CN220249098U - 电磁阀恒流控制电路 - Google Patents

Abstract

一种电磁阀恒流控制电路，包括开关电路、电流检测电路、续流电路、滞回比较电路和电磁阀线圈；开关电路与电磁阀线圈连接；电流检测电路用于检测流过电磁阀线圈的负载电流I_Load，输出与负载电流I_Load成比例的检测电压V_I；续流电路用于在开关电路断开时为电磁阀线圈和电流检测电路提供电流通路；滞回比较电路的第一输入端与电流检测电路的输出端连接，滞回比较电路的第二输入端与参考电压V_REF连接，滞回比较电路的输出端与开关电路的控制端连接，以控制开关电路的导通和关断。本实用新型的电路结构简单，可以实现电磁阀的平均电流恒流控制。

Description

电磁阀恒流控制电路

技术领域

本实用新型涉及电磁阀的控制技术。

背景技术

电磁阀是一类应用广泛的执行器，内含一个电磁线圈和一个软磁材料制成的可移动阀芯。电磁阀的工作原理是利用电磁线圈产生的电磁力改变可移动阀芯的位置，从而达到对阀门开关的控制。

在直流供电的用电系统中，可以使用直流供电系统的输入电压直接驱动电磁阀线圈，由于电磁线圈产生的电磁力与线圈电流的大小正相关，而直流供电系统的输入电压是一个范围值(从电压下限Vmin到电压上限Vmax)，为了实现对电磁阀开关的可靠控制，需要在输入电压为Vmin时也能够产生足够大的线圈电流(Vmin/R>Imake，R为电磁线圈的等效电阻，Imake为驱动电磁阀动作的必要电流)，以驱动电磁阀动作。因此，在输入电压为Vnom(Vmin＜Vnom＜Vmax)或者Vmax时，电磁阀线圈电流大于驱动电磁阀的必要电流Imake，产生了额外的功耗和热。此外，还有控制驱动电流来控制电磁阀的方式，电磁阀驱动器具备控制负载电磁阀电流的能力，当电磁阀驱动器的(电磁阀驱动器是输出功率给电磁阀负载的电路)输入电压在Vmin到Vmax之间变动时，电磁阀驱动器可以维持恒定的平均电流驱动电磁阀负载。恒定电流控制驱动电磁阀的优势是效率高，电磁阀负载的功耗低，温度低。

目前常见的一种恒定电流控制方式是采集实际电磁阀驱动电流，将实际驱动电流与目标电流做差后得到误差信号，将误差信号输入到补偿模块，产生补偿信号，将补偿信号输入到调制模块，产生可调占空比PWM信号。使用PWM信号驱动电路开关器件导通的占空比，使得实际输出电流与所需目标电流相一致，误差信号调整到0。该恒流控制方式需要软件或硬件反馈补偿模块、PWM产生模块，还需做环路补偿设计，技术方面相对复杂，使用的资源也较多。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、易于实施的电磁阀恒流控制电路。

本实用新型实施例提供了一种电磁阀恒流控制电路，包括开关电路、电流检测电路、续流电路、滞回比较电路和电磁阀线圈；开关电路与电磁阀线圈连接；电流检测电路用于检测流过电磁阀线圈的负载电流I_Load，输出与负载电流I_Load成比例的检测电压V_I；续流电路用于在开关电路断开时为电磁阀线圈和电流检测电路提供电流通路；滞回比较电路的第一输入端与电流检测电路的输出端连接，滞回比较电路的第二输入端与参考电压V_REF连接，滞回比较电路的输出端与开关电路的控制端连接，以控制开关电路的导通和关断。

本实用新型至少具有以下技术效果：

1、本实用新型实施例通过滞回比较电路控制开关电路的通断，可以实现电磁阀的平均电流恒流控制；

2、本实用新型实施例的电磁阀恒流控制电路技术实现简单，没有环路稳定性的风险，具备过流保护能力。

附图说明

图1示出了根据本实用新型实施例的电磁阀恒流控制电路的方框图。

图2示出了根据本实用新型实施例的电磁阀恒流控制电路的电路原理图。

图3示出了滞回比较电路的输出电压与输入电压的关系示意图。

图4示出了根据本实用新型实施例的电磁阀负载电流的恒流控制原理。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

请参阅图1和图2。根据本实用新型实施例的电磁阀恒流控制电路包括开关电路1、电流检测电路2、续流电路3、滞回比较电路4和电磁阀线圈L_solenoid。

开关电路1与电磁阀线圈L_solenoid连接。在本实施例中，开关电路1为高边开关，高边开关的第一导通端与电源Vin连接，高边开关的第二导通端与电流检测电路2连接，在一种具体的实施方式中，开关电路1为内部集成了功率开关器件的集成电路芯片U3，功率开关器件为开关管，开关管与电磁阀线圈L_solenoid连接，开关管的控制端与滞回比较电路4的输出端连接，开关电路1的导通和关断受滞回比较电路4的输出电压V_D的控制。

电流检测电路2用于检测流过电磁阀线圈L_solenoid的负载电流I_Load，输出与负载电流I_Load成比例的检测电压V_I。在本实施例中，电流检测电路2包括电流采样电阻R1和放大电路U1，电流采样电阻R1与电磁阀线圈L_solenoid串联连接，放大电路U1的输入端分别连接电流采样电阻R1的两端，放大电路U1的输出端与滞回比较电路4的第一输入端连接。

具体地说，电流采样电阻R1的一端与高边开关的第二导通端连接，电流采样电阻R1的另一端与电磁阀线圈L_solenoid的一端连接，电磁阀线圈L_solenoid的另一端接地。电流采样电阻R1为精密电阻，放大电路U1为差分放大器，放大电路U1的信号输入正端连接到电流采样电阻R1的电流流入端，放大电路U1的信号输入负端连接到电流采样电阻R1的电流流出端，放大电路U1输出的检测电压V_I与流过电磁阀线圈L_solenoid的负载电流I_Load成正比，放大比例为G，即，V_I＝G*I_Load，G的具体大小取决于电流采样电阻R1和放大电路U1的选型。

续流电路3用于在开关电路1断开时为电磁阀线圈L_solenoid和电流检测电路2提供电流通路。在本实施例中，续流电路包括续流二极管D1,续流二极管D1的阴极分别与高边开关的第二导通端和电流采样电阻R1的一端连接，续流二极管D1的阳极接地。续流二极管D1是驱动器功率级续流二极管,高边开关1和续流二极管D1组成了驱动电路功率级。

滞回比较电路4的第一输入端与电流检测电路2的输出端连接，滞回比较电路4的第二输入端与参考电压V_REF连接，滞回比较电路4的输出端与开关电路1的控制端连接，以控制开关电路1的导通和关断。在本实施例中，滞回比较电路4的第一输入端和第二输入端分别为反相输入端和同相输入端。

如图3所示，作为已知的滞回比较电路的特性，滞回比较电路的输出电压V_D与其输入电压V_I之间具备如下关系：当滞回比较电路的输入电压V_I小于V_va时，输出电压V_D为V_ON，当V_I增大到超过V_va时，V_D输出保持为V_ON，当V_I继续增大到等于V_pk时，输出电压V_D变为V_OFF。当输入电压V_I大于V_pk时,V_D输出为V_OFF,当V_I减小到等于V_pk时,V_D输出保持为V_OFF,当V_I继续减小到等于V_va时，V_D输出变为V_ON。其中，V_va和V_pk分别为滞回比较电路4的为下限电压阈值和上限电压阈值。

对于本实施例而言，滞回比较电路4的输入电压V_I只在V_va和V_pk之间变化，滞回比较电路4用于在检测电压V_I持续增加，且V_va≤V_I＜V_pk时，向开关电路1输出第一电平信号，以控制开关电路1导通，在检测电压V_I持续减小，且V_va＜V_I≤V_pk时，向开关电路1输出第二电平信号，以控制开关电路1关断。

请结合图4所示，具体地说，当滞回比较电路4的输出电压V_D为V_ON时，控制开关电路1导通。电磁阀线圈L_solenoid的负载电流I_Load持续增加时，检测电压V_I也随之持续增加，在V_va≤V_I＜V_pk时，滞回比较电路4的输出电压V_D保持为V_ON，直到V_I增加到V_pk、I_Load增加到I_pk＝V_pk/G时，输出电压V_D变为V_OFF，从而控制开关电路1关断。电磁阀线圈L_solenoid的负载电流I_Load持续减小，检测电压V_I也持续减小，在V_va＜V_I≤V_pk时，滞回比较电路4的输出电压V_D保持为V_OFF，直到V_I减小到V_va、I_Load减小到I_va＝V_va/G时,滞回比较电路4的输出电压V_D变为V_ON，驱动开关电路1导通，负载电流I_Load开始增加。当I_Load尝试超出I_va和I_pk区域范围以外时，V_D会产生V_ON或者V_OFF变化，使负载电流I_Load控制在I_va和I_pk之间。通过设计滞回比较电路4的下限电压阈值V_va和上限电压阈值V_pk,使滞回比较电路的正端输入的参考电压V_REF与输出电压V_D的状态切换点V_va、V_pk关联起来,可实现电磁阀平均电流恒流控制。因输出电压V_D的状态切换直接受到检测电压V_I的影响,当电磁阀出现异常，如短路而产生大电流时，V_I会迅速增长到超过V_pk，V_D会切换到V_OFF，从而关断开关电路1，阻止大电流继续增长。

具体地说，滞回比较电路4包括运放U2、电阻R2、电阻R3、电阻R5和5V电压源。运放U2的反相输入端连接检测电压V_I，运放U2的同相输入端通过电阻R2连接到参考电压V_REF，电阻R3跨接在运放U2的输出端和同相输入端之间，形成正反馈。运放U2为输出开漏型比较器，运放U2的输出端通过上拉电阻R5连接到5V电压源。

进一步地，本实施例的电磁阀恒流控制电路包括参考电压产生电路6，参考电压产生电路6包括PWM产生电路61和滤波电路62，PWM产生电路61的输出端与滤波电路62的输入端连接，滤波电路62的输出端与滞回比较电路4的第二输入端连接。

在本实施例中，PWM产生电路61为MCU。滤波电路62是由电阻R4和电容C1组成的RC低通滤波电路，MCU产生固定频率为100KHz的方波参考信号V_{REF_PWM}，方波的幅值在0到5V之间，RC低通滤波电路把方波参考信号V_{REF_PWM}滤波成平稳的直流参考电压V_REF。方波参考信号V_{REF_PWM}的占空比可以依据需要调节，占空比越高,经滤波后的参考电压V_REF电压越高。

本实用新型实施例不局限于通过对方波信号滤波产生参考电压信号，在其它的实施方式中，参考电压V_REF可以通过DAC、电压源或者电阻分压网络直接产生。

以下结合一具体的应用实例对本实用新型实施例的电磁阀恒流控制电路的恒流控制原理进行详细说明。在该实施例中，高边开关1所采用的集成电路芯片U3的型号为BTS7040，运放U1的型号为INA199B1-Q1(50V/V)，运放U2的型号为LM2903。电阻R1的阻值为20mOhm，电阻R2、R4、R5的阻值均为4.7KOhm，电阻R3的阻值220KOhm，电容C1的大小为1μF，电磁阀线圈L_solenoid的直流等效电阻为6.8Ohm，电磁阀线圈L_solenoid的等效电感为25mH。

为简化分析，首先对电路做一些近似简化：

1)因运放U1的截止带宽为80KHz，远高于电磁阀线圈的时间常数对应的信号带宽43Hz，运放U1的输出信号V_I的动态特性在分析中忽略，仅考虑运放U1的低频放大倍数50V/V；

2)滞回比较电路的输出电压为V_D，V_ON＝5V，V_OFF＝0V,并且假设电压V_D切换时的速度很快，从V_ON到V_OFF以及从V_OFF到V_ON的变化时间均为0；

3)作为控制信号的V_D的V_ON状态、V_OFF状态的切换周期相对于电磁阀线圈的时间常数非常小，电磁阀线圈的电流可近似为三角波；

4)方波参考信号V_{REF_PWM}的频率远高于RC滤波电路的截止频率，参考电压V_REF的纹波电压可忽略。V_REF＝5V*Duty，Duty为方波参考信号V_{REF_PWM}的占空比；

5)假设开关电路1的开关动作非常快,从接收到V_D信号到实际驱动内部开关器件导通/关断所花时间为0。负载电流I_Load瞬时值在增长到I_pk后，开关电路1会收到V_OFF命令，功率级开关关断，负载电流I_Load瞬时值在增长到I_pk后开始下降。负载电流I_Load瞬时值在降低到I_va后，开关电路1会收到V_ON命令，功率级开关导通，负载电流I_Load瞬时值在下降到I_va后开始上升。

检测电压V_I与负载电流I_Load的比例G＝20m Ohm*50V/V＝1Ohm。

滞回比较电路4的下限电压阈值V_va＝V_REF*R3/(R2+R3)，上限电压阈值V_pk＝V_REF*R3/(R2+R3)+5V*R2/(R2+R3)。

令Duty＝0.3，则V_va＝1.47V，V_pk＝1.57V。滞回比较电路4输出V_D使得V_I会在V_va和V_pk之间变化，因V_I与I_Load的比例关系为1Ohm，I_Load会在1.47A与1.57A之间变化。I_Load可近似为三角波，因此平均电流为1.52A.

通过调节方波参考信号V_{REF_PWM}的占空比,可以调节V_REF的电压、V_va和V_pk的电压，因此负载电流I_Load的平均值受到方波参考信号V_{REF_PWM}的占空比的调节。

上述的近似简化的1)至4)在实际应用中容易满足。因EMC等原因，实际应用中开关电路1的导通/关断速度较慢，近似简化5)不满足,在开关电路1接收到V_ON或者V_OFF信号后，会花一段时间才可以驱动功率级开关导通/关断，电磁阀的负载电流I_Load会在降低到I_va后继续降低一段时间才开始增长，或者I_Load会在上升到I_pk后继续上升一段时间才开始下降。I_load平均值＝(V_va+V_pk)/2/G的关系不成立。但是I_load平均值仍然受到V_va和V_pk的影响,在实际应用中可以通过调节滞回比较电路的V_va和V_pk的参数得到期望的I_load平均值。

本实用新型实施例中，滞回比较电路的输出信号作为控制开关电路通断的控制信号，通过设计滞回比较电路的输出状态切换点V_va和V_pk，可以实现占空比调节和平均电流恒流控制。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种电磁阀恒流控制电路，其特征在于，包括开关电路、电流检测电路、续流电路、滞回比较电路和电磁阀线圈；

所述开关电路与所述电磁阀线圈连接；

所述电流检测电路用于检测流过所述电磁阀线圈的负载电流I_Load，输出与负载电流I_Load成比例的检测电压V_I；

所述续流电路用于在所述开关电路断开时为所述电磁阀线圈和所述电流检测电路提供电流通路；

所述滞回比较电路的第一输入端与所述电流检测电路的输出端连接，所述滞回比较电路的第二输入端与参考电压V_REF连接，所述滞回比较电路的输出端与所述开关电路的控制端连接，以控制所述开关电路的导通和关断。

2.根据权利要求1所述的电磁阀恒流控制电路，其特征在于，所述滞回比较电路的第一输入端和第二输入端分别为反相输入端和同相输入端；所述滞回比较电路用于在检测电压V_I持续增加，且V_va≤V_I＜V_PK时，向所述开关电路输出第一电平信号，以控制所述开关电路导通，在检测电压V_I持续减小，且V_va＜V_I≤V_PK时，向所述开关电路输出第二电平信号，以控制所述开关电路关断；其中，V_va和V_pk分别为滞回比较电路的为下限电压阈值和上限电压阈值。

3.根据权利要求1或2所述的电磁阀恒流控制电路，其特征在于，所述电流检测电路包括电流采样电阻R1和放大电路，电流采样电阻R1与所述电磁阀线圈串联连接；

所述放大电路的输入端分别连接所述电流采样电阻R1的两端，所述放大电路的输出端与所述滞回比较电路的第一输入端连接。

4.根据权利要求3所述的电磁阀恒流控制电路，其特征在于，所述开关电路为高边开关，所述高边开关的第一导通端与电源连接，所述高边开关的第二导通端与电流采样电阻R1的一端连接，电流采样电阻R1的另一端与所述电磁阀线圈的一端连接，所述电磁阀线圈的另一端接地。

5.根据权利要求4所述的电磁阀恒流控制电路，其特征在于，所述续流电路包括续流二极管D1,续流二极管D1的阴极分别与所述高边开关的第二导通端和电流采样电阻R1的一端连接，续流二极管D1的阳极接地。

6.根据权利要求1所述的电磁阀恒流控制电路，其特征在于，所述开关电路包括开关管，所述开关管与所述电磁阀线圈连接，开关管的控制端与所述滞回比较电路的输出端连接。

7.根据权利要求1所述的电磁阀恒流控制电路，其特征在于，所述电磁阀恒流控制电路包括参考电压产生电路，所述参考电压产生电路包括PWM产生电路和滤波电路，所述PWM产生电路的输出端与所述滤波电路的输入端连接，所述滤波电路的输出端与所述滞回比较电路的第二输入端连接。

8.根据权利要求7所述的电磁阀恒流控制电路，其特征在于，所述PWM产生电路为MCU。