比例電磁鐵推拉儲(chǔ)能式PWM功放電路

強(qiáng) 彥， 楊丹丹， 孫 輝， 趙保才， 鄒洪波， 魏列江

(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050；2.江蘇匯智高端工程機(jī)械創(chuàng)新中心有限公司， 江蘇 徐州 221004；3.杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

引言

為滿足高性能電液比例控制系統(tǒng)中工業(yè)裝備整機(jī)功率不斷加大、控制系統(tǒng)精度與響應(yīng)速度不斷提高的應(yīng)用需求，電液比例閥正朝著大流量、高頻響、控制智能化的方向發(fā)展[1-3]，而大功率高頻響比例電磁鐵作為大流量高頻響電液比例閥的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，其響應(yīng)速度是影響比例閥動(dòng)態(tài)特性的重要因素[4-5]。對于確定參數(shù)的比例電磁鐵，其功放電路的性能決定了電磁鐵線圈充、放電時(shí)間的長短，從而限制了比例電磁鐵的響應(yīng)速度[6-9]?，F(xiàn)有比例電磁鐵線圈均采用PWM開關(guān)式功放電路驅(qū)動(dòng)，主要有單管調(diào)制式[10-11]和反接卸荷式[11-14]：單管調(diào)制式功放電路結(jié)構(gòu)簡單，功耗較低，但線圈充、放電速度均較慢；反接卸荷式功放電路在比例電磁鐵線圈放電時(shí)將電源電壓反接在線圈兩端，針對額定電流為1A的比例電磁鐵線圈，放電時(shí)間與單管調(diào)制式功放相比縮短了80%。1998年，德國力士樂[11]提出了高電壓驅(qū)動(dòng)法，通過提高母線電壓來加快電流的上升速度。2010年，聶勇[11]在反接卸荷式功放電路的基礎(chǔ)上提出一種三態(tài)調(diào)制式功放電路，通過改進(jìn)PWM信號的調(diào)制方式在一定程度上提高了比例電磁鐵的動(dòng)態(tài)性能。2017年，徐兵等[13]建立了反接卸荷式功放電路的非線性數(shù)學(xué)模型，并提出新型電流控制器用以消除零位滯后現(xiàn)象。2020年，劉寧等[14]提出了一種雙邊驅(qū)動(dòng)電路，應(yīng)用其對應(yīng)的控制邏輯，可避免斷流現(xiàn)象。一些研究人員通過改善高速電磁閥線圈的續(xù)流方法及激勵(lì)電壓施加方式來加快其動(dòng)態(tài)響應(yīng)[15-17]。于正同等[18-19]在電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路中增加了接口保護(hù)電路，并采用分組電流控制方法，提高了電磁閥的響應(yīng)速度。以上研究均針對小功率低電流電磁鐵功放電路的不同方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)與改進(jìn)，但對于大流量高頻響閥，例如力士樂4WRLD系列、4WRPH6系列等閥的比例電磁鐵線圈，其額定電流往往不小于2.5 A，且該類閥對線圈的充放電速度要求更高，而上述功放電路在該方面仍存在不足。

針對傳統(tǒng)功放電路難以滿足大電流高頻響比例電磁鐵線圈快速充放電要求的問題，本研究提出一種推拉儲(chǔ)能式PWM功率放大電路。通過在比例電磁鐵的功放電路中設(shè)置儲(chǔ)能模塊，使線圈需要快速放電時(shí)，利用儲(chǔ)能模塊將線圈存儲(chǔ)的能量進(jìn)行回收，縮短比例電磁鐵線圈的放電時(shí)間；線圈需要快速充電時(shí)，儲(chǔ)能模塊釋放能量，補(bǔ)充電源電流輸出，縮短線圈的充電時(shí)間，由此加快了比例電磁鐵的響應(yīng)速度，且該驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流動(dòng)靜態(tài)性能良好。

1 推拉儲(chǔ)能式PWM功放理論分析

1.1 工作原理

圖1為推拉儲(chǔ)能式PWM功放原理圖，推拉儲(chǔ)能式功放包括儲(chǔ)能模塊與非對稱橋臂模塊，儲(chǔ)能模塊由升壓儲(chǔ)能單元及過壓保護(hù)單元組成，其中升壓儲(chǔ)能單元主要包括儲(chǔ)能電容與穩(wěn)壓二極管，該單元可根據(jù)所驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵的不同，靈活改變電容與二極管之間的連接形式，如多電容串聯(lián)提高耐壓值以達(dá)到目的高壓，多電容并聯(lián)增大容值來存儲(chǔ)更多能量等，從而實(shí)現(xiàn)最佳驅(qū)動(dòng)。非對稱橋臂模塊由2個(gè)功率MOS管Q1，Q2和2個(gè)續(xù)流二極管D4，D5組成。非對稱橋臂中間連接比例電磁鐵，兩橋臂上的功率管與二極管交替導(dǎo)通與截止，實(shí)現(xiàn)比例電磁鐵線圈的充電與放電，該功放電路存在開關(guān)函數(shù)F：

圖1 推拉儲(chǔ)能式PWM功放原理圖

(1)

當(dāng)F=1時(shí)，形成比例電磁鐵線圈的充電回路，儲(chǔ)能模塊釋放能量；當(dāng)F=0時(shí)，形成電磁鐵線圈的放電回路，儲(chǔ)能模塊吸收能量。

1.2 工作過程

以圖2儲(chǔ)能形式為例，對推拉儲(chǔ)能式PWM功放的具體工作過程進(jìn)行說明，電路做如下簡化：

(1) 忽略比例電磁鐵的非線性電感，將其等效為電感-電阻串聯(lián)的L-R模型[20-22]，L為比例電磁鐵等效電感，R為比例電磁鐵等效電阻；

(2) 功率管及二極管的導(dǎo)通電阻相對于負(fù)載非常小，故認(rèn)為各狀態(tài)下這些電阻相等，均為RS。

設(shè)ion(t)為比例電磁鐵線圈充電狀態(tài)下的電流，ioff(t)為比例電磁鐵線圈放電狀態(tài)下的電流，τ=L/R為比例電磁鐵時(shí)間常數(shù)，VCC_1為電源電壓，T為PWM信號的周期，D為PWM信號的占空比，0≤D≤1。

1) 狀態(tài)1，t∈[0,DT]

狀態(tài)1為比例電磁鐵線圈初始充電過程。控制信號PWM_HO與PWM_LO均為高電平，Q1，Q2導(dǎo)通，D4，D5截止，此時(shí)形成2條充電回路，如圖2a所示，回路1：電源電壓VCC_1經(jīng)D1，D2向儲(chǔ)能電容C1充電；回路2：電源電壓VCC_1經(jīng)二極管D1，D2對比例電磁鐵線圈充電，線圈電流逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得：

(2)

解得：

(3)

2) 狀態(tài)2，t∈[(k+D)T,(k+1)T]，k=0,1,2，…，n

狀態(tài)2為比例電磁鐵線圈的放電過程，即推拉儲(chǔ)能的“拉”狀態(tài)?？刂菩盘朠WM_HO與PWM_LO均為低電平，Q1，Q2截止，D4，D5在線圈等效電感的續(xù)流效應(yīng)下導(dǎo)通，形成如圖2b所示的放電回路，線圈存儲(chǔ)的能量經(jīng)該回路進(jìn)入儲(chǔ)能電容中，電壓迅速增高。推拉儲(chǔ)能式功放電路在線圈放電狀態(tài)下等效回路為二階電路，根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得：

(4)

解得：

ioff(t)=ioff(0)e-αtcos(ωdt)+

t∈[(k+D)T,(k+1)T],k=0,1,2，…，n

(5)

uC1—— 儲(chǔ)能電容上的電壓

3) 狀態(tài)3，t∈[kT，(k+D)T],k=1,2,3，…，n

狀態(tài)3為比例電磁鐵線圈的非初始充電過程，即推拉儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的“推”狀態(tài)。PWM_HO與PWM_LO均為高電平，Q1，Q2開啟，D4，D5截止，該狀態(tài)也形成2條充電回路，如圖2c所示，回路1：電源電壓VCC_1經(jīng)D1，D2對比例電磁鐵線圈充電； 回路2： 儲(chǔ)能電容C1

圖2 推拉儲(chǔ)能式功放工作過程

上的電壓加載到比例電磁鐵線圈上。當(dāng)電壓下降到與電源電壓相等時(shí)，回路1開始工作，在回路1與回路2的共同作用下，線圈電流迅速“推”升到穩(wěn)態(tài)值。推拉儲(chǔ)能式功放電路在狀態(tài)3中分為2個(gè)階段：

(1) 階段1，uc1>VCC_1該階段儲(chǔ)能電容向比例電磁鐵供電，根據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVL)可得到：

(6)

解得：

ion(t)=iL(kT)e-αtcos(ωdt)+

t∈[kT,(k+D)T],k∈N，且uC1>VCC_1

(7)

式中，iL—— 比例電磁鐵等效電感上的電流。

(2) 階段2，uc1≤VCC_1該階段由電源電壓VCC_1向比例電磁鐵充電，因此可得到：

(8)

解得：

t∈[kT,(k+D)T],k=1,2,3,…,n,且uC1≤VCC_1

(9)

通過以上分析可以看出，比例電磁鐵推拉儲(chǔ)能式PWM功放電路進(jìn)行工作時(shí)，先經(jīng)過狀態(tài)1，再在狀態(tài)2和狀態(tài)3之間互相轉(zhuǎn)換，利用線圈存儲(chǔ)的能量并借助儲(chǔ)能電容實(shí)現(xiàn)了比例電磁鐵線圈電流快速跟隨給定信號，進(jìn)而完成功率放大的作用。

1.3 功放電路階躍響應(yīng)對比

推拉儲(chǔ)能式與反接卸荷式兩種功放電路的PWM信號與線圈電流的對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示，PWM信號為高電平時(shí)，比例電磁鐵線圈充電，PWM信號為低電平時(shí)，比例電磁鐵線圈放電。在比例電磁鐵線圈充電時(shí)，兩種功放對PWM上升階躍信號的響應(yīng)表述為：

圖3 PWM信號產(chǎn)生的比例電磁鐵線圈電流

(10)

對PWM下降階躍信號的響應(yīng)表述為：

(11)

進(jìn)而得到比例電磁鐵線圈的充電與放電速度如式(12)、式(13)所示。在時(shí)間t一定時(shí)，線圈的充放電速度取決于加載到比例電磁鐵兩端的電壓，電壓越高，充放電速度越快。而推拉儲(chǔ)能式PWM功放電路中儲(chǔ)能模塊的存在，使得線圈能量存儲(chǔ)到儲(chǔ)能電容C1時(shí)，電壓uC1升高，當(dāng)uC1>VCC_1時(shí)，推拉儲(chǔ)能式線圈充電速度快于反接卸荷式，推拉儲(chǔ)能式線圈放電速度快于反接卸荷式。在推拉儲(chǔ)能式功放中，比例電磁鐵線圈的充放電速度均優(yōu)于傳統(tǒng)功放，因此階躍響應(yīng)更迅速。

(12)

(13)

2 仿真研究

為驗(yàn)證推拉儲(chǔ)能原理的有效性，本研究在Multisim軟件中搭建了推拉儲(chǔ)能式PWM功放電路的仿真模型，并對其仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 功放電路主要參數(shù)

對推拉儲(chǔ)能式PWM功放電路做0～3.2 A的上升階躍和3.2～0 A的下降階躍仿真，并與單管調(diào)制式和反接卸荷式兩種功放電路進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如圖4與圖5所示，上升階躍響應(yīng)中，反接卸荷式功放電路的上升時(shí)間約為38 ms，推拉儲(chǔ)能式功放電路的上升時(shí)間則為28.4 ms，推拉儲(chǔ)能式功放的電流上升速度得到了顯著提升，上升到線圈穩(wěn)態(tài)電流所需時(shí)間更短，推拉儲(chǔ)能式PWM功放相較于反接卸荷式功放電流階躍響應(yīng)時(shí)間縮短了近25%；在下降階躍響應(yīng)中，與反接卸荷式功放電路相比，推拉儲(chǔ)能式功放電路的電流衰減時(shí)間也明顯縮短， 反接卸荷式功放的電流衰減時(shí)間約為3.5 ms，而推拉儲(chǔ)能式功放僅為1.9 ms，電流衰減時(shí)間相比反接卸荷式縮短了46%左右。由此可見，推拉儲(chǔ)能式功放電路明顯縮短了線圈的充放電時(shí)間，加快了比例電磁鐵的響應(yīng)。

圖4 上升階躍響應(yīng)仿真波形

圖5 下降階躍響應(yīng)仿真波形

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 功放電路實(shí)驗(yàn)裝置

依據(jù)本研究提出的推拉儲(chǔ)能原理，設(shè)計(jì)了推拉儲(chǔ)能式PWM功放電路的原型樣機(jī)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，其中直流穩(wěn)壓電源提供+24 V直流電壓，示波器采集并記錄比例電磁鐵電流波形及數(shù)據(jù)，功率驅(qū)動(dòng)板所需PWM控制信號由開發(fā)板給出，比例電磁鐵型號為GP63S。

1.PC機(jī) 2.示波器 3.直流穩(wěn)壓電源 4.開發(fā)板 5.推拉儲(chǔ)能式功放原型樣機(jī) 6.比例電磁鐵

對比實(shí)驗(yàn)包括比例電磁鐵線圈的上升階躍與下降階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖7和圖8分別為推拉儲(chǔ)能式與反接卸荷式功放電路0～3.2 A的上升階躍與3.2～0 A下降階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形。其中，PWM信號峰值為3.3 V，頻率為5 kHz，通過測量采樣電阻R0兩端電壓間接獲取比例電磁鐵的輸出電流。從上升與下降階躍的實(shí)驗(yàn)波形可以看出，反接卸荷式功放電路的上升階躍時(shí)間(上升到穩(wěn)態(tài)電流的90%)約為39.4 ms，而推拉儲(chǔ)能式功放電路上升到穩(wěn)態(tài)電流的速度加快，上升時(shí)間為29.9 ms，相比之下電流上升時(shí)間縮短24%。從圖8可以看出。反接卸荷式功放電路的下降時(shí)間為4 ms，推拉儲(chǔ)能式功放電路的下降時(shí)間為2.2 ms，相比反接卸荷式功放，推拉儲(chǔ)能式功放電路的下降階躍響應(yīng)時(shí)間縮短了45%。將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總并進(jìn)行比較，結(jié)果見表2，可以看出兩種功放電路的階躍響應(yīng)時(shí)間仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

圖7 上升階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形

圖8 下降階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形

表2 階躍響應(yīng)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本研究提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于推拉儲(chǔ)能原理的比例電磁鐵PWM功放電路，通過對電路模型的仿真與原型樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)對該功放電路進(jìn)行了分析驗(yàn)證，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明推拉儲(chǔ)能式功放電路具有以下特點(diǎn)：

(1) 在比例電磁鐵功放電路中設(shè)置儲(chǔ)能模塊，儲(chǔ)能模塊在電磁鐵線圈放電時(shí)吸收線圈存儲(chǔ)的能量，并在線圈放電時(shí)將其釋放，利用該能量轉(zhuǎn)化成的高電壓加快了比例電磁鐵線圈的充放電速度，縮短了線圈充放電時(shí)間；

(2) 上升階躍響應(yīng)中，推拉儲(chǔ)能式功放電路的比例電磁鐵線圈充電時(shí)間相比傳統(tǒng)反接卸荷式功放電路縮短了24%，下降階躍響應(yīng)中，線圈放電時(shí)間相比反接卸荷式縮短了45%，推拉儲(chǔ)能式功放電路顯著提高了比例電磁鐵的響應(yīng)速度；

(3) 將比例電磁鐵線圈能量通過儲(chǔ)能模塊進(jìn)行回收，并再次用于比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了能量的二次利用可對比例電磁鐵的功放電路設(shè)計(jì)提供一定的參考。