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基于MOSFET的电磁换向阀节能驱动技术
摘要：探讨了一种基于MOSFET的电磁换向阀节能驱动技术。首先对电磁换向阀的节能原理进行了描述，对电磁换向阀节能驱动电路进行了设计。然后对关键电路进行了详细设计，给出了其具体工作原理。最后设计了实验平台对电路进行了实验验证。结果表明，该节能驱动电路能够达到节能的目的，节能效率达到30%以上。
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电磁换向阀在液压系统中有着极为广泛的应用，电磁换向阀的可靠换向关系到液压油路的流动方向，从而影响液压系统的动作执行。电磁换向阀利用电磁力改变阀芯位置来实现开阀、闭阀或油路换向功能。阀用电磁铁是电磁换向阀的核心部件，通过对阀用电磁铁的控制即可实现对电磁换向阀的开关与换向控制。在很多大型液压设备中，电磁换向阀往往工作时间很长，这就导致了大量的电能损耗。本文基于MOSFET对驱动电路进行设计，使电磁换向阀功率损耗减小，从而达到节能的目的。
1、电磁换向阀节能驱动电路总体设计
在液压系统中，对电磁换向阀的控制实际上就是对阀用电磁铁的控制。当液压系统需要改变油路方向时，控制器会向阀用电磁铁输出电压信号使电磁铁吸合，从而使电磁换向阀的阀门开启或关闭，达到改变油路走向的目的。阀用电磁铁在开启时需要的电磁力较大，而开启结束后的保持阶段则需要较小的电磁力即可，所以本文设计了一种节能驱动电路，通过控制开关器件MOSFET的通断来改变作用在阀用电磁铁两端的有效电压，从而使电磁铁保持阶段的有效电压减小，达到节能的目的。
电磁换向阀节能驱动电路可通过对阀用电磁铁的控制实现电磁换向阀的节能驱动，节能驱动电路总体框图如图1所示。图1中，电源模块将输入的交流电整流稳压为符合要求的直流电并输送给PWM控制芯片UC2843B和阀用电磁铁；占空比设置模块用来设置控制芯片的输出占空比；信号给定模块将控制器的开关指令传送到控制芯片UC2843B；延时模块实现控制芯片延时改变占空比；MOSFET驱动模块接收控制芯片的PWM输出信号从而改变作用在阀用电磁铁两端的有效电压；状态反馈模块将MOSFET的开关状态反馈给上位机，并可通过上位机进行查看。
图1节能驱动电路总体框图
2、关键电路设计
(1)PWM控制芯片
PWM控制芯片UC2843B结构图如图2所示。芯片内部具有1个trimmed振荡器、1个温度补偿基准、1个电流采样比较器、1个高增益的误差放大器以及一个高电流图腾柱。trimmed振荡器使芯片具有非常精确的占空比控制；温度补偿基准可以提高误差放大器输入精度；电流采样比较器提供了电流限制控制；高电流图腾柱输出级可提供或吸收高峰值的电流，对功率MOSFET的驱动非常有利。
图2UC2843B结构图
PWM芯片UC2843B各引脚功能表如表1所示。
表1UC2843B引脚功能表
(2）延时电路设计
延时电路是整个电磁换向阀节能驱动电路的核心部分，通过延时电路控制PWM芯片输出2种不同占空比的矩形波来驱动MOSFET，达到控制电磁阀有效电压的目的。阀用电磁铁在开启时需要较大的磁力吸合，开启动作完成后的保持阶段需要的电磁吸力会减少很多。所以设计了延时电路，系统上电后的一小段时间不向控制芯片输入电压信号，电磁铁两端施加有效值较大的开启电压，开启动作结束后延时电路向PWM控制芯片输出一电压信号，从而改变PWM输出波形占空比，达到改变电磁铁两端有效电压的目的。延时电路图如图3所示。当5V电压加到电路中时，C14电解电容立即充电，此时三极管V4基极有电压加持，V4导通，R24、R25与GND连接，三极管V3基极电压为R25、R26并联分压，电压较小，V3不导通，Vfb输出电压为0。当电解电容C14充电完成，C14、R21与电源组成的通路被切断，三极管V4基极电压变为0,V4关断，此时R24、R26与电源组成的通路导通，三极管V3基极电压为R26分压，V3基极达到导通电压，V3导通，Vfb有电压输出。电阻R20、R21与二极管VD9组成的回路可加速电解电容放电。
图3延时电路图
(3）振荡频率设置及电流反馈电路设计
UC2843B的振荡频率设置及电流反馈电路如图4所示。由图4可知，Ise连接驱动芯片电流反馈端口，RCt连接振荡频率设置端口，S端连接主回路MOSFET源极。R8、R9、C9组成振荡频率设置电路，本文设置振荡频率为200Hz，并联的电阻、电容方便于实验中振荡频率的微调。
图4振荡频率设置及电流反馈电路图
(4）信号给定电路设计
信号给定电路通过主控单片机输出信号控制PWM控制器工作，其电路如图5所示。主控单片机向电路输入电压信号In，光电隔离器TF1导通，+15V电压、R5通路导通，三极管V1基极电压加持，V1导通，Vcc输出+15V直流电压。电容C5、C6起到滤波的作用，发光二极管VD4为信号指示。
3、实验验证
(1）实验平台设计
电磁换向阀节能驱动实验平台的示意图如图6所示。图6中配重砝码代替液压管路中的油压，可以通过改变配重砝码的重量代替液压系统中负载的变化，电磁铁在驱动电路的驱动下向上顶起配重砝码，模拟电磁换向阀在液压站中的工作过程。
图5信号给定电路图
图6电磁换向阀节能驱动实验平台示意图1.配重砝码2.电磁铁
实验装置结构框图如图7所示，图7中交流调压电源为驱动板提供36V交流电压；上位机用于与驱动板进行通信；示波器用来查看阀用电磁铁两端的电压波形；配重砝码与阀用电磁铁组成图6设计的电磁换向阀节能驱动实验平台。
图7实验装置结构框图
(2）实验结果
由图3可知，通过改变电阻R14的阻值即可改变输入控制芯片的电压值，从而改变控制芯片的输出PWM波的占空比。经实验可知，当R14=3.5kΩ时，电磁铁处于临界吸合状态，考虑开通裕量选定R14=3.7kΩ。电磁铁开通过程电压波形图如图8所示，因电压变化瞬态过程难以捕捉，所以分别展示变化前、后电压波形。图8(a）为电磁阀开通时的电压波形，此时主回路电流有效值为250.2mA。经延时电路延时约2.5s后，电磁阀转为保持电压加持，波形如图8(b）所示，回路电流有效值为205.1mA。带入电磁铁相关参数计算可得，额定负载下节能前电磁铁功率消耗为6.19W，节能后功率消耗约为4.29W，节能率达到30.7%。
图8电磁阀开通过程电压波形
4、结语
本文对基于MOSFET的电磁换向阀节能驱动技术进行了研究，设计了节能驱动电路，并对电路功能进行了验证，实现了电磁阀的节能驱动，解决了液压系统中电磁阀的功耗过大问题，使电磁阀在长时间工作中能保持相对较小的吸合功率，避免了因长时间大功率工作导致的器件损坏问题。
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期刊名称：煤矿机械
期刊人气：2110
主管单位：国家煤矿安全监察局
主办单位：哈尔滨煤矿机械研究所
出版地方：黑龙江
专业分类：煤矿
国际刊号：1003-0794
国内刊号：23-1280/TD
邮发代号：14-38
创刊时间：1980年
发行周期：月刊
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