高速電液閥已廣泛運(yùn)用在航空航天、柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)、車輪的防抱死制動系統(tǒng)、汽車減震器、深海、野外等眾多領(lǐng)域。作為高速電液閥的核心元件，電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的特性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的控制性能。因此，如何提升電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的特性尤其是動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，已成為近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

目前國內(nèi)外對高速電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的研究主要體現(xiàn)在高性能磁性材料和驅(qū)動電路兩個(gè)方面。一方面，超磁致伸縮材料和新型壓電PZT等新型材料在高速電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器上的應(yīng)用提高了電液閥的動態(tài)響應(yīng)特性，但是受到新型材料的應(yīng)用局限性及產(chǎn)權(quán)保護(hù)等限制，國內(nèi)對于高性能磁性材料在高速電液閥的應(yīng)用研究一直未能獲得突破性的進(jìn)展；另一方面，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在高速電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電路方面作了大量的研究，其主要的控制方式有模擬電路控制、數(shù)字脈寬調(diào)制（PWM）控制、雙電壓控制或多電壓控制。

A. Kumar等提出一種高頻響應(yīng)的高壓電磁噴油器驅(qū)動電路[11]，分別對三級功率晶體管驅(qū)動電路、單脈沖驅(qū)動電路、三級功率MOSFET管驅(qū)動電路進(jìn)行對比，研究結(jié)果表明：采用MOSFET管驅(qū)動延遲時(shí)間最短，在保持階段采用PWM控制有利于電磁噴油器的關(guān)閉。Cheng Qiang等通過仿真表明在不同的驅(qū)動策略下，電磁閥的功率損耗和動態(tài)響應(yīng)特性有顯著差異，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

郭樹滿等通過研究電磁閥在不同階段對電流變化快慢的不同要求，提出一種基于自舉電路的電磁閥驅(qū)動電路，提高了其保持階段電流的穩(wěn)定性、關(guān)閉階段的響應(yīng)特性和控制精度。王瓊等提出一種PWM維持占空比方式控制，并基于Matlab/Simulink建立仿真模型分析開關(guān)特性及關(guān)鍵參數(shù)對維持占空比、關(guān)閉速度的影響，表明該驅(qū)動電路能有效提高開關(guān)閥的響應(yīng)速度。

田靜等提出一種基于2501單片機(jī)的脈寬調(diào)制電路，運(yùn)用此驅(qū)動電路，高速開關(guān)閥開啟時(shí)間由4.9ms降低到3.9ms。陳仲華等提出一種高推力永磁游標(biāo)直線電機(jī)的開放式繞組空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector PWM, SVPWM）控制策略，該控制方式使電機(jī)系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性。夏鯤等提出一種電流反饋的分段式PWM控制方法，減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動，提高伺服系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性。

雙電壓控制或多電壓控制主要思路是采用大電流開啟，小電流保持，縮短了電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器開啟和關(guān)閉時(shí)間，降低了線圈發(fā)熱，來實(shí)現(xiàn)高頻響和低功耗等特性，是目前高速電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器驅(qū)動電路研究的一個(gè)重要方向。Lu Haifeng等對不同的驅(qū)動方式進(jìn)行了分析，提出一種基于雙電源的預(yù)激勵(lì)和反向激勵(lì)控制策略，該驅(qū)動方式明顯降低了電磁噴油器開關(guān)響應(yīng)時(shí)間。

湯龍飛等提出一種高壓直流閉環(huán)起動，低壓直流閉環(huán)保持的智能控制模塊，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋的控制方式。張斌等提出一種三電壓控制策略，通過仿真分別就常規(guī)PWM控制、雙電壓控制和三電壓控制進(jìn)行對比，結(jié)果表明三電壓控制在降低電磁閥開關(guān)時(shí)間上明顯優(yōu)于前兩者，而且可控頻率和可調(diào)占空比范圍大。

Lee Y. 等提出一種三電壓驅(qū)動電路，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該驅(qū)動電路較恒定電壓驅(qū)動方式，高速開關(guān)閥開啟時(shí)間從5ms降低到1.55ms，關(guān)閉時(shí)間由2.2ms降低到1.95ms。雙/多電壓驅(qū)動方式能有效提高電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，但是目前的技術(shù)要在多個(gè)不同的電源或功率放大電路之間進(jìn)行切換，對切換的實(shí)時(shí)性要求較高，電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

高速電磁鐵是一種結(jié)構(gòu)簡單、直線驅(qū)動、響應(yīng)快、成本低的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，本文的研究重點(diǎn)在于通過驅(qū)動電路的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提高動態(tài)響應(yīng)和降低穩(wěn)態(tài)功耗。為了解決雙/多電壓驅(qū)動方式多個(gè)電源或功率放大級切換電路的缺點(diǎn)，提出一種雙電壓合成信號脈寬調(diào)制的低功耗高速電磁鐵驅(qū)動電路，先由控制信號合成雙電壓信號，再產(chǎn)生一個(gè)前后占空比不同且可調(diào)的脈寬調(diào)制信號，最后由功率放大級來驅(qū)動高速電磁鐵。基于上述原理，建立高速電磁鐵及驅(qū)動電路的理論模型，仿真分析驅(qū)動電路電氣參數(shù)對高速電磁鐵動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的影響，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 高速電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)

圖13 高速電磁鐵及驅(qū)動電路測試系統(tǒng)

結(jié)論

1）提出一種雙電壓合成信號脈寬調(diào)制的低功耗高速電磁鐵驅(qū)動電路，該電路先由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路輸出的觸發(fā)信號與控制信號合成雙電壓信號，再經(jīng)比較器輸出一個(gè)前后占空比不同且可調(diào)的脈寬調(diào)制信號，最后由功率放大級來驅(qū)動高速電磁鐵，解決引言中雙/多電壓驅(qū)動方式多個(gè)電源或功率放大級切換電路的缺點(diǎn)。

2）建立了高速電磁鐵及驅(qū)動電路的理論模型，通過仿真分析證明了該低功耗高速電磁鐵驅(qū)動電路的可行性，并探討了驅(qū)動電路主要電氣參數(shù)如驅(qū)動電壓、PWM信號頻率、PWM信號占空比等對高速電磁鐵動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能的影響規(guī)律，為驅(qū)動電路原型樣機(jī)的制作提供參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)。

3）與典型恒定電壓和恒定占空比控制方式相比，該驅(qū)動電路作用下的電磁鐵動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能明顯提高，開啟時(shí)間為10ms，關(guān)閉時(shí)間為22ms，穩(wěn)態(tài)功耗為0.3W，表明該驅(qū)動電路具有動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)保持功率低、無需雙電源切換電路等優(yōu)勢，更好地滿足了低功耗高速電磁鐵的驅(qū)動要求。

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