电磁气门驱动电路设计探析

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

　　摘要：本文在国外和国内电磁气门驱动机构研究的基础上，从汽车传统的气门领域的发展情况着手，结合最新的汽车气门领域的发展情况，特别是电磁气门驱动的优势和发展状况，结合现有的电磁气门的工作原理和结构设计的优点设计，并根据相关的控制理论，重新设计了电磁气门的驱动电路，重新选择相对应的材料来设计各个模块，并对电磁气门驱动电路的性能试验提出了方法，为今后的进一步研究和开发打下坚实基础。

　　关键词：电磁气门；驱动电路设计；性能试验

　　中图分类号:G712         文献标识码:A      文章编号：1005-1422（2014）07-0176-03

    一、电磁气门电磁阀对功率驱动电路的要求

　　在电磁气门的能量输入方式中，功率驱动模块起到决定性的作用，它对电磁气门的工作过程有很大影响。为了实现电磁阀的高速响应性和强电磁作用力，驱动功率电路应满足以下要求：（1）在电磁气门的初始阶段（开启时刻），应该能保证气门能在弹簧的作用下迅速开启。（2）在电磁气门从开启向关闭的运动过程中，功率驱动模块应以尽可能高的速度为上电磁铁提供能量，使其产生足够大的电磁作用力，缩短响应时间，从而满足电磁阀的快速响应特性。（3）在电磁气门的闭合阶段，工作间隙很小，此时电磁线圈只要通入较小的保持电流便能产生足够大电磁吸力。同时，小的电流也能减小线圈发热，降低能量消耗。

　　从功率驱动电路的要求可以看到，电磁气门机构的驱动电路应有如下特性：（1）电路中电流应该有快速的动态响应特性；（2）电流应该可调；（3）有过电流保护功能。

    二、电磁气门的驱动电路图设计方案的确定

　　在电磁气门驱动（EMVA）控制系统的研究方面，目前比较成熟的功率驱动类型有三种，即增压式、调压式和电容式。

　　1.增压式驱动方式是使用增压电路提供远高于车用电压12V的电压来驱动电磁铁的线圈，能够满足电磁阀的快速响应特性。但其电路设计比较复杂，能耗较高。

　　2.调压式驱动方式分为线性调压式和脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）调压式驱动。线性调压式采用12V车用电压，经过对电压进行线性调节得到合理的驱动电流。PWM（脉宽调制）调压式在目前控制系统中应用较多，相对于线性调压它具有电路简单、节约能耗等优点。

　　3.电容式驱动方式是通过对高压电容放电，从而提供给电磁线圈瞬间高变化速率电流使控制阀迅速达到工作位置，工作气隙减小到只需很低的电流便能维持正常工作时，由12V车用电瓶电压提供此维持电流。

　　三种驱动类型各有特色，又相互有交叉应用之处，通过比较，采用ＰＷＭ（脉宽调制）调压式驱动模块。

　　为了保证功率驱动电路的正常工作，需要对驱动电路选取功率开关元件。对于ＰＷＭ（脉宽调制）驱动模块，目前应用在这种驱动模块的功率开关元件主要有达林顿晶体管(DT)、功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)，它们各有自己的特点：

　　1.达林顿晶体管(DT)是电流驱动型器件，它将两只或更多只晶体管的集电极连在一起，而将第一只晶体管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基极，依次连接而成，最后引出E、B、C三个电极。达林顿晶体管有很高的放大系数，能够提高驱动能力，获得大电流输出。

　　2.功率场效应晶体管(MOSFET)是电压驱动型器件，开关损耗几乎为零，工作频率高，可以并联使用，没有二次击穿问题，使用方便，容易驱动，但其额定电流一般小于80A。

　　3.绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)是一种复合功率器件，有高功率和易驱动的双重优点，但是其价格昂贵，开关速度比较低。

　　综合以上因素，对ＰＷＭ（脉宽调制）调压式驱动模块，决定采用功率场效应晶体管(MOSFET)，因为其价格便宜且所用电路简单，虽然额定电流一般小于80A但能满足电磁气门驱动20A的要求。

     三、电磁气门的功率保护电路的设计

　　目前常见电磁气门的功率保护电路有以下三种：

　　1.稳压二极管保护电路：在感性元件的两端对接一个稳压二极管和一个普通二极管。当电磁线圈断电后，产生的反向电动势快速升高使稳压管击穿而导通，能量在稳压管中消耗掉。

　　2.二极管保护电路：这种方式很常见，即在感性元件的两端连接一个普通二极管，利用感性元件的内阻将感性元件所储存的磁场能量消耗掉。

　　3.二极管—电阻保护电路：即在感性元件的两端接上一个普通二极管和一个电阻。这种方式消耗电感元件所储存的磁场能量速度比较快。

　　综合分析以上三种保护电路，根据所选的驱动模块，采用二极管—电阻保护电路。其电路结构如图1所示：

图1二极管-电阻保护电路

     四、抗干扰设计

　　电子控制系统必须具有很高的可靠性和抗干扰性能，才能保证它的正常工作。因此在设计控制系统时，必须采取一些必要的措施。针对干扰进入控制系统的途径，相应制定出以下防护措施：

    1.空间电磁干扰豹防护措施

　　SI发动机点火系统在工作时产生高压脉冲，同时向空间辐射电磁波，其特点是能量大、频带宽，这种干扰严重影响发动机控制系统的正常运行。本文主要采取屏蔽措施来抑制电磁波的干扰，具体做法是：传输信号线采用带金属屏蔽层的双绞线。

    2.过程通道干扰的防护措施

　　过程通道是指计算机与外设的输入输出通道，包括数据采集系统及驱动电路。

    3.供电系统干扰的防护措施

　　电源噪声干扰和接地干扰是供电系统干扰的两个主要来源。为了抑制电源噪声，在电路板上电源输入端加接滤波电容，在电源线和地线之间分段跨接去耦电容。电源电路分级加上各阶次的电容，以滤掉各频率的毛刺电压干扰。接地干扰是由于多点接地时，两接地点的电位不为零，并存在一个电位差，此电位差与电路的输入输出电压耦合而形成干扰，或者由于两个电路经公共地线接地时，两个电路的电流不同而产生干扰。

    五、电磁气门电路图的设计以及实验结果

　　1.电路图的设计

　　根据前面的材料选择，经过综合分析设计出如图2所示的电路图模块和图3所示的电磁气门驱动电路逻辑图：

图2电路图模块

图3电磁气门驱动电路逻辑图

　　图3中驱动信号1为U1，驱动信号2为U2，控制信号为PWM波(具体见图4)。

图4电磁气门驱动电路的整体设计

采用窜行通信端口，从PC机将各个PWM波的频率，占空比及相互间的时序关系等信息传递到单片机，在单片机定时模块和PWM模块的配合下，由单片机发出四路PWM信号，经逻辑电路组合形成两路控制脉冲U1U2，分别控制下、上电磁铁。

图5单片机模块

　　2.实验结果

　　将自行设计开发的EMVA安装在模拟缸头上进行试验,该试验台由EMVA、功率驱动模块、电控单元（ECU）、PC机、传感器及示波器组成。如图6所示：

图6

经试验研究得到驱动信号与控制信号的形成的时序图形如图7。

图7驱动信号形成的时序图

　　控制信号和脉冲信号通过逻辑电路产生两路控制脉冲:驱动信号1和驱动信号2，分别用来驱动下电磁铁和上电磁铁。下电磁铁和上电磁铁受到驱动信号1和驱动信号2的驱动后，分别在下电磁线圈和上电磁线圈中形成驱动电流1和驱动电流2，控制气门的开启和关闭。通过调节脉冲信号的通电时间t1、t2 、t3、 t4 及t3 段PWM波的周期和占空比d来实现。t1表示峰值电压的通电时间,对应于驱动电流的上升阶段，决定了电磁力是否可以克服弹簧力和机械阻力以便迅速、准确地打开或关闭气门。t2表示峰值电压的切断时间，峰值电压切断后，线圈瞬时产生很高的反电动势,线圈电流不可能突变为零，在驱动电路中采用续流二极管法使线圈电流快速泄流，但又不希望其降为零，将其控制在所需的保持电流附近，t2 的选择对衔铁落座影响很大。t3为ＰＷＭ脉冲通电时间，对应于保持电流阶段，决定ＰＷＭ脉冲的因素为周期T和占空比d，占空比d对驱动电流的影响更大，d过大则保持电流过大，加大衔铁的落座速度和系统的能量消耗，d过小则保持电流过小，电磁力无法克服弹簧力和机械阻力使气门无法保持在极限位置，而在弹簧力作用下反向运动。t4为PWM断电时间，此阶段驱动电流降为零，气门不受电磁力，在弹簧力作用下作有阻尼自由振动。

　　单片机通过传感器接口电路检测转速和负荷信号并修正后，通过查询预先存储的MAP图，得到相应的气门定时和气门升程，并由此得到电磁阀的控制电流，然后输出一个脉冲信号以适当的电流驱动电磁阀，是气门开闭，从而实现气门的驱动控制在驱动脉冲信号2主脉冲的上升沿，功率场效应晶体管导通，上电磁阀线圈内的电流按指数规律上升，上升到某一定值（一般为15-20A），衔铁吸合，线圈内的电流按另一种指数规律上升。主脉冲的下降沿到来时，线圈内的电流按指数规律下降，当下降到电磁线圈能保持吸合状态的保持电流时，PWM保持波的上升沿工作，接着电磁线圈中的电流在PWM波的作用下围绕保持电流上下波动，衔铁与上电磁阀铁芯吸合，气门处于关闭状态。直到PWM波结束，电磁力逐渐减小当电磁力无法克服弹簧反力时，衔铁在弹簧反力的作用下向下电磁阀方向运动，在适当时刻，给下电磁阀施加驱动脉冲信号1，在电磁力和弹簧力的共同作用下，使衔铁与下电磁阀吸合，然后利用PWM的保持波使衔铁处于吸合状态，此时气门全开状态，一个循环完成。

　　　　
    参考文献：

　　［1］赵雨东等.电磁气门驱动设计及其电磁铁静吸力特性试验［J］.内燃机学报，2002（4）.

　　［2］汪波等.发动机电磁气门驱动开环控制系统设计与试验［J］.汽车技术，2002（7）.

　　［3］李莉.电磁驱动气门机构的设计开发和试验研究［D］.浙江大学，2004.

　　［4］ 李莉，王希珍，严兆大等.电磁驱动气门机构控制策略初探［J］.汽车工程，2004（4）.

　　［5］赵鹏.电磁可变气门研究［D］.重庆交通大学，2007.