁线圈电流迅速升到开启电流，电磁铁在短时间内开启；当电磁铁开启后，驱动电路在5%占空比脉宽调制控制信号下，电磁铁进入保持状态，线圈中电流开始下降直到保持电流，由脉宽调制控制信号使电流维持在保持电流附近小范围波动；当电磁铁进入关闭阶段时，线圈电流从较小的保持电流开始下降，电磁铁迅速关闭。此驱动电路采用大电流开启，小电流保持，缩短了电磁铁开启和关闭时间，大幅度降低线圈的功耗，提高电磁铁寿命。该驱动电路使电磁铁实现响应频率高，功耗低等特性。

Description

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

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体是指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。

背景技术

电磁铁的应用越来越广泛，因此对电磁铁的强电磁力、高频响应、低功耗等方面的性能要求也越来越高，设计一种高效合理的驱动电路在很大程度上能提高电磁铁的性能。现阶段电磁铁的应用中，驱动电路主要有以下三种。

脉宽调制控制驱动，该驱动电路的主要缺点是脉宽调制控制信号由单片机生成，在软件编程上稍显复杂或者脉宽调制控制信号的占空比是固定不变的。

可调电阻式驱动，该电路可以提高电磁铁的响应速度，但是通过改变电阻值来达到改变维持电流大小，电路中可调电阻消耗了较多的能量。

高低电压驱动，该电路因为要提供2种不同的电压，所以受到电源形式的限制，需要进行DC-DC变换，实现起来比较困难，增加了整个电路的复杂性。

因此，设计一种既能够降低电磁铁开启和关闭时间，又能够减少能量损失降低热量产生，提高电磁铁使用寿命的驱动电路是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供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，该驱动电路能够降低电磁铁开启和关闭时间，达到高频响应，低功耗，提高电磁铁的使用寿命。

为实现上述目的，本发明的技术方案是包括矩形波发生电路、三角波发生电路、微分型单稳态触发器电路、反相输入求和电路、反相比例运算电路、电压比较器电路及开关电路；所述的矩形波发生电路的输出端连接于三角波发生电路的输入端，所述的微分型单稳态触发器电路接入电磁铁驱动控制信号，微分型单稳态触发器电路的输出端连接于反相输入求和电路的一路输入端，反相输入求和电路的另一路输入端与电磁铁驱动控制信号输入连接，反相输入求和电路的输出端连接于反相比例运算电路的输入端；所述的三角波发生电路的输出端连接于电压比较器电路的一路输入端，反相比例运算电路的输出端连接于电压比较器电路的另一路输入端，该电压比较器电路的输出端与开关电路输入连接；

所述矩形波发生电路用来生成一个占空比、频率均可调的矩形波信号；

所述三角波发生电路以矩形波信号为输入，生成一个幅值、频率均可调的三角波信号；

所述微分型单稳态触发器电路以电磁铁驱动控制信号为输入，生成一个当电磁铁驱动控制信号为上升沿时触发的窄波信号；

所述反相输入求和电路分别以窄波信号、电磁铁驱动控制信号为输入，生成一个幅值可调的负双电压控制信号；

所述反相比例运算电路以负双电压控制信号为输入，生成一个幅值可调的正双电压控制信号；

所述电压比较器电路分别以三角波信号和正双电压控制信号为输入，生成一个前后占空比不一样，频率、占空比均可调的脉宽调制控制信号。

进一步设置是所述矩形波发生电路(1)由运算放大器U1及其外围电路电阻R1、R2、R3、R4和稳压管D1、D2组成，在电阻R4输出一个占空比、频率均可调的矩形波信号，具体连接方式为：运算放大器U1的反相输入端通过电阻R3与地相连，同相输入端分别与电阻R1、R2相连，输出端与电阻R4的一端相连；电阻R1的另一端与运算放大器U2的输出端相连，电阻R2的另一端分别与电阻R4的另一端、稳压管D2的正极相连，稳压管D1的负极与稳压管D2的负极相连，稳压管D1的正极与地相连。

进一步设置是所述三角波发生电路(2)由运算放大器U2及其外围电路电阻R5、R6和电容C1组成，在运算放大器U2的输出端输出一个幅值、频率均可调的三角波信号，具体连接方式为：运算放大器U2的反相输入端通过电阻R5与电阻R4输出的矩形波信号相连，同相输入端通过电阻R6与地相连；电容C1一端与反相输入端相连，另一端与运算放大器U2输出端相连。

进一步设置是所述微分型单稳态触发器电路(3)由一个或非门U3、一个非门U4及其外围电路电阻R7、R8和电容C2、C3组成，在非门U4的输出端输出一个窄波信号，具体连接方式为：或非门U3的一个输入端分别与电容C2、电阻R7相连，另一个输入端和非门U4的输出端相连，输出端通过电容C3和非门U4的输入端相连；非门U4的输入端分别与电容C3、电阻R8相连；电容C2的另一端与电磁铁驱动控制信号相连，电阻R7的另一端与地相连，电阻R8的另一端与电源VDD相连。

进一步设置是所述反相输入求和电路(4)由运算放大器U5及其外围电路电阻R9、R10、R11组成，在运算放大器U5的输出端输出一个幅值可调的负双电压控制信号，具体连接方式为：运算放大器U5的反相输入端分别与电阻R9、R10相连，同相输入端与地相连，输出端通过电阻R11与反相输入端相连；电阻R9的另一端和非门U4的输出端相连，电阻R10的另一端与电磁铁驱动控制信号相连。

进一步设置是所述反相比例运算电路(5)由运算放大器U6及其外围电路电阻R12、R13、R14组成，在运算放大器U6的输出端输出一个幅值可调的正双电压控制信号，具体连接方式为：运算放大器U6的反相输入端通过电阻R12与运算放大器U5的输出端相连，同相输入端通过电阻R13与地相连，输出端通过电阻R14与反相输入端相连。

进一步设置是所述电压比较器电路(6)由集成运放U7及其外围电路电阻R15、R16组成，在集成运放U7的输出端输出一个前后占空比不相等，频率、占空比均可调的脉宽调制控制信号，具体连接方式为：集成运放U7的反相输入端通过电阻R15与运算放大器U2输出的三角波信号相连，同相输入端通过电阻R16与运算放大器U6输出的正双电压控制信号相连，输出端与场效应管的栅极相连。

进一步设置是所述集成运放U7输出端输出的脉宽调制控制信号在开始的10％时间内占空比达到100％，剩下的时间占空比仅需5％。

进一步设置是所述开关电路(7)由场效应管Q1及其外围电路电阻R17、R18和发光二极管LED1组成，当脉宽调制控制信号输出高电平，发光二极管亮，开关电路打开；当脉宽调制控制信号输出低电平，发光二极管灭，开关电路关闭，具体连接方式为：场效应管Q1的漏极通过电阻R18与电磁铁一端相连，栅极与集成运放U7输出的脉宽调制控制信号相连，源极与地连接；发光二极管LED1的正极与集成运放U7的输出端相连，发光二极管LED1的负极与电阻R17的一端相连，电阻R17的另一端与地相连，电磁铁的另一端与高电压相连，场效应管Q1为绝缘栅型N沟道增强型。

本发明还提供了一种基于所述的电磁铁驱动电路的使用方法，电磁铁工作在开启阶段、保持阶段、关闭阶段；当所述的电磁铁工作在开启阶段，高电压在100％占空比脉宽调制控制信号下输出；当所述的电磁铁工作在保持阶段，高电压在5％占空比脉宽调制控制信号下输出；当所述的电磁铁工作在关闭阶段，高电压不输出。

本发明所述的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，实现电磁铁高频响应、低功耗等特性。本发明在开启阶段采用高电压、大电流控制使电磁铁在短时间内开启，随后进入小电流的保持状态，最后使电磁铁从小电流的保持状态迅速关闭。

本发明与背景技术相比，具有的优势是：

1.采用单高电压驱动，电磁铁能在短时间内产生强电磁力到达开启状态；在保持阶段，电流降到很小的保持电流，避免大电流造成能量损耗和线圈温升高；在关闭阶段，电流是从很小的保持电流开始下降，能大大减少电磁铁关闭时间。

2.电路中开启电流、保持电流、脉宽调制控制信号频率和占空比均可调节，适合应用在各种场合中的电磁铁。

3.该驱动电路全部由硬件控制，具有结构简单、可靠、控制精度高、控制信号频率范围广、响应快、功耗低、成本低等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1是本发明的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的结构方框图；

图2是本发明的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的电路图；

图3是本发明的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矩形波发生电路输出波形图；

图4是本发明的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三角波发生电路输出波形图；

图5是本发明的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微分型单稳态触发器电路输出波形图；

图6是本发明的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反相输入求和电路输出波形图；

图7是本发明的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反相比例运算电路输出波形图；

图8是本发明的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电压比较器电路输出波形图；

图9是本发明的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电磁铁电流、电压波形示意图；

图中：1.矩形波发生电路，2.三角波发生电路，3.微分型单稳态触发器电路，4.反相输入求和电路，5.反相比例运算电路，6.电压比较器电路，7.开关电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。

如图1至图9所示，为本发明实施例中，如图1所示，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，包括矩形波发生电路(1)，三角波发生电路(2)，微分型单稳态触发器电路(3)，反相输入求和电路(4)，反相比例运算电路(5)，电压比较器电路(6)及开关电路(7)组成的驱动电路。

在一种实施方案中，该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，如图2所示；由运算放大器U1及其外围电路电阻R1、R2、R3、R4和稳压管D1、D2组成的矩形波发生电路，在电阻R4输出一个占空比、频率均可调的矩形波信号，如图3所示；由运算放大器U2及其外围电路电阻R5、R6和电容C1组成的三角波发生电路，在运算放大器U2的输出端输出一个幅值、频率均可调的三角波信号，如图4所示；由一个或非门U3、一个非门U4及其外围电路电阻R7、R8和电容C2、C3组成的微分型单稳态触发器电路，在非门U4的输出端输出一个窄波信号，如图5所示；由运算放大器U5及其外围电路电阻R9、R10、R11组成的反相输入求和电路，在运算放大器U5的输出端输出一个幅值可调的负双电压控制信号，如图6所示；由运算放大器U6及其外围电路电阻R12、R13、R14组成的反相比例运算电路，在运算放大器U6的输出端输出一个幅值可调的正双电压控制信号，如图7所示；由集成运放U7及其外围电路电阻R15、R16组成的电压比较器电路，在集成运放U7的输出端输出一个前后占空比不相等的脉宽调制控制信号，如图8所示；当脉宽调制控制信号为高电平时，发光二极管LED1亮，开关电路打开，电磁铁线圈通电，当脉宽调制控制信号为低电平时，发光二极管LED1灭，电磁铁线圈断电；电磁铁线圈的电流通过电阻R18测量，电磁铁线圈流过的电流、电压如图9所示。

驱动电路根据电磁铁不同的工作阶段，产生开启电流或者保持电流；在开启阶段，驱动电路输出一个占空比100％的控制信号，高电压导通使电磁铁线圈电流迅速升到开启电流；当电磁铁开启后，驱动电路在5％占空比脉宽调制控制信号下，电磁铁进入保持状态，线圈中电流开始下降直到保持电流，由脉宽调制控制信号使电流维持在保持电流附近小范围波动；当电磁铁进入关闭阶段时，驱动电路输出低电平控制信号，线圈电流从较小的保持电流开始下降；相比固定占空比低电压输入，当运用此驱动电路把输入电压增加3倍，在保持阶段脉宽调制控制信号占空比为5％，频率为200赫兹的条件下，电磁铁开启时间降低90％，关闭时间降低55％，稳态功率降低90％以上。

此驱动电路采用大电流开启，小电流保持，缩短了电磁铁开启和关闭时间，满足高速电磁铁开闭要求，减少能量损失，降低线圈发热，大幅度降低线圈的功耗，提高电磁铁寿命。该驱动电路使电磁铁实现响应频率高，功率低等特性。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明的权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一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，其特征在于：包括矩形波发生电路、三角波发生电路、微分型单稳态触发器电路、反相输入求和电路、反相比例运算电路、电压比较器电路及开关电路；所述的矩形波发生电路的输出端连接于三角波发生电路的输入端，所述的微分型单稳态触发器电路接入电磁铁驱动控制信号，微分型单稳态触发器电路的输出端连接于反相输入求和电路的一路输入端，反相输入求和电路的另一路输入端与电磁铁驱动控制信号输入连接，反相输入求和电路的输出端连接于反相比例运算电路的输入端；所述的三角波发生电路的输出端连接于电压比较器电路的一路输入端，反相比例运算电路的输出端连接于电压比较器电路的另一路输入端，该电压比较器电路的输出端与开关电路输入连接；

所述矩形波发生电路用来生成一个占空比、频率均可调的矩形波信号；

所述三角波发生电路以矩形波信号为输入，生成一个幅值、频率均可调的三角波信号；

所述微分型单稳态触发器电路以电磁铁驱动控制信号为输入，生成一个当电磁铁驱动控制信号为上升沿时触发的窄波信号；

所述反相输入求和电路分别以窄波信号、电磁铁驱动控制信号为输入，生成一个幅值可调的负双电压控制信号；

所述反相比例运算电路以负双电压控制信号为输入，生成一个幅值可调的正双电压控制信号；

所述电压比较器电路分别以三角波信号和正双电压控制信号为输入，生成一个前后占空比不一样，频率、占空比均可调的脉宽调制控制信号。

2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述矩形波发生电路(1)由运算放大器U1及其外围电路电阻R1、R2、R3、R4和稳压管D1、D2组成，在电阻R4输出一个占空比、频率均可调的矩形波信号，具体连接方式为：运算放大器U1的反相输入端通过电阻R3与地相连，同相输入端分别与电阻R1、R2相连，输出端与电阻R4的一端相连；电阻R1的另一端与运算放大器U2的输出端相连，电阻R2的另一端分别与电阻R4的另一端、稳压管D2的正极相连，稳压管D1的负极与稳压管D2的负极相连，稳压管D1的正极与地相连。

3.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述三角波发生电路(2)由运算放大器U2及其外围电路电阻R5、R6和电容C1组成，在运算放大器U2的输出端输出一个幅值、频率均可调的三角波信号，具体连接方式为：运算放大器U2的反相输入端通过电阻R5与电阻R4的输出端相连，该输出端输出矩形波信号，同相输入端通过电阻R6与地相连；电容C1一端与反相输入端相连，另一端与运算放大器U2输出端相连。

4.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述微分型单稳态触发器电路(3)由一个或非门U3、一个非门U4及其外围电路电阻R7、R8和电容C2、C3组成，在非门U4的输出端输出一个窄波信号，具体连接方式为：或非门U3的一个输入端分别与电容C2、电阻R7相连，另一个输入端和非门U4的输出端相连，输出端通过电容C3和非门U4的输入端相连；非门U4的输入端分别与电容C3、电阻R8相连；电容C2的另一端与电磁铁驱动控制相连，电阻R7的另一端与地相连，电阻R8的另一端与电源VDD相连。

5.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述反相输入求和电路(4)由运算放大器U5及其外围电路电阻R9、R10、R11组成，在运算放大器U5的输出端输出一个幅值可调的负双电压控制信号，具体连接方式为：运算放大器U5的反相输入端分别与电阻R9、R10相连，同相输入端与地相连，输出端通过电阻R11与反相输入端相连；电阻R9的另一端和非门U4的输出端相连，电阻R10的另一端与电磁铁驱动控制信号相连。

6.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述反相比例运算电路(5)由运算放大器U6及其外围电路电阻R12、R13、R14组成，在运算放大器U6的输出端输出一个幅值可调的正双电压控制信号，具体连接方式为：运算放大器U6的反相输入端通过电阻R12与运算放大器U5的输出端相连，同相输入端通过电阻R13与地相连，输出端通过电阻R14与反相输入端相连。

7.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述电压比较器电路(6)由集成运放U7及其外围电路电阻R15、R16组成，在集成运放U7的输出端输出一个前后占空比不相等，频率、占空比均可调的脉宽调制控制信号，具体连接方式为：集成运放U7的反相输入端通过电阻R15与运算放大器U2的输出端相连，该输出端输出三角波信号；集成运放U7的同相输入端通过电阻R16与运算放大器U6的输出端的相连，该输出端输出正双电压控制信号；集成运放U7的输出端与场效应管的栅极相连。

8.根据权利要求7所述的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，其特征在于：所述集成运放U7输出端输出的脉宽调制控制信号在开始的10％时间内占空比达到100％，剩下的时间占空比为5％。

9.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述开关电路(7)由场效应管Q1及其外围电路电阻R17、R18和发光二极管LED1组成，当脉宽调制控制信号输出高电平，发光二极管亮，开关电路打开；当脉宽调制控制信号输出低电平，发光二极管灭，开关电路关闭，具体连接方式为：场效应管Q1的漏极通过电阻R18与电磁铁一端相连，栅极与集成运放U7输出的脉宽调制控制信号相连，源极与地连接；发光二极管LED1的正极与集成运放U7的输出端相连，发光二极管LED1的负极与电阻R17的一端相连，电阻R17的另一端与地相连，电磁铁的另一端与高电压相连，场效应管Q1为绝缘栅型N沟道增强型。

10.一种基于权利要求1-9之一所述的电磁铁驱动电路的使用方法，其特征在于：电磁铁工作在开启阶段、保持阶段、关闭阶段；当所述的电磁铁工作在开启阶段，高电压在100％占空比脉宽调制控制信号下输出；当所述的电磁铁工作在保持阶段，高电压在5％占空比脉宽调制控制信号下输出；当所述的电磁铁工作在关闭阶段，高电压不输出。