双占空比脉宽调制信号的低功耗高速双向电磁铁驱动电路及其使用方法

摘要

本发明涉及一种双占空比脉宽调制信号的低功耗高速双向电磁铁驱动电路及其使用方法，其包括三角波发生电路、第一双电压信号发生电路、第二双电压信号发生电路、PWM信号调制电路、功率放大级电路。利用本发明驱动电路，当电磁铁工作在吸合阶段，高电压在100％占空比脉宽调制信号下输出；当电磁铁运动结束后进入吸合保持阶段，高电压以低占空比维持低功耗保持；当电磁铁工作在复位阶段，高电压又以100％占空比脉宽调制信号输出；当电磁铁复位结束后进入复位保持阶段，高电压又以低占空比维持低功耗保持。此驱动电路采用大电流开启，小电流保持，缩短了双向电磁铁吸合、复位时间，降低了吸合、复位保持功耗，提升了双向电磁铁的动态和稳态性能。

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体是指一种双占空比脉宽调制信号的低功耗高速双向电磁铁驱动电路及其使用方法。

背景技术

高速电磁铁已广泛运用在航空航天、柴油机燃油喷射系统、车轮防抱死制动系统、汽车减震器、国防军工、深海探测等众多高端领域，其动态和稳态性能直接影响着整个系统的控制性能。驱动电路在很大程度上能提高电磁铁的动态和稳态性能，而目前比较常用的方法是采用双电源(一个高电压，另一个低电压)自动切换电路，在电磁铁开启阶段采用高电压，运动结束后切换成低电压保持。

现有技术中，电磁铁的驱动电路要在多个不同的电源或功率放大级电路之间进行切换，对切换的实时性要求较高，电路设计较为复杂。

因此，提供一种低功耗高速电磁铁驱动电路，成为本领域技术人员研究的热点。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种双占空比脉宽调制信号的低功耗高速双向电磁铁驱动电路，其可提高电磁铁动态响应及降低稳态功耗。

为实现上述目的，本发明的技术方案是包括三角波发生电路、第一双电压信号发生电路、第二双电压信号发生电路、PWM信号调制电路及功率放大级电路；

PWM信号调制电路包括有第一PWM调制电路比较器和第二PWM调制电路比较器；功率放大级电路包括有第一功率放大级电路和第二功率放大级电路；

所述第一双电压信号发生电路连接第一PWM调制电路比较器的同相输入端，所述第二双电压信号发生电路连接第二PWM调制电路比较器的同相输入端，第一双电压信号发生电路和第二双电压信号发生电路由控制信号控制；

所述三角波发生电路连接PWM信号调制电路中第一PWM调制电路比较器、第二PWM调制电路比较器的反相输入端，第一PWM调制电路比较器、第二PWM调制电路比较器输出端分别连接第一功率放大级电路和第二功率放大级电路，第一功率放大级电路和第二功率放大级电路分别用于控制电磁铁的正向驱动线圈和反向驱动线圈通断电，驱动电磁铁双向运动；

所述三角波发生电路生成并输出幅值、频率均可调的高频三角波信号；

所述第一双电压信号发生电路、第二双电压信号发生电路均生成高、低双电压信号，且高、低双电压信号的幅值、时间、频率均可调；

所述PWM信号调制电路生成前后占空比不同，频率、占空比均可调的双占空比脉宽调制信号；

所述功率放大级电路根据输入的脉宽调制信号控制电磁铁的正向驱动线圈和反向驱动线圈通断电。

进一步设置是所述第一双电压信号发生电路包括有第一单稳态触发器电路、第二单稳态触发器电路，第一反相比例运算电路、第二反相比例运算电路、第三反相比例运算电路及第一反相输入求和电路。

进一步设置是所述第二单稳态触发器电路输出一个方波信号经第二反相比例运算电路、第三反相比例运算电路与第一单稳态触发器电路输出的窄波信号通过第一反相输入求和电路、第一反相比例运算电路进行叠加，在第一反相比例运算电路输出端输出第一双电压信号，该第一双电压信号的高电压时间通过第一单稳态触发器电路进行调节，低电压时间通过第二单稳态触发器电路进行调节，高低电压幅值通过第二反相比例运算电路进行调节，该第一双电压信号的频率由所述的控制信号进行调节，该第一双电压信号的时间与控制信号高电平的时间相等。

进一步设置是所述第二双电压信号发生电路包括有第三单稳态触发器电路、第四单稳态触发器电路、第四反相比例运算电路、第五反相比例运算电路、第六反相比例运算电路、第七反相比例运算电路、第八反相比例运算电路及第二反相输入求和电路、第三反相输入求和电路。

进一步设置是通过由第七反相比例运算电路、第三反相输入求和电路、第八反相比例运算电路组成的模块反向、偏置后在第八反相比例运算电路输出端输出中间控制信号，第三单稳态触发器电路输出一个方波信号经第四反相比例运算电路、第五反相比例运算电路与第四单稳态触发器电路输出的窄波信号通过第二反相输入求和电路、第六反相比例运算电路进行叠加，在第六反相比例运算电路输出端输出第二双电压信号，该第二双电压信号的高电压时间通过第四单稳态触发器电路进行调节，低电压时间通过第三单稳态触发器电路进行调节，高低电压幅值通过第四反相比例运算电路进行调节，该第二双电压信号的频率由所述的控制信号进行调节，该第二双电压信号的时间与控制信号低电平的时间相等。

进一步设置是所述PWM信号调制电路还包括有外围电路的上拉电阻R₅₅、>56，在第一PWM调制电路比较器和第二PWM调制电路比较器的输出端分别输出一个双占空比脉宽调制信号，第一PWM调制电路比较器同相输入端接所述第一双电压信号，反相输入端接三角波信号，输出端连接上拉电阻R₅₅，输出端输出的双占空比脉宽调制信号I与所述功率放大级电路的场效应管Q₅的栅极相连；

第二PWM调制电路比较器同相输入端接所述第二双电压信号，反相输入端接三角波信号，输出端连接上拉电阻R₅₆，输出端输出的双占空比脉宽调制信号>6的栅极相连。

此外，本发明还提供以下技术方案：一种基于所述的低功耗高速双向电磁铁驱动电路的使用方法，电磁铁工作在吸合阶段、吸合保持阶段、复位阶段、复位保持阶段；当控制信号为高电平时，所述电磁铁的正向驱动线圈工作，在吸合阶段，高电压在100％占空比脉宽调制信号下输出，使电磁铁的正向驱动线圈电流迅速升到开启电流驱动衔铁高速运动，当电磁铁运动结束后进入吸合保持阶段，高电压以低占空比维持低功耗保持；当控制信号为低电平时，电磁铁的反向驱动线圈工作，高电压又以100％占空比脉宽调制信号输出，使电磁铁的反向驱动线圈电流迅速升到开启电流驱动衔铁高速复位，当电磁铁复位结束后进入复位保持阶段，高电压又以低占空比维持低功耗保持。

本发明所述的一种双占空比脉宽调制信号的低功耗高速双向电磁铁驱动电路，提高了电磁铁动态响应和降低稳态功耗。

本发明与背景技术相比，具有的优势是：

1.采用单电压驱动，电磁铁在吸合、复位阶段，高电压以100％占空比脉宽调制信号输出，电磁铁线圈电流迅速升到开启电流驱动衔铁高速运动，在吸合保持、复位保持阶段，高电压以低占空比维持低功耗保持，解决了双/多电压驱动方式多个电源或功率放大级切换电路的缺点。

2.双占空比脉宽调制信号频率和占空比均可调节，适合应用在各种开启、保持电流不同的双向电磁铁。

3.采用双线圈控制方式，取消传统电磁铁弹簧复位结构，避免因弹簧老化、受温度影响等问题对电磁铁性能产生影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1是本发明的一种双占空比脉宽调制信号的低功耗高速双向电磁铁驱动电路结构方框图；

图2是本发明的一种双占空比脉宽调制信号的低功耗高速双向电磁铁驱动电路三角波发生电路图；

图3是本发明实施例的第一双电压信号发生电路的电路图；

图4是本发明实施例的第二双电压信号发生电路的电路图；

图5是本发明实施例的PWM信号调制电路的电路图；

图6是本发明实施例的功率放大级电路的电路图；

图7是本发明的一种双占空比脉宽调制信号的低功耗高速双向电磁铁驱动电路工作原理图；

图中：1.三角波发生电路，2.第一双电压信号发生电路，3.第二双电压信号发生电路，4.PWM信号调制电路，5.功率放大级电路。

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，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。

如图1所示，为本发明实施例中，一种双占空比脉宽调制信号的低功耗高速双向电磁铁驱动电路，包括三角波发生电路1、第一双电压信号发生电路2、第二双电压信号发生电路3、PWM信号调制电路4、功率放大级电路5组成的驱动电路。本实施例PWM信号调制电路4包括有第一PWM调制电路比较器和第二PWM调制电路比较器；功率放大级电路5包括有第一功率放大级电路和第二功率放大级电路。

在一种实施方案中，该种双占空比脉宽调制信号的低功耗高速双向电磁铁驱动电路，如图2至图7所示；由运算放大器U₁、U₂及其外围电路电阻R₁、R₂、>3、R₄、R₅、R₆，稳压二极管D₁、D₂以及电容C₁组成的三角波发生电路，在运算放大器U₂输出端输出一个频率、幅值均可调的高频三角波信号，三角波幅值为：U₀＝(R₅/R₄)U_z，周期为：T＝(4*R₅*R₃*C₁)/R₄，其中U_z为稳压二极管的稳压值，具体连接方式为：运算放大器U₁反相输入端通过电阻R₁与基准电压相连，同相输入端分别与电阻R₄、R₅相连，输出端与电阻R₂一端相连；电阻R₅另一端与运算放大器U₂输出端相连，电阻R₄另一端分别与电阻R₂另一端、稳压二极管D₁正极相连，稳压二极管D₁负极与稳压二极管D₂负极相连，稳压二极管D₂正极与基准电压相连；运算放大器U₂反相输入端通过电阻R₃与电阻R₂输出的矩形波信号相连，同相输入端通过电阻R₆与基准电压相连；电容C₁一端与运算放大器U₂反相输入端相连，另一端与运算放大器U₂输出端相连，如图2所示。

由第一单稳态触发器电路NE₁、第二单稳态触发器电路NE₂、第一反相比例运算电路、第二反相比例运算电路、第三反相比例运算电路及第一反相输入求和电路组成的第一双电压信号发生电路，具体连接方式为：第二单稳态触发器电路输出一个方波信号经第二反相比例运算电路、第三反相比例运算电路与第一单稳态触发器电路输出的窄波信号通过第一反相输入求和电路、第一反相比例运算电路进行叠加，在第一反相比例运算电路输出端输出第一双电压信号，第一双电压信号的高电压时间(t_h1)通过第一单稳态触发器电路进行调节，其中>h1＝1.1*R₁₆*C₅，低电压时间(t_l1)通过第二单稳态触发器电路进行调节，其中>l1＝1.1*R₂₅*C₉，高低电压幅值通过第二反相比例运算电路进行调节，第一双电压信号的频率由控制信号进行调节，第一双电压信号的时间与控制信号高电平的时间相等。

第一单稳态触发器电路由555单稳态触发器及其外围电路电阻R₁₄、R₁₅、R₁₆，电容C₂、C₃、C₄、C₅及场效应管Q₁组成，在该555单稳态触发器输出端输出一个窄波信号，具体连接方式为：触发器的1管脚与地相连；2管脚与电阻R₁₅、电容C₃相连，电容C₃另一端与电阻R₁₄、场效应管Q₁漏极相连，电阻R₁₄、R₁₅另一端与电源VDD相连；4管脚、8管脚与电源VDD相连；5管脚通过电容>4与地相连；6管脚、7管脚与电阻R₁₆、电容C₅相连，电阻R₁₆另一端与VDD>5另一端与地相连，电容C₂一端与VDD相连另一端与地相连，场效应管Q₁栅极与控制信号相连，源级与地相连。

第二单稳态触发器电路由555单稳态触发器及其外围电路电阻R₂₃、R₂₄、R₂₅，电容C₆、C₇、C₈、C₉及场效应管Q₂组成，在该555单稳态触发器输出端输出一个方波信号，具体连接方式为：触发器的1管脚与地相连；2管脚与电阻R₂₄、电容C₇相连，电容C₇另一端与电阻R₂₃、场效应管Q₂漏极相连，电阻R₂₃、R₂₄另一端与电源VDD相连；4管脚、8管脚与电源VDD相连；5管脚通过电容>8与地相连；6管脚、7管脚与电阻R₂₅、电容C₉相连，电阻R₂₅另一端与VDD>9另一端与地相连，电容C₆一端与VDD相连另一端与地相连，场效应管Q₂栅极与控制信号相连，源级与地相连。

第一反相输入求和电路由运算放大器U₃及其外围电路电阻R₇、R₉、R₁₁、R₁₂组成，具体连接方式为：运算放大器U₃反相输入端通过电阻R₉、R₁₂分别与第一单稳态触发器电路输出端、运算放大器U₆输出端相连，同相输入端通过电阻R₁₁与地相连，输出端通过电阻R₇与反相输入端相连。

第一反相比例运算电路由运算放大器U₄及其外围电路电阻R₈、R₁₀、R₁₃组成，具体连接方式为：运算放大器U₄反相输入端通过电阻R₁₀与运算放大器U₃输出端相连，同相输入端通过电阻R₁₃与地相连，输出端通过电阻R₈与反相输入端相连。

第二反相比例运算电路由运算放大器U₅及其外围电路电阻R₁₇、R₁₉、R₂₁组成，具体连接方式为：运算放大器U₅反相输入端通过电阻R₁₉与第二单稳态触发器电路输出端相连，同相输入端通过电阻R₂₁与地相连，输出端通过电阻R₁₇与反相输入端相连。

第三反相比例运算电路由运算放大器U₆及其外围电路电阻R₁₈、R₂₀、R₂₂组成，具体连接方式为：运算放大器U₆反相输入端通过电阻R₂₀与运算放大器U₅输出端相连，同相输入端通过电阻R₂₂与地相连，输出端通过电阻R₁₈与反相输入端相连，如图3所示；

由第三单稳态触发器电路NE₃、第四单稳态触发器电路NE₄、第四反相比例运算电路、第五反相比例运算电路、第六反相比例运算电路、第七反相比例运算电路、第八反相比例运算电路及第二反相输入求和电路、第三反相输入求和电路组成的第二双电压信号发生电路，具体连接方式为：通过由第七反相比例运算电路、第三反相输入求和电路、第八反相比例运算电路组成的模块反向、偏置后在第八反相比例运算电路输出端输出中间控制信号，第三单稳态触发器电路NE₃输出一个方波信号经第四反相比例运算电路、第五反相比例运算电路与第四单稳态触发器电路NE₄输出的窄波信号通过第二反相输入求和电路、第六反相比例运算电路进行叠加，在第六反相比例运算电路输出端输出第二双电压信号，第二双电压信号的高电压时间(t_h2)通过第四单稳态触发器电路进行调节，其中t_h2＝1.1*R₄₄*C₁₇，低电压时间(t_l2)通过第三单稳态触发器电路进行调节，其中t_l2＝1.1*R₂₈*C₁₃，高低电压幅值通过第四反相比例运算电路进行调节，第二双电压信号的频率由控制信号进行调节，第二双电压信号的时间与控制信号低电平的时间相等。

第三单稳态触发器电路由555单稳态触发器及其外围电路电阻R₂₆、R₂₇、R₂₈，电容C₁₀、C₁₁、C₁₂、C₁₃及场效应管Q₃组成，在555单稳态触发器输出端输出一个方波信号，具体连接方式为：触发器的1管脚与地相连；2管脚与电阻R₂₇、电容C₁₁相连，电容C₁₁另一端与电阻R₂₆、场效应管Q₃漏极相连，电阻R₂₆、R₂₇另一端与电源VDD相连；4管脚、8管脚与电源VDD相连；5管脚通过电容>12与地相连；6管脚、7管脚与电阻R₂₈、电容C₁₃相连，电阻R₂₈另一端与VDD>13另一端与地相连，电容C₁₀一端与VDD相连另一端与地相连，场效应管Q₃栅极与运算放大器U₁₃输出端相连，源级与地相连。

第四单稳态触发器电路由555单稳态触发器及其外围电路电阻R₄₂、R₄₃、R₄₄，电容C₁₄、C₁₅、C₁₆、C₁₇及场效应管Q₄组成，在该555单稳态触发器输出端输出一个窄波信号，具体连接方式为：触发器的1管脚与地相连；2管脚与电阻R₄₃、电容C₁₅相连，电容C₁₅另一端与电阻R₄₂、场效应管Q₄漏极相连，电阻R₄₂、R₄₃另一端与电源VDD相连；4管脚、8管脚与电源VDD相连；5管脚通过电容>16与地相连；6管脚、7管脚与电阻R₄₄、电容C₁₇相连，电阻R₄₄另一端与VDD>17另一端与地相连，电容C₁₄一端与VDD相连另一端与地相连，场效应管Q₄栅极与运算放大器U₁₃输出端相连，源级与地相连。

第四反相比例运算电路由运算放大器U₇及其外围电路电阻R₃₆、R₃₈、R₄₀组成，具体连接方式为：运算放大器U₇反相输入端通过电阻R₃₈与第三单稳态触发器电路输出端相连，同相输入端通过电阻R₄₀与地相连，输出端通过电阻R₃₆与反相输入端相连。

第五反相比例运算电路由运算放大器U₈及其外围电路电阻R₃₇、R₃₉、R₄₁组成，具体连接方式为：运算放大器U₈反相输入端通过电阻R₃₉与运算放大器U₇输出端相连，同相输入端通过电阻R₄₁与地相连，输出端通过电阻R₃₇与反相输入端相连。

第六反相比例运算电路由运算放大器U₁₀及其外围电路电阻R₃₁、R₃₃、R₃₅组成，具体连接方式为：运算放大器U₁₀反相输入端通过电阻R₃₃与运算放大器>9输出端相连，同相输入端通过电阻R₃₅与地相连，输出端通过电阻R₃₁与反相输入端相连。

第七反相比例运算电路由运算放大器U₁₁及其外围电路电阻R₄₅、R₄₆、R₄₇组成，具体连接方式为：运算放大器U₁₁反相输入端通过电阻R₄₆与控制信号相连，同相输入端通过电阻R₄₇与地相连，输出端通过电阻R₄₅与反相输入端相连。

第八反相比例运算电路由运算放大器U₁₃及其外围电路电阻R₅₀、R₅₂、R₅₄组成，具体连接方式为：运算放大器U₁₃反相输入端通过电阻R₅₂与运算放大器>12输出端相连，同相输入端通过电阻R₅₄与地相连，输出端分别通过电阻R₅₀、电容C₁₈与反相输入端、地相连。

第二反相输入求和电路由运算放大器U₉及其外围电路电阻R₂₉、R₃₀、R₃₂、>34组成，具体连接方式为：运算放大器U₉反相输入端分别通过电阻R₂₉、R₃₂与第四单稳态触发器电路输出端、运算放大器U₈输出端相连，同相输入端通过电阻R₃₄与地相连，输出端通过电阻R₃₀与反相输入端相连。

第三反相输入求和电路由运算放大器U₁₂及其外围电路电阻R₄₈、R₄₉、R₅₁、>53组成，具体连接方式为：运算放大器U₁₂反相输入端通过电阻R₄₈、R₅₁分别与运算放大器U₁₁输出端、偏置电压相连，同相输入端通过电阻R₅₃与地相连，输出端通过电阻R₄₉与反相输入端相连，如图4所示；

由第一PWM调制电路比较器和第二PWM调制电路比较器及其外围电路电阻R₅₅、R₅₆组成的PWM信号调制电路，在第一PWM调制电路比较器和第二PWM>55，输出端输出的双占空比脉宽调制信号I与功率放大级电路的场效应管Q₅的栅极相连；第二PWM调制电路比较器同相输入端接第二双电压信号，反相输入端接三角波信号，输出端连接上拉电阻R₅₆，输出端输出的双占空比脉宽调制信号II与功率放大级电路的场效应管Q₆的栅极相连，如图5所示；

由场效应管Q₅、Q₆及其外围电路电阻R₅₇、R₅₈、R₅₉、R₆₀，采样电阻R₆₁、>62，二极管D₃、D₄以及开关K₁组成功率放大级电路，开关K₁闭合时，当双占空比脉宽调制信号输出高电平，场效应管打开，线圈通电；当双占空比脉宽调制信号输出低电平，场效应管关闭，线圈断电；开关K₁断开时，电磁铁停止工作，具体连接方式为：所述场效应管Q₅的栅极与电阻R₅₇、第一PWM调制电路比较器输出端相连，漏极与电磁铁正向驱动线圈一端相连，源级与地相连，采样电阻R₆₁一端与电磁铁正向驱动线圈另一端相连，另一端通过开关K₁与电源相连，电阻R₅₈与二极管D₄正极相连，两者并联在正向驱动线圈与采样电阻R₆₁两端构成续流回路I，电磁铁正向驱动线圈的电压与电流通过采样电阻R₆₁测量；场效应管Q₆的栅极与电阻R₅₉、第二PWM调制电路比较器输出端相连，漏极与电磁铁反向驱动线圈一端相连，源级与地相连，采样电阻R₆₂一端与电磁铁反向驱动线圈另一端相连，另一端通过开关K₁与电源相连，电阻R₆₀与二极管D₃正极相连，两者并联在反向驱动线圈与采样电阻R₆₂两端构成续流回路II，电磁铁反向驱动线圈的电压与电流通过采样电阻R₆₂测量，如图6所示；

所述双占空比脉宽调制信号的低功耗高速双向电磁铁驱动电路工作原理如图7所示。

驱动电路根据电磁铁不同的工作阶段，产生开启电流或者保持电流；当控制信号为高电平时，正向驱动线圈工作，在吸合阶段，高电压在100％占空比脉宽调制信号下输出，使电磁铁的正向驱动线圈电流迅速升到开启电流驱动衔铁高速运动，当电磁铁运动结束后进入吸合保持阶段，高电压以低占空比维持低功耗保持；当控制信号为低电平时，反向驱动线圈工作，高电压又以100％占空比脉宽调制信号输出，使电磁铁的反向驱动线圈电流迅速升到开启电流驱动衔铁高速复位，当电磁铁复位结束后进入复位保持阶段，高电压又以低占空比维持低功耗保持。

此驱动电路采用大电流开启，小电流保持，缩短了双向电磁铁吸合、复位时间，降低了吸合、复位保持功耗，提升了双向电磁铁的动态和稳态性能。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。