CN109899193B - 脉宽调制驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉宽调制驱动电路，涉及弹用发动机燃油控制系统驱动控制技术领域。本发明所提供的脉宽调制驱动电路，可以实现对发动机燃油调节器快速电磁阀的驱动。通过区分强激励电流和维持电流，降低在维持电磁阀通电时的功率消耗。通过在基频中加入高频载波降低快速电磁阀通电时的整体功耗。具有快速电磁阀的过流保护功能，迅速关断驱动电路输出。通过自诊断电路，确保发动机工作前能对电磁阀线圈和驱动电路迅速作出诊断，同时实现发动机工作时实时监测电磁阀的工作状态。

Description

脉宽调制驱动电路

技术领域

本发明涉及弹用发动机燃油控制系统驱动控制技术领域，具体涉及一种脉宽调制驱动电路。

背景技术

某发动机控制系统燃油调节器中使用快速电磁阀作为调节元件，用于实现发动机燃油供给功能。驱动电路一旦失效，则导致任务失败，必须采取高可靠性及完善的自检电路。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种脉冲宽度、脉冲频率调制的快速电磁阀功率驱动电路，同时具有电磁阀过流保护功能、以及电磁阀及驱动电路的自检功能。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种脉宽调制驱动电路，包括：积分式脉宽脉频调制电路、输出载波振荡电路、输出驱动及保护电路、自诊断电路、监测电路；所述积分式脉宽脉频调制电路用于将输入的直流电压信号转换成宽度和频率可调的脉冲信号；输出载波振荡电路用于将所述脉冲信号的高电平半周上产生高频载波脉冲；输出驱动及保护电路用于给作为负载的快速电磁阀提供足够的电流，同时当快速电磁阀出现过流时起到保护作用；监测电路是用于将驱动快速电磁阀的占空比信号转化成比例的电压信号，实时监测快速电磁阀的工作状态；自诊断电路结合监测电路用于实现对快速电磁阀的断路检查、驱动电路完好性检查。

优选地，所述积分式脉宽脉频调制电路包括运放N1、三极管V1、V2和电容C1，其中输入直流电压Ui通过一电阻R1连接运放N1的反相输入端，运放N1的同相输入端接地，电容C1接在运放N1的反相输入端与输出端之间，运放N1输出端通过一电阻R4连接三极管V1的基极，而三极管V1的集电极通过一电阻R8连接三极管V2的基极，运放V2的基极通过一电阻R9接+12V电源，运放N1的反相输入端与三极管V2的集电极之间连接一电阻R5，三极管V2的集电极连接一电阻R10一端，电阻R10另一端连接一电阻R11一端，电阻R11另一端连接一三极管V3的发射极，V3的集电极接地。

优选地，所述输出载波振荡电路包括运放N2、电阻R15、R16、R17、R18、R19、电容C3，其中运放N2为比较器，电阻R19和电容C3为微分电路，构成正反馈回路，用于加速比较器N2的状态转换，电阻R18一端输入自检指令，另一端连接三极管V1的基极，电阻R15一端连接点B，另一端连接运放N2的同相输入端、R16一端、R17一端以及R19一端，R16另一端连接-12V电源，R17另一端接地，电阻R19另一端连接电容C3一端，电容C3另一端连接运放N2的输出端。

优选地，所述输出驱动及负载电路包括三极管V4、V5、V6、二极管D4和电阻R22～R28，二极管D4一端连接三极管V4的基极，并通过一电阻R22连接C点，另一端连接三极管V4的发射极、三极管V5的基极以及电阻R24的一端，三极管V5的发射极连接R24另一端、三极管V6的基极以及电阻R25的一端，R25另一端连接电阻R26。三极管V4的集电极通过电阻R23接+12V电源，V5的集电极通过电阻R27连接+27V电源，V6的集电极连接电阻R28一端，电阻R28另一端通过一二极管D5连接+27V电源。电阻R28一端及+27V电源之间连接负载快速电磁阀，电阻R28和二极管D5组成了所述快速电磁阀的续流回路。

优选地，所述监测电路包括二极管D6、D7，三极管V7、三极管V7、运放N3及相关阻容器件；V6的集电极通过一电容C5连接D6的正极、D7的负极，D6的负极通过一电阻R27’连接+12V电源，D7的正极连接一电阻R28’的一端，R28’另一端通过一电容C6连接+12V电源，还通过一电阻R29连接V7的基极，V7的集电极连接一二极管D8的正极，D8负极连接一电阻R31一端，R31另一端连接一电阻R32一端，R32另一端连接R33一端，R33另一端连接一电阻R34一端，R34另一端连接一电阻R35一端，以及运放N3的同相端，运放N3的反向端连接其输出端。

优选地，所述电阻R18实现所述自诊断电路的功能，当自检指令通过电阻R18强行给V1的基极D点输入高电平，不论脉宽脉频调制电路此时是何种状态，都强制三极管V4、V5、V6始终导通，可通过运放N3的输出电压判断外部快速电磁阀及驱动电路完好性。

优选地，所述脉宽调制驱动电路还包括电压偏置电路，由二极管D2、D3、电阻R11、R13、R14、R20、R21、电容C4构成；二极管D3的正极连接一二极管D2的负极以及一电容C4一端，电容C4另一端接V4的集电极，D2的正极连接一电阻R20的一端，R20另一端接地，D3的负极连接一电阻R21的一端，R21另一端连接V3的基极一电阻R13一端，以及一电阻R14一端，R14另一端接-12V电源，R13另一端接V3的集电极。

优选地，所述自检指令为高电平。

(三)有益效果

本发明所提供的脉宽调制驱动电路，可以实现对发动机燃油调节器快速电磁阀的驱动。通过区分强激励电流和维持电流，降低在维持电磁阀通电时的功率消耗。通过在基频中加入高频载波降低快速电磁阀通电时的整体功耗。具有快速电磁阀的过流保护功能，迅速关断驱动电路输出。通过自诊断电路，确保发动机工作前能对电磁阀线圈和驱动电路迅速作出诊断，同时实现发动机工作时实时监测电磁阀的工作状态。

附图说明

图1是本发明的电路原理框图；

图2是本发明的电路图；

图3是快速电磁阀驱动电流波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参照图1所示，本实施例脉宽调制驱动电路包括：积分式脉宽脉频调制电路、输出载波振荡电路、输出驱动及保护电路、自诊断电路、监测电路。积分式脉宽脉频调制电路用于将输入的直流电压信号转换成宽度和频率可调的脉冲信号；输出载波振荡电路用于将所述脉冲信号的高电平半周上产生高频载波脉冲；输出驱动及保护电路用于给作为负载的快速电磁阀提供足够的电流，同时当快速电磁阀出现过流时起到保护作用；监测电路是用于将驱动快速电磁阀的占空比信号转化成比例的电压信号，实时监测快速电磁阀的工作状态；自诊断电路结合监测电路用于实现对快速电磁阀的断路检查、驱动电路完好性检查。

其中，所述的脉宽调制驱动电路可区分快速电磁阀强激励电流和维持电流，降低在维持电磁阀通电时的功率消耗，通过在基频中加入高频载波，降低快速电磁阀通电时的整体功耗，该电路还具备快速电磁阀及驱动电路的故障检测能力，在工作前自检过程中，通过施加高电平的自检信号并结合监测数据判断，实现对外围快速电磁阀断路故障诊断及驱动电路的完好性检测，还具备快速电磁阀的过流保护功能，当电磁阀的电流过大，迅速关断驱动电路输出，保护快速电磁阀及驱动电路。

如图2所示，积分式脉宽脉频调制电路(积分式脉冲宽度、脉冲频率调制电路)是由运放N1、三极管V1、V2和相关的阻容器件(包括电容C1)组成，其中输入直流电压Ui通过一电阻R1连接运放N1的反向输入端(反相端)，运放N1的同相输入端(同相端)接地，电容C1接在运放N1的反相输入端与输出端之间，运放N1输出端通过一电阻R4连接三极管V1的基极，而三极管V1的集电极通过一电阻R8连接三极管V2的基极，运放V2的基极通过一电阻R9接+12V电源。运放N1的反相输入端与三极管V2的集电极之间连接一电阻R5，三极管V2的集电极连接一电阻R10一端，电阻R10另一端连接一电阻R11一端，电阻R11另一端连接一三极管V3的发射极，V3的集电极接地。

运放N1和电容C1构成积分器，正向积分时，所述积分器输出电压升高到三极管V1的开启电压，使三极管V1开始导通，此时三极管V2的基极端Vp点电位由+12V通过电阻R8、R9分压决定，使得三极管V3立即导通，电阻R10与R11的连接点B点输出为高电平。这时所述积分器通过电阻R5开始反向积分，当积分器输出电压降低，三极管V1截止，Vp点电位变为+12V，三极管V2开始截止。

当输入直流电压Ui偏离零点为正值或负值时，可以改变所述积分器的积分电流，从而改变积分时间，使积分式脉宽脉频调制电路的输出点B点的波形为宽度、频率可调的脉冲电压信号。

输出载波振荡电路包括运放N2、电阻R15、R16、R17、R18、R19、电容C3。其中运放N2为比较器，电阻R19和电容C3为微分电路，构成正反馈回路，用于加速比较器N2的状态转换。电阻R18一端输入自检指令，另一端连接三极管V1的基极，电阻R15一端连接点B，另一端连接运放N2的同相输入端、R16一端、R17一端以及R19一端，R16另一端连接-12V电源，R17另一端接地，电阻R19另一端连接电容C3一端，电容C3另一端连接运放N2的输出端。

当B点脉冲输入信号为低电平时，运放N2的同相端小于反相端，运放N2输出端C点为负的饱和电压，此时输出驱动及负载电路中三极管V4、V5、V6截止，运放N2的反相端为0V，同相端小于0V，运放N2的输出C点输出负饱和电压不变。

当B点的脉冲输入信号为高电平，运放N2的同相端大于反相端，运放N2的输出端C点为正的饱和电压，这时输出驱动及负载电路中三极管V4、V5、V6导通，感性负载使得电阻R26上的电压缓慢上升，并通过R18和电容C5使得运放N2的反相端电压上升，同时C点输出正饱和电压，通过电阻R19和电容C3放电，使得运放N2的同相端电压下降。当同相端稍小于反相端时，运放N2状态翻转，C点输出由正饱和电压变为负饱和电压，使输出驱动及负载电路中三极管V4、V5、V6截止，电阻R26上的电压变为零电位，这时电容C5通过电阻R18放电，使得运放N2的反相端缓慢下降。当运入N2的同相端稍小于反相端时，运放N2状态翻转，C点输出由负饱和电压变为正饱和电压，如此循环往复，完成当B点为高电平时C点输出的振荡过程。

三极管V4、V5、V6、二极管D4和电阻R22～R28组成了输出驱动及负载电路。二极管D4一端连接三极管V4的基极，并通过一电阻R22连接C点，另一端连接三极管V4的发射极、三极管V5的基极以及电阻R24的一端，三极管V5的发射极连接R24另一端、三极管V6的基极以及电阻R25的一端，R25另一端连接电阻R26。三极管V4的集电极通过电阻R23接+12V电源，V5的集电极通过电阻R27连接+27V电源，V6的集电极连接电阻R28一端，电阻R28另一端通过一二极管D5连接+27V电源。电阻R28一端及+27V电源之间连接负载快速电磁阀。电阻R28和二极管D5组成了所述快速电磁阀的续流回路。

当运放N2输出C点为高电平，三极管V4、V5、V6均导通，C点的高电平通过V4、V5、V6和R26到地形成回路，+27V通过负载快速电磁阀、V6、R26与地形成回路，输出驱动端(快速电磁阀的2端)为低电平。

当运放N2输出C点为负电平，三极管V4、V5、V6均截止，C点的负电平通过二极管D4、电阻R24、R25、R26到地形成回路，这时负载快速电磁阀中的能量可以通过电阻R28、二极管D5与+27V形成释放回路，输出驱动端(快速电磁阀的2端)为高电平。

当快速电磁阀通电工作异常时，流进采样电阻R26的电流过大，三极管V6的发射极电压升高，使运放N2输出高电平，三极管V4、V5、截止，从而使三极管V6截止，保护快速电磁阀。

二极管D6、D7，三极管V7、三极管V7、运放N3及相关阻容器件等构成监测电路。V6的集电极通过一电容C5连接D6的正极、D7的负极，D6的负极通过一电阻R27’连接+12V电源，D7的正极连接一电阻R28’的一端，R28’另一端通过一电容C6连接+12V电源，还通过一电阻R29连接V7的基极，V7的集电极连接一二极管D8的正极，D8负极连接一电阻R31一端，R31另一端连接一电阻R32一端，R32另一端连接R33一端，R33另一端连接一电阻R34一端，R34另一端连接一电阻R35一端，以及运放N3的同相端，运放N3的反向端连接其输出端以及遥测设备。

输出载波振荡电路处于高电平半周时，通过电容C5的耦合作用，电阻R28’和电容C6的对高频信号整流滤波，使得三极管V7的基极电压降低，将三极管V7导通。三极管V7为检波电路，将三极管V6集电极的快速电磁阀驱动信号的包络检出，三极管V7的集电极获得与三级管V6集电极近似的方波。再经过二极管D8、D9及电阻R31、R32、R33、R34、R35和电容C7、C8组成π形滤波电路进一步平滑后，在运放N3的同相端得到直流电压，最后经运放N3构成的电压跟随器输出至遥测设备。

电阻R18组成了自诊断电路，当自检指令(高电平)通过电阻R18强行给V1的基极D点输入高电平，不论脉宽脉频调制电路此时是何种状态，都强制三极管V4、V5、V6始终导通，可通过运放N3的输出电压判断外部快速电磁阀及驱动电路完好性。

二极管D3的正极连接一二极管D2的负极以及一电容C4一端，电容C4另一端接V4的集电极，D2的正极连接一电阻R20的一端，R20另一端接地，D3的负极连接一电阻R21的一端，R21另一端连接V3的基极一电阻R13一端，以及一电阻R14一端，R14另一端接-12V电源，R13另一端接V3的集电极。二极管D2、D3、电阻R11、R13、R14、R20、R21、电容C4构成了电压偏置电路。当积分式脉宽脉频调制电路的输出B点为低电平时，电压偏置电路不起作用，当B点为高电平时，通过引入电压偏置电路降低维持电流的大小。如图3所示，原理如下：

当积分式脉宽脉频调制电路的输出B点为低电平时，输出载波振荡电路输出C点为负饱和，此时输出驱动及负载电路中三极管V4截止，三极管V3基极偏置电路的输入M点浮空，三极管V3的基极电流取决于-12V通过R13、R14分压值，此时三极管V3可靠截止。

当积分式脉宽脉频调制电路的输出B点为高电平时，输出载波振荡电路输出C点为振荡脉冲方波，这时输出驱动及负载电路中三极管V4处于导通和截止的振荡过程，三极管V3基极偏置电路的输入点M耦合产生正、负相间的脉冲信号，经半波整流滤波后，在三极管V3基极得到一个直流电压，使得三极管V3导通，同时改变电阻R10、R11的阻值，调节B点的电压值，实现对驱动电流中维持电流大小的调节。

由上述技术方案可以看出，本发明可以实现快速电磁阀的功率驱动，将直流输入信号转换成可用的占空比信号；并且通过区分强激励电流和维持电流，以及在基频中加入高频载波降低快速电磁阀的整体功耗。而且具有快速电磁阀的过流保护功能，以及对快速电磁阀及驱动电路的完好性检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种脉宽调制驱动电路，其特征在于，包括：积分式脉宽脉频调制电路、输出载波振荡电路、输出驱动及保护电路、自诊断电路、监测电路；所述积分式脉宽脉频调制电路用于将输入的直流电压信号转换成宽度和频率可调的脉冲信号；输出载波振荡电路用于将所述脉冲信号的高电平半周上产生高频载波脉冲；输出驱动及保护电路用于给作为负载的快速电磁阀提供足够的电流，同时当快速电磁阀出现过流时起到保护作用；监测电路是用于将驱动快速电磁阀的占空比信号转化成比例的电压信号，实时监测快速电磁阀的工作状态；自诊断电路结合监测电路用于实现对快速电磁阀的断路检查、驱动电路完好性检查；

所述积分式脉宽脉频调制电路包括运放N1、三极管V1、V2和电容C1，其中输入直流电压Ui通过一电阻R1连接运放N1的反相输入端，运放N1的同相输入端接地，电容C1接在运放N1的反相输入端与输出端之间，运放N1输出端通过一电阻R4连接三极管V1的基极，而三极管V1的集电极通过一电阻R8连接三极管V2的基极，运放V2的基极通过一电阻R9接+12V电源，运放N1的反相输入端与三极管V2的集电极之间连接一电阻R5，三极管V2的集电极连接一电阻R10一端，电阻R10另一端连接一电阻R11一端，电阻R11另一端连接一三极管V3的发射极，V3的集电极接地；

所述输出载波振荡电路包括运放N2、电阻R15、R16、R17、R18、R19、电容C3，其中运放N2为比较器，电阻R19和电容C3为微分电路，构成正反馈回路，用于加速比较器N2的状态转换，电阻R18一端输入自检指令，另一端连接三极管V1的基极，电阻R15一端连接点B，另一端连接运放N2的同相输入端、R16一端、R17一端以及R19一端，R16另一端连接-12V电源，R17另一端接地，电阻R19另一端连接电容C3一端，电容C3另一端连接运放N2的输出端；

所述输出驱动及负载电路包括三极管V4、V5、V6、二极管D4和电阻R22～R28，二极管D4一端连接三极管V4的基极，并通过一电阻R22连接C点，另一端连接三极管V4的发射极、三极管V5的基极以及电阻R24的一端，三极管V5的发射极连接R24另一端、三极管V6的基极以及电阻R25的一端，R25另一端连接电阻R26，三极管V4的集电极通过电阻R23接+12V电源，V5的集电极通过电阻R27连接+27V电源，V6的集电极连接电阻R28一端，电阻R28另一端通过一二极管D5连接+27V电源，电阻R28一端及+27V电源之间连接负载快速电磁阀，电阻R28和二极管D5组成了所述快速电磁阀的续流回路；

所述监测电路包括二极管D6、D7，三极管V7、三极管V7、运放N3及相关阻容器件；V6的集电极通过一电容C5连接D6的正极、D7的负极，D6的负极通过一电阻R27’连接+12V电源，D7的正极连接一电阻R28’的一端，R28’另一端通过一电容C6连接+12V电源，还通过一电阻R29连接V7的基极，V7的集电极连接一二极管D8的正极，D8负极连接一电阻R31一端，R31另一端连接一电阻R32一端，R32另一端连接R33一端，R33另一端连接一电阻R34一端，R34另一端连接一电阻R35一端，以及运放N3的同相端，运放N3的反向端连接其输出端；

所述电阻R18实现所述自诊断电路的功能，当自检指令通过电阻R18强行给V1的基极D点输入高电平，不论脉宽脉频调制电路此时是何种状态，都强制三极管V4、V5、V6始终导通，可通过运放N3的输出电压判断外部快速电磁阀及驱动电路完好性；

所述脉宽调制驱动电路还包括电压偏置电路，由二极管D2、D3、电阻R11、R13、R14、R20、R21、电容C4构成；二极管D3的正极连接一二极管D2的负极以及一电容C4一端，电容C4另一端接V4的集电极，D2的正极连接一电阻R20的一端，R20另一端接地，D3的负极连接一电阻R21的一端，R21另一端连接V3的基极一电阻R13一端，以及一电阻R14一端，R14另一端接-12V电源，R13另一端接V3的集电极。

2.如权利要求1所述的脉宽调制驱动电路，其特征在于，所述自检指令为高电平。

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