螺線管原理

螺線管是一種機(jī)電致動(dòng)器，帶有一個(gè)可自由移動(dòng)的磁芯(稱為柱塞)。一般來說，螺線管由螺旋線圈和鐵制成的移動(dòng)芯組成。

當(dāng)電流通過螺線管線圈時(shí)，它會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生拉動(dòng)柱塞的力。當(dāng)磁場(chǎng)產(chǎn)生足夠的力來拉動(dòng)柱塞時(shí)，它會(huì)在螺線管內(nèi)移動(dòng)，直到到達(dá)機(jī)械停止位置。當(dāng)柱塞已經(jīng)在螺線管內(nèi)時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生力將柱塞固定到位。當(dāng)電流從螺線管線圈中移除時(shí)，柱塞將返回其原始位置，由螺線管中安裝的彈簧推動(dòng)。

圖 1 顯示了螺線管的結(jié)構(gòu)。

圖 1. 螺線管結(jié)構(gòu)圖

驅(qū)動(dòng)螺線管的最常見方法是在螺線管線圈中施加所需的電壓。這通常可以使用配置在高壓側(cè)或低壓側(cè)的單個(gè)功率晶體管來實(shí)現(xiàn)。功率晶體管需要與螺線管并聯(lián)的飛輪二極管，因?yàn)槁菥€管線圈具有高電感，會(huì)試圖將電流推入晶體管。雖然這種方法簡(jiǎn)單且便宜，但它的功率效率不高。這是因?yàn)槁菥€管通常需要大量電流來拉入柱塞，但當(dāng)柱塞被拉入時(shí)，它不需要相同量的電流。在簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)方法中，當(dāng)柱塞被拉入時(shí)，保持柱塞，施加到螺線管的電流主要通過其內(nèi)部電阻產(chǎn)生熱量。公式 1 給出了內(nèi)部螺線管電阻所消耗的功率。

解決此問題的另一種方法是使用電流調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器來激活和停用螺線管。該驅(qū)動(dòng)器可以在螺線管中施加峰值電流值，直到其拉入柱塞，然后它可以將電流降低到保持值。這種策略大大降低了內(nèi)部螺線管電阻中消耗的功率。該驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以使用更大電壓范圍內(nèi)的螺線管。這意味著驅(qū)動(dòng)器允許設(shè)計(jì)為以較低電壓(例如 5 伏)工作的螺線管以更高的電源電壓工作而不會(huì)損壞(例如，使用 12 伏電源)。

以下部分將描述使用SLG47105 HVPAK器件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)螺線管的電流調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器。

GreenPAK 設(shè)計(jì)理念

可以使用單個(gè) SLG47105 器件驅(qū)動(dòng)兩個(gè)不同的螺線管。SLG47105 器件將控制流過螺線管的電流，并告知用戶每個(gè)螺線管的狀態(tài)(開啟、關(guān)閉或故障狀態(tài))。圖 2 顯示了顯示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的概念框圖。

圖 2. 采用 SLG47105 的節(jié)能電磁閥驅(qū)動(dòng)器框圖

圖表的右上方顯示了高壓輸出 (HVOUT) 模塊的內(nèi)部配置及其與外部螺線管的連接。連接到引腳 7 的輸出配置為推挽，連接到引腳 8 的輸出配置為開漏。此開漏輸出在啟動(dòng)延遲后始終保持開啟狀態(tài)。引腳 5 內(nèi)部連接到引腳 8 的 N-Mosfet 和內(nèi)部電流放大器。引腳 5 用于測(cè)量螺線管電流并將其與內(nèi)部參考進(jìn)行比較，將比較結(jié)果發(fā)送到 PWM 控制器 1 模塊。

PWM 控制器 1 塊生成調(diào)節(jié)連接到引腳 7 和 8 的螺線管電流所需的 PWM。它有兩個(gè)設(shè)定點(diǎn)，一個(gè)用于螺線管峰值電流，另一個(gè)用于螺線管保持電流。PWM 控制器的開/關(guān)輸入由其左側(cè)的 AND 端口激活。AND 端口連接到啟動(dòng)延遲塊和引腳 2，后者用作打開和關(guān)閉螺線管的外部接口。

連接到 AND 端口的啟動(dòng)延遲塊用于確保 IC 上電時(shí)所有內(nèi)部塊均正確初始化。AND 端口的輸出連接到另一個(gè)延遲塊。當(dāng) PWM 控制器打開時(shí)，它配置為將螺線管電流調(diào)節(jié)為其峰值電流值。延遲 50 毫秒后，延遲塊切換 PWM 配置以將螺線管電流調(diào)節(jié)為其保持電流值。

PWM 控制器 1 模塊的開/關(guān)輸入也連接到多路復(fù)用器的其中一個(gè)輸入。另一個(gè)多路復(fù)用器輸入連接到頻率為 1 赫茲的方波信號(hào)。多路復(fù)用器輸出由 HVOUT 模塊中的 FAULT 信號(hào)控制。當(dāng) FAULT 信號(hào)未指示任何故障時(shí)，開/關(guān)輸入通過引腳 17(即 SOLENOID 1 STATUS 輸出)進(jìn)行緩沖。當(dāng) FAULT 信號(hào)指示故障時(shí)，方波信號(hào)在此輸出中驅(qū)動(dòng)。SOLENOID 1 STATUS 旨在驅(qū)動(dòng)外部 LED 并向用戶顯示螺線管狀態(tài)。當(dāng) LED 以方波輸出頻率閃爍時(shí)，此狀態(tài)可以打開、關(guān)閉或處于故障狀態(tài)。

引腳 14 中提供了一個(gè)額外的 FAULT 輸出作為開漏輸出。此輸出旨在驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，例如微控制器。

PWM 控制器 1 下方是 PWM 控制器 2，從圖 2 中可以看出，PWM 控制器 2 周圍的控制結(jié)構(gòu)與 PWM 控制器 1 類似。

兩個(gè) FAULT 輸出可以外部連接，因?yàn)樗鼈兪情_漏輸出，如果任何一個(gè)輸出發(fā)生故障，就會(huì)為外部設(shè)備提供單個(gè) FAULT 信號(hào)。

一個(gè)附加模塊是 I2C;它可用于重新配置峰值和保持電流設(shè)置。

應(yīng)用電路

圖3顯示了與本文使用的相同的典型應(yīng)用電路。

圖 3. 典型應(yīng)用的電子電路簡(jiǎn)化示意圖

圖 3 顯示了驅(qū)動(dòng)兩個(gè)不同螺線管(標(biāo)識(shí)為 S1 和 S2)的典型應(yīng)用的簡(jiǎn)化示意圖。如示意圖所示，驅(qū)動(dòng)器由連接到 5 伏電源的兩個(gè)按鈕控制。螺線管與一個(gè) 0.1Ω 的小電阻一起連接到相應(yīng)的 HVOUT 輸出。此電阻用于允許通過螺線管進(jìn)行外部電流測(cè)量，對(duì)于最終應(yīng)用而言不是必需的。對(duì)于 SLG47105 電流測(cè)量，兩個(gè) 0.11Ω 的電阻連接到引腳 5 和 12。螺線管狀態(tài)輸出連接到綠色 LED，故障輸出連接到紅色 LED。

本文使用兩種規(guī)格完全不同的螺線管。表1列出了螺線管S1和S2的主要規(guī)格。

表 1. 螺線管 S1 和 S2 的規(guī)格

電磁閥電流設(shè)置

螺線管電流將以受控的峰值電流值開始，在初始延遲后，它將降低到保持電流值。我們?nèi)我舛x保持電流應(yīng)為標(biāo)稱峰值電流的 20%。根據(jù)此定義，可以計(jì)算保持電流中耗散的功率以及檢測(cè)電阻上的相應(yīng)電壓。表 2 顯示了每個(gè)螺線管的理想螺線管電流、耗散功率和檢測(cè)電阻上的電壓。

表 2. 理想配置的電流、耗散功率和檢測(cè)電阻電壓

峰值電流值是額定電壓下的螺線管額定電流。保持電流通過將峰值電流乘以 0.2(20%)計(jì)算得出。峰值和保持電流計(jì)算為內(nèi)部螺線管電阻上耗散的功率。感測(cè)電阻使用歐姆定律通過 0.11Ω 的感測(cè)電阻計(jì)算得出。S2 的額定線圈電阻使用額定螺線管電壓及其峰值電流值計(jì)算得出。

值得注意的是，用于與 SLG47105 中的檢測(cè)電阻電壓進(jìn)行比較的參考電壓由內(nèi)部 6 位 DAC 提供。我們必須將調(diào)節(jié)后的電流調(diào)整到最接近的 SLG47105 內(nèi)部參考電壓?？紤]到這一點(diǎn)，選擇了表 3 中所示的以下電壓參考值。表 3 顯示了內(nèi)部電壓和相應(yīng)的電流。所有內(nèi)部值都是所需檢測(cè)電阻電壓的 8 倍，因?yàn)橥獠侩妷涸趦?nèi)部放大了 8 倍(下一節(jié)將更詳細(xì)地介紹)。峰值和保持電流值是使用歐姆定律通過檢測(cè)電阻計(jì)算的。

表 3. 內(nèi)部電壓參考及相應(yīng)的電流和耗散功率

表 3 中標(biāo)有 (*) 的值是通過計(jì)算得出的，但這些值不可能實(shí)現(xiàn)，并不代表現(xiàn)實(shí)。對(duì)于 S2，峰值電流不需要電流調(diào)節(jié)，因?yàn)槁菥€管的內(nèi)部電阻會(huì)限制電流?？紤]到這一點(diǎn)，我們決定設(shè)置最大電流值的參考。

結(jié)論

在本文中，我們討論了螺線管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并概述了用于控制螺線管設(shè)備的應(yīng)用電路。在下一部分中，我們將深入研究實(shí)施步驟并測(cè)試實(shí)際解決方案。