CN114458813B - 一种应用于高速开关阀的多电压驱动电路及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于高速开关阀的多电压驱动电路及驱动方法。该发明可接收外部控制信号，判断高速开关阀当前工作状态并计算高速开关阀进入下一工作状态的时刻，从而输出相应的信号，驱动高速开关阀，以及当计算出高速开关阀进入下一工作状态时，无需外部控制信号激励，直接输出下一阶段信号，驱动高速开关阀进入下一工作状态，从而减小高速开关阀在开启和关闭阶段的时间延迟。驱动电压包括高驱动电压、低保持电压和负驱动电压，可跟随高速开关阀工作状态的改变而随时更换，不受周期的限制。驱动电压的输出需要两个驱动子模块同时驱动，避免发生误电压输出事故，安全性高。且三种驱动电压的电压值可根据高速开关阀在不同工作条件下的需求进行随时更换，灵活性高。

Description

一种应用于高速开关阀的多电压驱动电路及驱动方法

技术领域

本发明涉及高速开关阀技术领域，特别涉及一种高速开关阀多电压驱动电路及方法。

背景技术

高速开关阀以其抗污染、无零漂、无泄漏、重复性好等特点，而被广泛应用于航空发动机、飞机刹车及汽车液压制动等领域。其通常由脉宽调制(PWM)数字信号驱动，但受电磁铁和阀制造的影响，实际的阀芯位移不会完全跟随脉宽调制信号，尤其在开启和关闭阶段会存在时间延迟。因此，有必要对高速开关阀的动态性能进行优化。

中国专利申请CN105805392公开的一种提升高速开关电磁阀响应速度的控制方法、CN105443840A公开的一种电磁阀智能控制系统及其方法和 CN105676690A公开的一种基于电压脉宽调制的电磁阀智能控制系统及其方法，均针对高速开关阀的响应速度提出控制系统和方法，缺少对其专用电路的设计。中国专利申请CN108518520A公开的一种电磁式高速开关阀的双电压驱动电路，对高速开关阀的驱动过程提供双电压，缺少加速高速开关阀关闭的功能，且驱动电路的输出只依靠外部信号，自动化程度较低。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供的应用于高速开关阀的多电压驱动电路可采用以下技术方案：

一种应用于高速开关阀的多电压驱动电路，包括：电源模块，信号接收模块，信号处理模块，以及信号驱动模块；

电源模块用以给信号接收模块、信号处理模块以及信号驱动模块供电；

信号接收模块用于接收外部控制信号，并对外部控制信号进行滤波、缩放至所述信号处理模块的额定输入电压，输出处理后控制信号；

信号处理模块的输入端与信号接收模块的输出端连接，信号处理模块用于处理信号接收模块传递的信息，输出驱动信号；

信号驱动模块的输入端与信号处理模块的输出端连接，信号驱动模块的输出端与高速开关阀的输入端连接，所述信号驱动模块包括五个驱动子模块，分别为第一驱动子模块、第二驱动子模块、第三驱动子模块、第四驱动子模块以及第五驱动子模块，五个所述驱动子模块的输入端并联连接于信号处理模块的输出端，所述第一驱动子模块、第二驱动子模块、第三驱动子模块并联连接于高速开关阀线圈正极，所述第四驱动子模块、第五驱动子模块并联连接于高速开关阀线圈负极，第一驱动子模块与第五子模块组成高电压电路回路用以输出高电平电压，第二驱动子模块与第五子模块组成低电压电路回路用以输出低电平电压，第四驱动子模块与第三子模块组成负电压电路回路用以输出负电平电压。

进一步的，所述电源模块包括高电平电压源、低电平电压源、负电平电压源以及芯片供电电压源。

进一步的，所述信号处理模块包括微处理器和I/O输入输出接口。

进一步的，所述信号处理模块输出处理后的外部控制信号，判断高速开关阀当前的工作状态，并计算高速开关阀进入下一工作状态的时刻，当计算出高速开关阀进入下一工作状态时，无需外部控制信号激励，直接输出下一阶段的输出驱动信号。

进一步的，每个所述驱动子模块均包括光耦放大模块和MOS管驱动模块，所述光耦放大模块的输入端与信号处理模块的输出端连接，光耦放大模块用于对所述驱动信号进行隔离、放大，输出放大后的驱动信号；所述MOS管驱动模块的输入端与光耦放大模块的输出端连接，MOS管驱动模块的输出端与高速开关阀的输入端连接，MOS管驱动模块用于传输放大后的驱动信号。

进一步的，所述光耦放大模块包括：光耦合器OE1、电阻R1、电阻R2、电阻R3，电容C1、电容C2、电压源U1、电压源U2以及地线；

其中，光耦合器OE1的Cathode端与信号处理模块的输出端连接，光耦合器 OE1的Anode端通过电阻R1与电压源U1连接，光耦合器OE1的Collector端通过电阻R2与电压源U2连接，光耦合器OE1的Emitter端通过电阻R3与地线连接且并联连接MOS管驱动模块的输入端，电容C1与电压源U1、地线连接，电容 C2与电压源U2、地线连接。

进一步的，所述第一驱动子模块中设置MOS管Q1、电阻R4、电阻R5、电容 C3、高电平电压源U3以及地线，其中电压源U3通过电阻R5与MOS管漏极相连接、MOS管Q1栅极通过电阻R4与位于第一驱动子模块中的光耦放大模块输出端相连接，MOS管Q1源极与高速开关阀线圈正极相连接，电容C3与电压源U3、地线连接；

所述第二驱动子模块中设置MOS管Q2、电阻R6、电阻R7、电容C4、低电平电压源U4以及地线，其中电压源U4通过电阻R7与MOS管Q2漏极相连接，MOS 管Q2栅极通过电阻R6与位于第二驱动子模块的光耦放大模块输出端相连接，MOS 管Q2源极与高速开关阀线圈正极相连接，电容C4与电压源U4、地线连接；

所述第三驱动子模块中设置MOS管Q3、电阻R8以及地线，其中MOS管Q3 漏极与高速开关阀线圈正极相连接，MOS管Q3栅极通过电阻R8与位于第三驱动子模块的光耦放大模块输出端相连接，MOS管Q3源极与地线连接；

所述第四驱动子模块中设置MOS管Q4、电阻R9、电阻R10、电容C5、负电平电压源U5以及地线，其中电压源U5通过电阻R10与MOS管Q4漏极相连接， MOS管Q4栅极通过电阻R9与位于第四驱动子模块的光耦放大模块输出端相连接， MOS管Q4源极与高速开关阀线圈负极相连接，电容C5与电压源U5、地线连接；

所述第五驱动子模块包括MOS管Q5、电阻R11以及地线，其中MOS管Q5漏极与高速开关阀线圈负极相连接，MOS管Q5栅极通过电阻R11与位于第五驱动子模块的光耦放大模块输出端相连接，MOS管Q5源极与地线连接。

进一步的，所述光耦合器OE1为TLP785型号光耦合器。

本发明的有益效果是：可接收并处理外部控制信号，输出相应电平的驱动电压给高速开关阀，以减少高速开关阀的开启和关闭延迟；输出三种驱动电压的电路回路都是由两个驱动子模块组成，需要两个驱动子模块同时驱动才可以输出相应电平的电压，避免发生误电压输出事故，提高安全性能；三种驱动电压的幅值是可以根据高速开关阀在不同工作条件和不同性能要求下更换的，以此扩大高速开关阀的工作范围，提高其适应性，也提高其满足个性化需求的能力。

本发明还提供一种应用于高速开关阀的多电压驱动方法，包括:

当所述外部控制信号是上升沿时，五个所述驱动子模块的MOS管关闭，所述第一驱动子模块与所述第五驱动子模块的MOS管打开，组成高电压电路回路，输出高电平电压，高速开关阀快速打开，并计算高速开关阀进入下一工作状态的时刻；

当高速开关阀进入下一工作状态时，所述外部控制信号仍为高电平，则所述第一驱动子模块的MOS管关闭，所述第二驱动子模块MOS管打开，与所述第五驱动子模块组成低电压电路回路，输出低电平电压，高速开关阀维持开启电流；

当所述外部控制信号是下降沿时，五个所述驱动子模块的MOS管关闭，所述第三驱动子模块与所述第四驱动子模块的MOS管打开，组成负电压电路回路，输出负电平电压，高速开关阀快速关闭，并计算高速开关阀进入下一工作状态的时刻；

当高速开关阀进入下一工作状态时，所述外部控制信号仍为低电平，则五个所述驱动子模块的MOS管关闭，不输出电压，等待所述外部控制信号的下一个上升沿。

本发明中上述驱动方法的有益效果是：通过接收并处理外部控制信号，判断高速开关阀所处状态，并输出相应驱动电压；其中，输出的高电平电压可减少高速开关阀在开启阶段的时间延迟，输出的低电平电压可在保持阀芯最大位置的前提下，减小线圈发热，以及减小在关闭阶段电流降为0的时间，输出的负电平电压可减少在关闭阶段的时间延迟，以此来优化高速开关阀动态性能；根据外部控制信号状态，判断并计算高速开关阀当前工作状态、下一工作状态时刻，实时调整输出的电压，不受周期的限制，实现自动化、灵活化驱动。

附图说明

图1为本发明应用于高速开关阀的驱动电路的模块结构示意图；

图2为本发明应用于高速开关阀的驱动电路中驱动子模块电路的构成示意图；

图3为本发明应用于高速开关阀的驱动电路中光耦放大模块电路的构成示意图；

图4为本发明应用于高速开关阀的驱动方法中驱动电压输出与外部控制信号对比图(举例三种情况)。

具体实施方式

实施例一

一种应用于高速开关阀的多电压驱动电路，如图1所示，包括：电源模块，信号接收模块，信号处理模块，信号驱动模块。电源模块连接信号接收模块、信号处理模块以及信号驱动模块。信号处理模块的输入端与信号接收模块的输出端连接，信号驱动模块的输入端与信号处理模块的输出端连接，信号驱动模块的输出端与高速开关阀的输入端连接；

其中，上述各模块的特点在于：

电源模块包括高电平电压源，低电平电压源，负电平电压源，以及芯片供电电压源，用于给信号接收模块、信号处理模块以及信号驱动模块供电。信号接收模块用于接收外部控制信号，并对外部控制信号进行滤波、缩放至信号处理模块的额定输入电压。信号处理模块包括微处理器和I/O输入输出接口，用于处理来自信号接收模块的信息，并输出驱动信号。信号驱动模块用于接收驱动信号，并输出与驱动信号相对应的电压，以此驱动高速开关阀。

进一步地，信号处理模块可处理来自信号接收模块的信息，判断高速开关阀当前的工作状态，并计算高速开关阀进入下一工作状态的时刻。以此输出相应的驱动信号，当计算出高速开关阀进入下一工作状态时，无需外部控制信号激励，直接输出下一阶段的驱动信号。

进一步地，信号驱动模块由五个驱动子模块组成，如图2所示，分别为第一驱动子模块、第二驱动子模块、第三驱动子模块、第四驱动子模块、以及第五驱动子模块。五个驱动子模块的输入端并联连接于信号处理模块的输出端，第一驱动子模块、第二驱动子模块、第三驱动子模块并联连接于高速开关阀线圈正极，第四驱动子模块、第五驱动子模块并联连接于高速开关阀线圈负极。第一驱动子模块与第五子模块组成高电压电路回路，输出高电平电压，第二驱动子模块与第五子模块组成低电压电路回路，输出低电平电压，第四驱动子模块与第三子模块组成负电压电路回路，输出负电平电压，由此实现高速开关阀的多电压驱动。

进一步地，每个驱动子模块都包括光耦放大模块和MOS管驱动模块，光耦放大模块的输入端与信号处理模块的输出端连接，用于对驱动信号进行隔离、放大，输出放大后驱动信号，MOS管驱动模块的输入端与光耦放大模块的输出端连接， MOS管驱动模块的输出端与高速开关阀的输入端连接，MOS管用于传输放大后驱动信号，MOS管驱动模块对驱动电压的输出起开关作用。

具体的，对于本实施例提供的电路，首先外部控制信号进入信号接收模块，被缩放成信号处理模块可以输入的电压范围(如由5V转为3.3V)，并被输入到信号处理模块。信号处理模块根据接收到的信号，判断高速开关阀目前状态，并输出相应状态下的驱动信号。输出的驱动信号经光耦放大模块被隔离、放大后，进入MOS管驱动模块，控制MOS管的通断。同一条电路回路上的两个驱动子模块中的MOS管都同时打开后，即可输出相应电平的电压。

具体地，光耦放大模块包括：光耦合器OE1，电阻R1、R2、R3，电容C1、 C2，芯片供电电压源U1、U2，以及地线(如图3所示)。

光耦的Cathode端与信号处理模块的输出端连接，光耦的Anode端通过电阻 R1与电压源U1连接，光耦的Collector端通过电阻R2与电压源U2连接，光耦的Emitter端通过电阻R3与地线连接，且并联连接MOS管驱动模块的输入端，电容C1与电压源U1、地线连接，电容C2与电压源U2、地线连接，起滤波作用。

具体地，第一驱动子模块包括MOS管Q1，电阻R4、R5，电容C3，高电平电压源U3以及地线，其中电压源U3通过电阻R5与MOS管漏极相连接，MOS管栅极通过电阻R4与光耦放大模块输出端相连接，MOS管源极与高速开关阀线圈正极相连接，电容C3与电压源U3、地线连接，起滤波作用；第二驱动子模块包括 MOS管Q2，电阻R6、R7，电容C4，低电平电压源U4以及地线，其中电压源U4 通过电阻R7与MOS管漏极相连接，MOS管栅极通过电阻R6与光耦放大模块输出端相连接，MOS管源极与高速开关阀线圈正极相连接，电容C4与电压源U4、地线连接，起滤波作用；第三驱动子模块包括MOS管Q3，电阻R8，以及地线，其中MOS管漏极与高速开关阀线圈正极相连接，MOS管栅极通过电阻R8与光耦放大模块输出端相连接，MOS管源极与地线连接；第四驱动子模块包括MOS管Q4，电阻R9、R10，电容C5，负电平电压源U5以及地线，其中电压源U5通过电阻 R10与MOS管漏极相连接，MOS管栅极通过电阻R9与光耦放大模块输出端相连接， MOS管源极与高速开关阀线圈负极相连接，电容C5与电压源U5、地线连接，起滤波作用；第五驱动子模块包括MOS管Q5，电阻R11，以及地线，其中MOS管漏极与高速开关阀线圈负极相连接，MOS管栅极通过电阻R11与光耦放大模块输出端相连接，MOS管源极与地线连接。

优选地，光耦合器OE1为TLP785型号光耦合器。

本实施例可接收并处理外部控制信号，经微处理器判断后，输出相应电平的驱动电压给高速开关阀，以减少高速开关阀的开启和关闭延迟；并计算高速开关阀进入下一工作状态的时刻，当到达下一工作状态时，无需外部控制信号激励，直接输出下一阶段信号，驱动高速开关阀进入下一工作状态；输出三种驱动电压的电路回路都是由两个驱动子模块组成，需要两个驱动子模块同时驱动才可以输出相应电平的电压，避免发生误电压输出事故，提高安全性能。三种驱动电压的幅值是可以根据高速开关阀在不同工作条件和不同性能要求下更换的，以此扩大高速开关阀的工作范围，提高其适应性，也提高其满足个性化需求的能力。

实施例二

一种应用于高速开关阀的多电压驱动方法，如图4所示，包括:

当外部控制信号是上升沿时，五个驱动子模块的MOS管关闭，第一驱动子模块与第五驱动子模块的MOS管打开，组成高电压电路回路，输出高电平电压，此时高速开关阀快速打开，并计算高速开关阀进入下一工作状态的时刻；

当高速开关阀进入下一工作状态时，外部控制信号仍为高电平(即外部控制信号输出高电平的时间超过高速开关阀完全打开的时间t1)，则第一驱动子模块的MOS管关闭，第二驱动子模块MOS管打开，与第五驱动子模块组成低电压电路回路，输出低电平电压，高速开关阀维持开启电流；

当外部控制信号是下降沿时，五个驱动子模块的MOS管关闭，第三驱动子模块与第四驱动子模块的MOS管打开，组成负电压电路回路，输出负电平电压，高速开关阀快速关闭，并计算高速开关阀进入下一工作状态的时刻；

当高速开关阀进入下一工作状态时，外部控制信号仍为低电平，即(外部控制信号输出低电平的时间超过高速开关阀完全关闭的时间t2)，则五个驱动子模块的MOS管关闭，不输出电压，等待外部控制信号的下一个上升沿。

本实施例可通过接收并处理外部控制信号，判断高速开关阀所处状态，并输出相应驱动电压；其中，输出的高电平电压可减少高速开关阀在开启阶段的时间延迟，输出的低电平电压可在保持阀芯最大位置的前提下，减小线圈发热，以及减小在关闭阶段电流降为0的时间，输出的负电平电压可减少在关闭阶段的时间延迟，以此来优化高速开关阀动态性能；根据外部控制信号状态，可实时调整输出的电压，不受周期的限制，实现灵活化驱动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于高速开关阀的多电压驱动电路，其特征在于，包括：电源模块，信号接收模块，信号处理模块，以及信号驱动模块；

电源模块用以给信号接收模块、信号处理模块以及信号驱动模块供电；

信号接收模块用于接收外部控制信号，并对外部控制信号进行滤波、缩放至所述信号处理模块的额定输入电压，输出处理后控制信号；

信号处理模块的输入端与信号接收模块的输出端连接，信号处理模块用于处理信号接收模块传递的信息，输出驱动信号；

信号驱动模块的输入端与信号处理模块的输出端连接，信号驱动模块的输出端与高速开关阀的输入端连接，所述信号驱动模块包括五个驱动子模块，分别为第一驱动子模块、第二驱动子模块、第三驱动子模块、第四驱动子模块以及第五驱动子模块，五个所述驱动子模块的输入端并联连接于信号处理模块的输出端，所述第一驱动子模块、第二驱动子模块、第三驱动子模块并联连接于高速开关阀线圈正极，所述第四驱动子模块、第五驱动子模块并联连接于高速开关阀线圈负极，第一驱动子模块与第五子模块组成高电压电路回路用以输出高电平电压，第二驱动子模块与第五子模块组成低电压电路回路用以输出低电平电压，第四驱动子模块与第三子模块组成负电压电路回路用以输出负电平电压。

2.根据权利要求1所述的多电压驱动电路，其特征在于，所述电源模块包括高电平电压源、低电平电压源、负电平电压源以及芯片供电电压源。

3.根据权利要求1所述的多电压驱动电路，其特征在于，所述信号处理模块包括微处理器和I/O输入输出接口。

4.根据权利要求3所述的多电压驱动电路，其特征在于，所述信号处理模块输出处理后的外部控制信号，判断高速开关阀当前的工作状态，并计算高速开关阀进入下一工作状态的时刻，当计算出高速开关阀进入下一工作状态时，无需外部控制信号激励，直接输出下一阶段的输出驱动信号。

5.根据权利要求4所述的多电压驱动电路，其特征在于，每个所述驱动子模块均包括光耦放大模块和MOS管驱动模块，所述光耦放大模块的输入端与信号处理模块的输出端连接，光耦放大模块用于对所述驱动信号进行隔离、放大，输出放大后的驱动信号；所述MOS管驱动模块的输入端与光耦放大模块的输出端连接，MOS管驱动模块的输出端与高速开关阀的输入端连接，MOS管驱动模块用于传输放大后的驱动信号。

6.根据权利要求5所述的多电压驱动电路，其特征在于，所述光耦放大模块包括：光耦合器OE1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电压源U1、电压源U2以及地线；

其中，光耦合器OE1的Cathode端与信号处理模块的输出端连接，光耦合器OE1的Anode端通过电阻R1与电压源U1连接，光耦合器OE1的Collector端通过电阻R2与电压源U2连接，光耦合器OE1的Emitter端通过电阻R3与地线连接且并联连接MOS管驱动模块的输入端，电容C1与电压源U1、地线连接，电容C2与电压源U2、地线连接。

7.根据权利要求6所述的多电压驱动电路，其特征在于，所述第一驱动子模块中设置MOS管Q1、电阻R4、电阻R5、电容C3、高电平电压源U3以及地线，其中高电平电压源U3通过电阻R5与MOS管Q1漏极相连接、MOS管Q1栅极通过电阻R4与位于第一驱动子模块中的光耦放大模块输出端相连接，MOS管Q1源极与高速开关阀线圈正极相连接，电容C3与高电平电压源U3、地线连接；

所述第二驱动子模块中设置MOS管Q2、电阻R6、电阻R7、电容C4、低电平电压源U4以及地线，其中低电平电压源U4通过电阻R7与MOS管Q2漏极相连接，MOS管Q2栅极通过电阻R6与位于第二驱动子模块的光耦放大模块输出端相连接，MOS管Q2源极与高速开关阀线圈正极相连接，电容C4与低电平电压源U4、地线连接；

所述第三驱动子模块中设置MOS管Q3、电阻R8以及地线，其中MOS管Q3漏极与高速开关阀线圈正极相连接，MOS管Q3栅极通过电阻R8与位于第三驱动子模块的光耦放大模块输出端相连接，MOS管Q3源极与地线连接；

所述第四驱动子模块中设置MOS管Q4、电阻R9、电阻R10、电容C5、负电平电压源U5以及地线，其中负电平电压源U5通过电阻R10与MOS管Q4漏极相连接，MOS管Q4栅极通过电阻R9与位于第四驱动子模块的光耦放大模块输出端相连接，MOS管Q4源极与高速开关阀线圈负极相连接，电容C5与负电平电压源U5、地线连接；

所述第五驱动子模块包括MOS管Q5、电阻R11以及地线，其中MOS管Q5漏极与高速开关阀线圈负极相连接，MOS管Q5栅极通过电阻R11与位于第五驱动子模块的光耦放大模块输出端相连接，MOS管Q5源极与地线连接。

8.根据权利要求7所述的多电压驱动电路，其特征在于，所述光耦合器OE1为TLP785型号光耦合器。

9.一种使用如权利要求8所述多电压驱动电路的驱动方法，其特征在于，包括:

当所述外部控制信号是上升沿时，先将五个所述驱动子模块的MOS管关闭，再将所述第一驱动子模块与所述第五驱动子模块的MOS管打开，组成高电压电路回路，输出高电平电压，高速开关阀快速打开，并计算高速开关阀进入下一工作状态的时刻；

当高速开关阀进入下一工作状态时，所述外部控制信号仍为高电平，则所述第一驱动子模块的MOS管关闭，所述第二驱动子模块MOS管打开，与所述第五驱动子模块组成低电压电路回路，输出低电平电压，高速开关阀维持开启电流；

当所述外部控制信号是下降沿时，五个所述驱动子模块的MOS管关闭，所述第三驱动子模块与所述第四驱动子模块的MOS管打开，组成负电压电路回路，输出负电平电压，高速开关阀快速关闭，并计算高速开关阀进入下一工作状态的时刻；

当高速开关阀进入下一工作状态时，所述外部控制信号仍为低电平，则五个所述驱动子模块的MOS管关闭，不输出电压，等待所述外部控制信号的下一个上升沿。

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