CN210720690U - 一种电磁铁故障检测电路装置 - Google Patents

Abstract

一种电磁铁故障检测电路装置，其结构设计简单合理，可减少额外的功率消耗，降低投入成本，适用范围广，可实现电磁铁开路或短路故障的准确检测，其包括微处理器MCU，微处理器MCU分别通过驱动电路、电流检测电路与电磁铁线圈连接，电流检测电路包括电阻R2、运算放大器U2，驱动电路包括MOS管驱动模块U1、金属氧化物半导体场效应管M1、双向瞬态电压抑制二极管TV1。

Description

一种电磁铁故障检测电路装置

技术领域

本实用新型涉及电磁铁技术领域，具体为一种电磁铁故障检测电路装置。

背景技术

电磁铁是一种通电产生电磁的装置，在现代车辆系统中被广泛的使用，如在车辆的防抱死、牵引控制系统中控制控制器的电磁铁、尾气后处理系统中控制液体回流的电磁铁以及悬挂系统控制扭杆的电磁阀。

这些电磁铁均使用电子控制器进行控制实现机电能量转换，电磁铁一般为在铁芯外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，当导电绕组通有电流时绕组线圈像磁铁一样具有磁性。电子控制器通过对加在绕组线圈上的电压通断控制实现机械装置的移动。在实际使用过程中，电磁铁极易因为耐久性耐热性或装配不规范等发生损坏，致使电磁线圈短路或开路，在电磁线圈短路时，若通过电子控制器控制电磁铁通电，此时巨大的电流流过电子控制器，超过电子控制器的承受极限而使控制器损坏；在电磁线圈开路时，电磁铁无反应，无法完成指定的目标动作，在整个车辆控制系统中因为串联影响可能导致其他器件的损坏。

现有技术中通常采用电路检测装置对电磁铁开路或短路故障进行检测，但是目前常用的电磁铁电路检测装置中一般连接有微动开关等传感器装置，传感器装置的使用不仅增加了整个电路结构的复杂度，而且增加了额外的功率消耗，使投入成本大大提高。

实用新型内容

针对现有技术中存在的用于电磁铁开路或短路故障检测的装置结构复杂、功率消耗大、投入成本高的问题，本实用新型提供了一种电磁铁故障检测电路装置，其结构设计简单合理，可减少额外的功率消耗，降低投入成本。

一种电磁铁故障检测电路装置，其包括微处理器MCU，所述微处理器MCU分别通过驱动电路、电流检测电路与电磁铁线圈连接，其特征在于，所述电流检测电路包括电阻R2、运算放大器U2，所述驱动电路包括MOS管驱动模块U1、金属氧化物半导体场效应管M1、双向瞬态电压抑制二极管TV1，所述微处理器MCU的PWM信号输出端口连接所述MOS管驱动模块U1的一端，所述MOS管驱动模块U1的另一端分别连接所述金属氧化物半导体场效应管M1的栅极、电阻R1的一端，所述金属氧化物半导体场效应管M1的源极分别连接所述电阻R2的一端、运算放大器U2的同向输入端，所述运算放大器U2的输出端连接所述微处理器MCU的ADC采样端口，所述电阻R1、R2的另一端、运算放大器U2的反向输入端口均接地，所述金属氧化物半导体场效应管M1的漏极分别连接所述双向瞬态电压抑制二极管TV1的一端、电磁铁线圈L1的一端，所述双向瞬态电压抑制二极管TV1的另一端、电磁铁线圈L1的另一端连接VPP电压源。

其进一步特征在于，

所述电阻R1为电流采样电阻。

采用本发明的上述结构，本装置电磁铁线圈的吸合及断开主要通过微处理器MCU及金属氧化物半导体场效应管M1控制实现，通过微处理器MCU控制金属氧化物半导体场效应管M1的导通时间，从而准确控制流过电磁铁线圈L1中的电流，当电磁铁线圈L1发生短路或开路故障时，通过检测流过电阻R1的电流的变化，并将该变化传输至微处理器MCU，通过将该电流与微处理器MCU中预先设定的阈值电流进行比较，根据比较结果可判断电磁铁线圈L1是否发生故障，其无需在设计复杂的检测电路或设置传感器装置，即可以实现电磁铁线圈L1短路或断路故障检测，传感器装置的减少使得电路结构大大简化，同时减少了功率消耗和投入成本。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理图；

图2为采用本实用新型装置使电磁铁线圈L1处于工作状态时，金属氧化物半导体场效应管M1栅极驱动信号（PWM信号）的仿真波形图；

图3为采用本实用新型装置使电磁铁线圈L1处于工作状态时，流过电磁铁线圈L1的电流仿真波形图；

图4为采用本实用新型装置使电磁铁线圈L1处于空闲状态时，金属氧化物半导体场效应管M1栅极驱动信号（PWM信号）的仿真波形图；

图5为采用本实用新型装置使电磁铁线圈L1处于空闲状态时，流过电磁铁线圈L1的电流仿真波形图。

具体实施方式

见图1，一种电磁铁故障检测电路装置，其包括微处理器MCU，微处理器MCU分别通过驱动电路、电流检测电路与电磁铁线圈连接，电流检测电路包括电阻R2、运算放大器U2，驱动电路包括MOS管驱动模块U1、金属氧化物半导体场效应管M1、双向瞬态电压抑制二极管TV1，微处理器MCU的PWM信号输出端口连接MOS管驱动模块U1的一端，MOS管驱动模块U1的另一端分别连接金属氧化物半导体场效应管M1的栅极、电阻R1的一端，金属氧化物半导体场效应管M1的源极分别连接电阻R2的一端、运算放大器U2的同向输入端，运算放大器U2的输出端连接微处理器MCU的ADC采样端口，电阻R1、R2的另一端、运算放大器U2的反向输入端口均接地，金属氧化物半导体场效应管M1的漏极分别连接双向瞬态电压抑制二极管TV1的一端、电磁铁线圈L1的一端，双向瞬态电压抑制二极管TV1的另一端、电磁铁线圈L1的另一端连接VPP电压源，电阻R1为电流采样电阻；本实施例中微处理MCU、运算放大器U2、MOS管驱动模块U1均可采用现有常用技术，通过微处理器MCU控制MOS管，采用微处理器MCU输出的PWM信号控制金属氧化物半导体场效应管M1的导通和关断，以及将ADC采样端口输入的电流信号与阈值电流信号进行比较也可采用现有常用技术。

本装置中的MOS管驱动模块U1的作用是实现PWM信号的电平变换，将由微处理器MCU输出的PWM信号的电平变换为驱动金属氧化物半导体场效应管M1的电平信号；电阻R1为下拉电阻，可防止金属氧化物半导体场效应管M1误导通；双向瞬态电压抑制二极管TV1可钳位反电动势电压，使电磁铁吸合动作；电流采样电阻R2为电流采样电阻，具有串联分压的作用，此时流过采样电阻R2的电流与流过电磁铁线圈L1的电流值相同，根据欧姆定律，用于微处理器MCU的电流信号采样，获取近MOS漏极端电压，从而计算流经电磁铁线圈L1的电流，在电磁铁线圈L1短路或断路故障检测时还采用了电流采样电阻R2和运算放大器U2，通过运算放大器U2可将金属氧化物半导体场效应管M1的源极端的小电流信号进行放大，并通过ADC采样端口输送至微处理器MCU中，便于微处理器MCU对电流模拟信号进行数字量化处理，因此可进一步提高电磁铁线圈L1短路或断路故障检测数据的准确性。

将上述装置应用于车辆电子控制系统中，电磁铁线圈L1的短路或断路故障检测，其检测方法包括以下具体步骤：S1、微处理器MCU启动；

S2、控制电磁铁线圈L1通电吸合或断开，使电磁铁线圈L1分别处于工作状态或空闲状态，工作状态指电磁铁线圈L1以固定频率通电励磁以吸合或释放电磁铁的状态，空闲状态指电磁铁线圈L1与电磁铁断开无动作，空闲状态时线圈与电磁铁完全断开不会发生吸合，且在空闲状态时仍以固定频率通电，使电磁铁线圈与电磁铁之间处于短时间的趋于吸合但未吸合状态，即进行短时间的通电励磁，以达到在线圈与电磁铁断开的状态下检测开路或短路的目的，具体包括以下步骤：

S21、通过控制器U控制金属氧化物半导体场效应管M1的导通和关断，通过金属氧化物半导体场效应管M1的导通和关断控制电磁铁线圈L1的流通和截止，使电磁铁分别处于工作状态或空闲状态，具体的：通过微处理器MCU发送驱动信号控制金属氧化物半导体场效应管M1导通，通过金属氧化物半导体场效应管M1的导通控制电磁铁线圈L1通电吸合，使电磁铁线圈处于工作状态，或通过微处理器MCU发送驱动信号控制金属氧化物半导体场效应管M1在短时间内导通，通过金属氧化物半导体场效应管M1短时间导通使电磁铁线圈L1处于趋于通电工作状态，但此时电磁铁线圈L1仍为断开状态，从而使电磁铁线圈处于空闲状态，

S22、分别在工作状态或空闲状态下，通过微处理器MCU控制输出PWM信号的调制时间，通过设定调制时间的占空比，控制金属氧化物半导体场效应管M1导通和关断的时间，进而控制电磁铁线圈L1的通断时间，具体包括以下两种情况：

S221、当电磁铁线圈L1处于工作状态时，对其故障进行检测，此时金属氧化物半导体场效应管M1的导通时间较长，通过微处理器MCU控制输出PWM信号的调制时间，通过设定调制时间的占空比，控制金属氧化物半导体场效应管M1处于较长时间的导通状态下，进而控制电磁铁线圈L1处于相应的较长时间的工作状态下， PWM信号的仿真波形图如图2所示，当金属氧化物半导体场效应管M1导通时，电流由VPP电压源流出，依次经电磁铁线圈L1、金属氧化物半导体场效应管M1、电阻R1、地形成回路，设回路电流为I，此时的电流I较大；图2中横轴表示时间T，竖轴表示PWM脉宽调制信号，本实施例中，PWM信号的驱动频率为25HZ，PWM信号调制时间设定为40mS，占空比为50%，使金属氧化物半导体场效应晶体管M1导通的时间为20ms，从图2中可以看出金属氧化物半导体场效应管M1栅极驱动信号的仿真波形为方波；

S31、通过流过电阻R1的电流判断电磁铁线圈L1是否存在短路或开路故障，电流I通过运算放大器U2放大后输送至微处理器MCU中进行比较处理，将电流I与在微处理器MCU中预先设定的电流阈值进行比较，通过比较结果判断电磁线圈L1是否有短路或开路故障，设电磁铁线圈L1的故障电流最高阈值为I1、最低阈值为I2，当步骤S21中的回路电流位于最高阈值I1与最低阈值I2之间时，即I2＜I＜I1时，表明电磁铁线圈L1未发生短路或断路故障，当I＞I1时，表明电磁铁线圈L1发生短路故障，当I＜I2时，表明电磁铁线圈L1发生断路故障，在步骤S21中设定的PWM信号的固定频率、占空比以及开通和关断的调制时间条件下，流过电磁铁线圈L1的电流仿真波形图如图3所示，图3中横轴表示时间T，竖轴表示电流I，从图3可以看出，电流I随金属氧化物半导体场效应管M1导通和关断呈尖峰波波形，随着金属氧化物半导体场效应管M1的导通时间的增长，流过电磁铁线圈L1的电流I逐渐增大，直至图3所示的尖峰波的峰值I_max，然后随着金属氧化物半导体场效应管M1的关断时间的增长，流过电磁铁线圈L1的电流I逐渐减小，直至为零，金属氧化物半导体场效应管M1在相应调制时间内导通和关断，如此循环往复。

S222、当电磁铁线圈L1处于空闲状态时，对其故障进行检测，具体的：当电磁铁线圈L1处于释放电磁铁的状态时，对其故障进行检测，此时金属氧化物半导体场效应管M1的导通时间较短，通过微处理器MCU控制输出PWM信号的调制时间，通过设定调制时间的占空比，控制金属氧化物半导体场效应管M1处于较短时间的导通状态下，在金属氧化物半导体场效应管M1短时间导通作用下，电磁铁线圈L1处于趋于导通的状态，此时PWM信号的仿真波形图如图4所示，当金属氧化物半导体场效应管M1在短时间导通时，电流由VPP电压源流出，依次经电磁铁线圈L1、金属氧化物半导体场效应管M1、电阻R1、地形成回路，设回路电流为i，电流i的值远远小于电流I的值，图4中横轴表示时间T，竖轴表示PWM脉宽调制信号，本实施例中，PWM信号的驱动频率为25HZ，PWM信号调制时间设定为40mS，占空比为3%，可控制金属氧化物半导体场效应晶体管M1导通的时间为1.2ms，从图2中可以看出金属氧化物半导体场效应管M1栅极驱动信号的仿真波形为方波；

S32、通过流过电阻R1的电流判断电磁铁线圈L1是否存在短路或开路故障，电流i通过运算放大器U2放大后输送至微处理器MCU中进行比较处理，将电流i与在微处理器MCU中预先设定的电流阈值进行比较，通过比较结果判断电磁线圈L1是否有短路或开路故障，设电磁铁线圈L1的故障电流最高阈值为I1、最低阈值为I2，当步骤S21中的回路电流i位于最高阈值I1与最低阈值I2之间时，即I2＜i＜I1 时，表明电磁铁线圈L1未发生短路或断路故障，当i＞I1时，表明电磁铁线圈L1发生短路故障，当i＜I2时，表明电磁铁线圈L1发生断路故障，在步骤S22中设定的PWM信号的固定频率、占空比以及开通和关断的调制时间条件下，流过电磁铁线圈L1的电流仿真波形图如图5所示，图5中横轴表示时间T，竖轴表示电流I，从图5可以看出，电流i随金属氧化物半导体场效应管M1导通和关断呈尖峰波波形，随着金属氧化物半导体场效应管M1的导通时间的增长，流过电磁铁线圈L1的电流i逐渐增大，直至图5所示的尖峰波的峰值i_max，然后随着金属氧化物半导体场效应管M1的关断时间的增长，流过电磁铁线圈L1的电流i逐渐减小，直至为零，金属氧化物半导体场效应管M1在相应调制时间内导通和关断，如此循环往复，从而达到金属氧化物半导体场效应管M1的导通和关断，进而达到电磁铁线圈L1与电磁铁的通电吸合或断电分离的控制的目的。

Claims (2)

1.一种电磁铁故障检测电路装置，其包括微处理器MCU，所述微处理器MCU分别通过驱动电路、电流检测电路与电磁铁线圈连接，其特征在于，所述电流检测电路包括电阻R2、运算放大器U2，所述驱动电路包括MOS管驱动模块U1、金属氧化物半导体场效应管M1、双向瞬态电压抑制二极管TV1，所述微处理器MCU的PWM信号输出端口连接所述MOS管驱动模块U1的一端，所述MOS管驱动模块U1的另一端分别连接所述金属氧化物半导体场效应管M1的栅极、电阻R1的一端，所述金属氧化物半导体场效应管M1的源极分别连接所述电阻R2的一端、运算放大器U2的同向输入端，所述运算放大器U2的输出端连接所述微处理器MCU的ADC采样端口，所述电阻R1、R2的另一端、运算放大器U2的反向输入端口均接地，所述金属氧化物半导体场效应管M1的漏极分别连接所述双向瞬态电压抑制二极管TV1的一端、电磁铁线圈L1的一端，所述双向瞬态电压抑制二极管TV1的另一端、电磁铁线圈L1的另一端连接VPP电压源。

2.根据权利要求1所述的一种电磁铁故障检测电路装置，其特征在于，所述电阻R1为电流采样电阻。

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