CN112576803A - 一种功率电磁阀自适应驱动系统及驱动方法 - Google Patents

一种功率电磁阀自适应驱动系统及驱动方法 Download PDF

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谭晟吉
李彦平
张雄林
蒲永材
王文俊
刘杰
尹得智
吴昌昊
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Abstract

本发明公开了一种功率电磁阀自适应驱动系统及驱动方法，驱动系统包括主控制器、功率电磁阀和静态电阻检测模块；当功率电磁阀启动时，主控制器发出第一控制指令，第一控制指令用于静态电阻检测模块输出第一电压值；主控制器根据第一电压值获取功率电磁阀的静态电阻阻值，并根据静态电阻阻值发出第二控制指令，第二控制指令用于静态电阻检测模块输出用于驱动功率电磁阀启动的第二电压值。本发明的目的在于提供一种功率电磁阀自适应驱动系统及驱动方法，引入了静态电阻检测模块，在功率电磁阀启动瞬间对功率电磁阀的静态电阻情况进行检测，使得在安全低压供电情况下，能够预先了解功率电磁阀的状态，对接下来系统的运行起到指导作用。

Description

一种功率电磁阀自适应驱动系统及驱动方法
技术领域
本发明涉及功率电磁阀技术领域，具体涉及一种功率电磁阀自适应驱动系统及驱动方法。
背景技术
常规电磁阀驱动电路通常是一个高位直流驱动电源加上一个次高位直流维持电源作为整个电路的驱动源，其高位直流驱动电源在启动前期对电磁阀的供电，使驱动电流达到足以激活电磁阀的状态，次高位直流驱动电源在电磁阀已激活后负责维持电磁阀的激活状态即可，其功能框图如图1所示。
而功率电磁阀在不同环境温度下表现出的静态电阻是不一样的，当功率电磁阀工作在高温环境中，此时的静态电阻相比常温下的静态电阻会有较大增幅，在数百摄氏度的极端情况下其静态电阻甚至能达到常温下静态电阻的1.5倍到2倍。
而常规电磁阀驱动电路只能提供两种幅值的驱动电源，不能适应功率电磁阀在不同环境温度下静态电阻差异较大而引入的节能驱动问题，若使用上述驱动电路将导致如下情况：
(1)为满足图2所示的Imax值，当功率电磁阀的静态电阻较大时，大部分能量用于驱动电磁阀，只有少许能量在恒流MOSFET上以漏源电压的形式损耗；
(2)为满足图2所示的Imax值，当功率电磁阀的静态电阻较小时，只有一部分能量用于驱动电磁阀，还有相当大一部分能量在恒流MOSFET上以漏源电压的形式损耗，导致恒流MOSFET结温迅速升高，极端情况下会烧毁恒流MOSFET。
因此，这种驱动电路运用于功率电磁阀的驱动时，弊端明显。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率电磁阀自适应驱动系统及驱动方法，引入了静态电阻检测模块，在功率电磁阀启动瞬间对功率电磁阀的静态电阻情况进行检测，使得在安全低压供电情况下，能够预先了解功率电磁阀的状态，对接下来系统的运行起到指导作用。
本发明通过下述技术方案实现：
一种功率电磁阀自适应驱动系统，包括主控制器、功率电磁阀和静态电阻检测模块；
当所述功率电磁阀启动时，所述主控制器发出第一控制指令，所述第一控制指令用于所述静态电阻检测模块输出第一电压值；其中，所述第一电压值小于所述功率电磁阀的驱动电压值且所述第一电压值大于0；
所述主控制器根据所述第一电压值获取所述功率电磁阀的静态电阻阻值，并根据所述静态电阻阻值发出第二控制指令，所述第二控制指令用于所述静态电阻检测模块输出第二电压值，其中，所述第二电压值用于驱动所述功率电磁阀启动
优选地，所述静态电阻检测模块包括可调驱动电源、采样电阻以及模数转换器芯片；
所述可调驱动电源，用于根据所述第一控制指令输出所述第一电压值或根据所述第二控制指令输出所述第二电压值；
所述采样电阻，用于获取驱动系统的电流值；
所述模数转换器芯片，用于获取所述功率电磁阀的静态电阻阻值。
优选地，所述静态电阻阻值由下式获取：
Figure BDA0002851707020000021
其中，Rx表示所述静态电阻，U1表示所述第一电压值，U0表示所述采样电阻的电压值，R表示所述采样电阻。
优选地，所述静态电阻检测模块还包括静态辅助电源、开关功率MOS管Q1和开关功率MOS管Q2；
所述静态辅助电源用于输出第三电压值，所述第三电压值小于所述功率电磁阀的驱动电压值且所述第三电压值大于所述开关功率MOS管Q2的导通电压值；
所述开关功率MOS管Q1用于控制所述可调驱动电源与所述功率电磁阀的导通或关断；
所述开关功率MOS管Q2用于控制所述静态辅助电源与所述功率电磁阀的导通或关断；
当所述可调驱动电源输出第一电压值，所述静态辅助电源输出第三电压值时，所述开关功率MOS管Q1处于截止状态，所述开关功率MOS管Q2处于导通状态；当所述可调驱动电源输出第二电压值，所述静态辅助电源输出第三电压值时，所述开关功率MOS管Q1处于导通状态，所述开关功率MOS管Q2处于截止状态。
优选地，还包括恒流控制电路模块，当所述功率电磁阀启动时，所述恒流控制电路模块根据第三控制指令控制所述驱动电路的电流值；
其中，所述第三控制指令为所述主控制器发出的恒流控制信号。
一种如上所述的一种功率电磁阀自适应驱动系统的驱动方法，包括以下步骤：
S1：获取功率电磁阀的静态电阻阻值；
S2：根据所述静态电阻阻值生成第二控制指令，所述第二控制指令用于所述静态电阻检测模块输出第二电压值，所述第二电压值用于驱动所述功率电磁阀启动。
优选地，所述S1包括以下子步骤：
S11：生成第一控制指令，所述第一控制指令用于静态电阻检测模块输出第一电压值；其中，所述第一电压值小于所述功率电磁阀的驱动电压值且所述第一电压值大于0；
S12：根据所述第一电压值获取所述功率电磁阀的静态电阻阻值。
优选地，由下式获取所述静态电阻阻值：
Figure BDA0002851707020000031
其中，Rx表示所述静态电阻，U1表示所述第一电压值，U0表示采样电阻的电压值，R表示采样电阻。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、引入了静态电阻检测模块，在功率电磁阀启动瞬间对功率电磁阀的静态电阻情况进行检测，使得在安全低压供电情况下，能够预先了解功率电磁阀的状态(静态电阻大小以及是否短路或虚短等情况)，对接下来系统的运行(输出对应所需的供电电源或者采取保护措施)起到指导作用；
2、引入了可调驱动电源，使驱动电源能够受主控制器程控操作，根据实际情况对电源输出值进行调整；
3、在静态电阻检测阶段由静态辅助电源提供低压供电电压，而在正常激活和保持阶段由可调驱动电源提供数百伏的高压供电电压，可有效降低工程难度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为常规电磁阀驱动电路原理框图；
图2为电磁阀驱动电流波形图；
图3为本发明一种功率电磁阀自适应节能驱动电路原理框图；
图4为本发明另一种功率电磁阀自适应节能驱动电路原理框图；
图5为恒流控制电路结构示意图。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种功率电磁阀自适应驱动系统，如图3所示，包括主控制器、功率电磁阀、可调驱动电源、采样电阻以及模数转换器芯片；
当功率电磁阀启动时，主控制器发出第一控制指令，第一控制指令用于可调驱动电源输出第一电压值，并在采样电阻上形成一个较小的电压差，主控制器根据第一电压值和电压差获取功率电磁阀的静态电阻阻值，并根据静态电阻阻值发出第二控制指令，第二控制指令用于可调驱动电源输出用于驱动当前静态电阻阻值下功率电磁阀启动的第二电压值。
其中，第一电压值小于功率电磁阀的驱动电压值且第一电压值大于0；静态电阻阻值由下式获取：
Figure BDA0002851707020000041
其中，Rx表示静态电阻，U1表示第一电压值，U0表示采样电阻的电压值，R表示采样电阻。
常规电磁阀驱动电路只能提供两种幅值的驱动电源，不能适应功率电磁阀在不同环境温度下静态电阻差异较大而引入的节能驱动问题，因此在本方案中，针对功率电磁阀在不同环境温度下静态电阻差异较大的特性，对功率电磁阀的驱动电路进行合理设计优化，以实现系统启动瞬间完成对功率电磁阀静态电阻阻值的快速检测，从而得到当前状态下的静态电阻阻值下，并根据当前状态下的静态电阻阻值下计算出功率电磁阀所需的大小适当的驱动电源。由于功率电磁阀在不同环境温度下静态电阻差异较大，因此，本申请的技术方案特别适用于功率电磁阀所处环境温差较大或者环境十分严苛(可能导致功率电磁阀短路等)的应用场景。
进一步地，如图2所示，其中，Imax为电磁阀激活电流值，Imin为电磁阀保持电流值，t1～t2为激活电流建立时间，t2～t3为电磁阀激活时间，t3～t4为激活状态到保持状态的转换时间，t4～tn0为电磁阀保持时间，tn1～tn2为电磁阀关闭时间。
对于应用要求不高的电磁阀驱动电路来说，通常可直接用驱动电源向电磁阀负载供电，通过电磁阀自身的阻抗特性形成驱动电流工作。但对于功率电磁阀来说，由于其自身的阻抗分量在冷态和热态状态下相差较大，进而导致在相同供电情况下冷态和热态驱动电流差异性较大的问题。因此不能通过上述方式进行简单驱动，因此在本实施例中，还设置有恒流控制电路模块，如图4所示，当功率电磁阀启动时，恒流控制电路模块根据第三控制指令控制驱动电路的电流值，对输出电流进行严格控制，使输出电流在冷态或热态状态下保持一致。从而使得整个驱动过程的电流刚好满足功率电磁阀的驱动电流波形图，以避免多余的能量以漏源电压的形式消耗在场效应管中的情况，有效提高对能源的利用率，且降低了对给定场效应管的热应力要求。其中，第三控制指令为主控制器发出的恒流控制信号。
实施例2
由于实施例1中的可调驱动电源长期处于输出供电状态，如果该驱动电路刚好在启动瞬间(正好是对功率电磁阀的静态电阻进行检测的阶段)失效，即：可调驱动电源输出异常电源电压，很可能会对后级的功率电磁阀和恒流控制电路模块造成毁灭性的损害。因此考虑到安全应用问题，本实施例在实施例1的基础上添加安全的静态辅助电源作为静态电阻检测阶段的供电电源使用。
在本实施例中，如图5所示，功率电磁阀自适应节能驱动系统包括主控制器、可调驱动电源、开关功率MOS管Q1、静态辅助电源、开关功率MOS管Q2、功率电磁阀、恒流控制电路、采样电阻以及模数转换器芯片。其中，静态辅助电源的输出电压是固定不变的，一直保持输出状态，且输出的电压值小于功率电磁阀的驱动电压值，即：静态辅助电源的实际驱动能力远远不够，以保证对功率电磁阀静态电阻的检测的同时不影响实际驱动功能。
当功率电磁阀启动时，主控制器通过控制可调驱动电源中的数模转换器，使可调驱动电源输出第一电压值，同时为了使得只有一个电源作用于功率电磁阀上，第一电压值应小于开关功率MOS管Q1的导通电压值，作为优选地，第一电压值为0V。此时开关MOS管Q2导通，开关MOS管Q1截止，由静态辅助电源作为功率电磁阀的驱动电源使用，并在采样电阻上形成一个较小的电压差△V，从而可根据采样电阻R上的电压差△V和静态辅助电源的输出电压V推算出此时的电磁阀的静态电阻值：Rx＝(V-△V)/(△V/R)。主控制器通过模数转换器回采得到功率电磁阀的静态电阻数据后，带入环路控制算法中计算得到此时功率电磁阀所需的驱动电压值Vdrive，Vdrive＝Rload*I+△V，其中，I为既定的驱动电流；此后主控制器立即生成第二控制指令，以控制可调驱动电源的数模转换器产生如图4所示的V_REF参考电压，从而控制恒流MOS管的栅极电压保持稳定并使恒流MOS管工作于饱和工作状态，使流经恒流MOS管漏极和源极的电流保持恒定输出对应驱动电压的参考电压值，并且一旦可调驱动电源的输出电压大于静态辅助电源的输出电压，此时开关MOS管Q1导通，开关MOS管Q2将截止，整个运行电路切换为由可调驱动电源向功率电磁阀供给安全有效且大小合适的驱动电源。
使用如上所述的一种功率电磁阀自适应驱动系统的驱动方法，包括以下步骤：
S1：获取功率电磁阀的静态电阻阻值；
具体地，主控制器发出第一控制指令，第一控制指令作用于静态电阻检测模块，以使得静态电阻检测模块输出第一电压值；其中，为了准确的获取功率电磁阀的静态电阻阻值，第一电压值应小于功率电磁阀的驱动电压值且大于0，从而使得能在采样电阻上形成一个小的电压差，并按照下式获取功率电磁阀的静态电阻阻值：
Figure BDA0002851707020000061
其中，Rx表示静态电阻，U1表示第一电压值，U0表示采样电阻的电压值，R表示采样电阻。
S2：根据静态电阻阻值生成第二控制指令，第二控制指令作用于静态电阻检测模块，以使得静态电阻检测模块输出第二电压值，第二电压值用于驱动当前静态电阻阻值下的功率电磁阀启动。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种功率电磁阀自适应驱动系统，其特征在于，包括主控制器、功率电磁阀和静态电阻检测模块；
当所述功率电磁阀启动时，所述主控制器发出第一控制指令，所述第一控制指令用于所述静态电阻检测模块输出第一电压值；其中，所述第一电压值小于所述功率电磁阀的驱动电压值且所述第一电压值大于0；
所述主控制器根据所述第一电压值获取所述功率电磁阀的静态电阻阻值，并根据所述静态电阻阻值发出第二控制指令，所述第二控制指令用于所述静态电阻检测模块输出第二电压值，其中，所述第二电压值用于驱动所述功率电磁阀启动。
2.根据权利要求1所述的一种功率电磁阀自适应驱动系统，其特征在于，所述静态电阻检测模块包括可调驱动电源、采样电阻以及模数转换器芯片；
所述可调驱动电源，用于根据所述第一控制指令输出所述第一电压值或根据所述第二控制指令输出所述第二电压值；
所述采样电阻，用于获取驱动系统的电流值；
所述模数转换器芯片，用于获取所述功率电磁阀的静态电阻阻值。
3.根据权利要求2所述的一种功率电磁阀自适应驱动系统，其特征在于，所述静态电阻阻值由下式获取：
Figure FDA0002851707010000011
其中，Rx表示所述静态电阻，U1表示所述第一电压值，U0表示所述采样电阻的电压值，R表示所述采样电阻。
4.根据权利要求2所述的一种功率电磁阀自适应驱动系统，其特征在于，所述静态电阻检测模块还包括静态辅助电源、开关功率MOS管Q1和开关功率MOS管Q2；
所述静态辅助电源用于输出第三电压值，所述第三电压值小于所述功率电磁阀的驱动电压值且所述第三电压值大于所述开关功率MOS管Q2的导通电压值；
所述开关功率MOS管Q1用于控制所述可调驱动电源与所述功率电磁阀的导通或关断；
所述开关功率MOS管Q2用于控制所述静态辅助电源与所述功率电磁阀的导通或关断；
当所述可调驱动电源输出第一电压值，所述静态辅助电源输出第三电压值时，所述开关功率MOS管Q1处于截止状态，所述开关功率MOS管Q2处于导通状态；当所述可调驱动电源输出第二电压值，所述静态辅助电源输出第三电压值时，所述开关功率MOS管Q1处于导通状态，所述开关功率MOS管Q2处于截止状态。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种功率电磁阀自适应驱动系统，其特征在于，还包括恒流控制电路模块，当所述功率电磁阀启动时，所述恒流控制电路模块根据第三控制指令控制所述驱动系统的电流值；
其中，所述第三控制指令为所述主控制器发出的恒流控制信号。
6.使用如权利要求1-5中任意一项所述的一种功率电磁阀自适应驱动系统的驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取功率电磁阀的静态电阻阻值；
S2：根据所述静态电阻阻值生成第二控制指令，所述第二控制指令用于所述静态电阻检测模块输出第二电压值，所述第二电压值用于驱动所述功率电磁阀启动。
7.根据权利要求6所述的一种功率电磁阀自适应驱动系统的驱动方法，其特征在于，所述S1包括以下子步骤：
S11：生成第一控制指令，所述第一控制指令用于静态电阻检测模块输出第一电压值；其中，所述第一电压值小于所述功率电磁阀的驱动电压值且所述第一电压值大于0；
S12：根据所述第一电压值获取所述功率电磁阀的静态电阻阻值。
8.根据权利要求7所述的一种功率电磁阀自适应驱动系统的驱动方法，其特征在于，由下式获取所述静态电阻阻值：
Figure FDA0002851707010000021
其中，Rx表示所述静态电阻，U1表示所述第一电压值，U0表示采样电阻的电压值，R表示采样电阻。
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