作者簡介：潘獻鎮(zhèn)（1987-），男，開平市機電中等職業(yè)技術學校，汽修中學二級教師，汽車維修高級工。研究方向：汽車維修。（廣東 開平/529381）摘要：本文在國外和國內電磁氣門驅動機構研究的基礎上，從汽車傳統(tǒng)的氣門領域的發(fā)展情況著手，結合最新的汽車氣門領域的發(fā)展情況，特別是電磁氣門驅動的優(yōu)勢和發(fā)展狀況，結合現有的電磁氣門的工作原理和結構設計的優(yōu)點設計，并根據相關的控制理論，重新設計了電磁氣門的驅動電路，重新選擇相對應的材料來設計各個模塊，并對電磁氣門驅動電路的性能試驗提出了方法，為今后的進一步研究和開發(fā)打下堅實基礎。

關鍵詞：電磁氣門；驅動電路設計；性能試驗

中圖分類號:G712 文獻標識碼:A文章編號：1005-1422（2014）07-0176-03一、電磁氣門電磁閥對功率驅動電路的要求

在電磁氣門的能量輸入方式中，功率驅動模塊起到決定性的作用，它對電磁氣門的工作過程有很大影響。為了實現電磁閥的高速響應性和強電磁作用力，驅動功率電路應滿足以下要求：（1）在電磁氣門的初始階段（開啟時刻），應該能保證氣門能在彈簧的作用下迅速開啟。（2）在電磁氣門從開啟向關閉的運動過程中，功率驅動模塊應以盡可能高的速度為上電磁鐵提供能量，使其產生足夠大的電磁作用力，縮短響應時間，從而滿足電磁閥的快速響應特性。（3）在電磁氣門的閉合階段，工作間隙很小，此時電磁線圈只要通入較小的保持電流便能產生足夠大電磁吸力。同時，小的電流也能減小線圈發(fā)熱，降低能量消耗。

從功率驅動電路的要求可以看到，電磁氣門機構的驅動電路應有如下特性：（1）電路中電流應該有快速的動態(tài)響應特性；（2）電流應該可調；（3）有過電流保護功能。

二、電磁氣門的驅動電路圖設計方案的確定

在電磁氣門驅動（EMVA）控制系統(tǒng)的研究方面，目前比較成熟的功率驅動類型有三種，即增壓式、調壓式和電容式。

1.增壓式驅動方式是使用增壓電路提供遠高于車用電壓12V的電壓來驅動電磁鐵的線圈，能夠滿足電磁閥的快速響應特性。但其電路設計比較復雜，能耗較高。

2.調壓式驅動方式分為線性調壓式和脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）調壓式驅動。線性調壓式采用12V車用電壓，經過對電壓進行線性調節(jié)得到合理的驅動電流。PWM（脈寬調制）調壓式在目前控制系統(tǒng)中應用較多，相對于線性調壓它具有電路簡單、節(jié)約能耗等優(yōu)點。

3.電容式驅動方式是通過對高壓電容放電，從而提供給電磁線圈瞬間高變化速率電流使控制閥迅速達到工作位置，工作氣隙減小到只需很低的電流便能維持正常工作時，由12V車用電瓶電壓提供此維持電流。

三種驅動類型各有特色，又相互有交叉應用之處，通過比較，采用ＰＷＭ（脈寬調制）調壓式驅動模塊。

為了保證功率驅動電路的正常工作，需要對驅動電路選取功率開關元件。對于ＰＷＭ（脈寬調制）驅動模塊，目前應用在這種驅動模塊的功率開關元件主要有達林頓晶體管(DT)、功率場效應晶體管(MOSFET)和絕緣柵型雙極型晶體管(IGBT)，它們各有自己的特點：

1.達林頓晶體管(DT)是電流驅動型器件，它將兩只或更多只晶體管的集電極連在一起，而將第一只晶體管的發(fā)射極直接耦合到第二只晶體管的基極，依次連接而成，最后引出E、B、C三個電極。達林頓晶體管有很高的放大系數，能夠提高驅動能力，獲得大電流輸出。

2.功率場效應晶體管(MOSFET)是電壓驅動型器件，開關損耗幾乎為零，工作頻率高，可以并聯使用，沒有二次擊穿問題，使用方便，容易驅動，但其額定電流一般小于80A。

3.絕緣柵型雙極型晶體管(IGBT)是一種復合功率器件，有高功率和易驅動的雙重優(yōu)點，但是其價格昂貴，開關速度比較低。

綜合以上因素，對ＰＷＭ（脈寬調制）調壓式驅動模塊，決定采用功率場效應晶體管(MOSFET)，因為其價格便宜且所用電路簡單，雖然額定電流一般小于80A但能滿足電磁氣門驅動20A的要求。

·實習實訓·電磁氣門驅動電路設計探析三、電磁氣門的功率保護電路的設計

目前常見電磁氣門的功率保護電路有以下三種：

1.穩(wěn)壓二極管保護電路：在感性元件的兩端對接一個穩(wěn)壓二極管和一個普通二極管。當電磁線圈斷電后，產生的反向電動勢快速升高使穩(wěn)壓管擊穿而導通，能量在穩(wěn)壓管中消耗掉。

2.二極管保護電路：這種方式很常見，即在感性元件的兩端連接一個普通二極管，利用感性元件的內阻將感性元件所儲存的磁場能量消耗掉。

3.二極管—電阻保護電路：即在感性元件的兩端接上一個普通二極管和一個電阻。這種方式消耗電感元件所儲存的磁場能量速度比較快。

綜合分析以上三種保護電路，根據所選的驅動模塊，采用二極管—電阻保護電路。其電路結構如圖1所示：

圖1二極管-電阻保護電路

四、抗干擾設計

電子控制系統(tǒng)必須具有很高的可靠性和抗干擾性能，才能保證它的正常工作。因此在設計控制系統(tǒng)時，必須采取一些必要的措施。針對干擾進入控制系統(tǒng)的途徑，相應制定出以下防護措施：

1.空間電磁干擾豹防護措施

SI發(fā)動機點火系統(tǒng)在工作時產生高壓脈沖，同時向空間輻射電磁波，其特點是能量大、頻帶寬，這種干擾嚴重影響發(fā)動機控制系統(tǒng)的正常運行。本文主要采取屏蔽措施來抑制電磁波的干擾，具體做法是：傳輸信號線采用帶金屬屏蔽層的雙絞線。

2.過程通道干擾的防護措施

過程通道是指計算機與外設的輸入輸出通道，包括數據采集系統(tǒng)及驅動電路。

3.供電系統(tǒng)干擾的防護措施

電源噪聲干擾和接地干擾是供電系統(tǒng)干擾的兩個主要來源。為了抑制電源噪聲，在電路板上電源輸入端加接濾波電容，在電源線和地線之間分段跨接去耦電容。電源電路分級加上各階次的電容，以濾掉各頻率的毛刺電壓干擾。接地干擾是由于多點接地時，兩接地點的電位不為零，并存在一個電位差，此電位差與電路的輸入輸出電壓耦合而形成干擾，或者由于兩個電路經公共地線接地時，兩個電路的電流不同而產生干擾。

五、電磁氣門電路圖的設計以及實驗結果

1.電路圖的設計

根據前面的材料選擇，經過綜合分析設計出如圖2所示的電路圖模塊和圖3所示的電磁氣門驅動電路邏輯圖：

圖2電路圖模塊

圖3電磁氣門驅動電路邏輯圖

圖3中驅動信號1為U1，驅動信號2為U2，控制信號為PWM波(具體見圖4)。

圖4電磁氣門驅動電路的整體設計

采用竄行通信端口，從PC機將各個PWM波的頻率，占空比及相互間的時序關系等信息傳遞到單片機，在單片機定時模塊和PWM模塊的配合下，由單片機發(fā)出四路PWM信號，經邏輯電路組合形成兩路控制脈沖U1U2，分別控制下、上電磁鐵。

圖5單片機模塊

2.實驗結果

將自行設計開發(fā)的EMVA安裝在模擬缸頭上進行試驗,該試驗臺由EMVA、功率驅動模塊、電控單元（ECU）、PC機、傳感器及示波器組成。如圖6所示：

圖6

經試驗研究得到驅動信號與控制信號的形成的時序圖形如圖7。

圖7驅動信號形成的時序圖

控制信號和脈沖信號通過邏輯電路產生兩路控制脈沖:驅動信號1和驅動信號2，分別用來驅動下電磁鐵和上電磁鐵。下電磁鐵和上電磁鐵受到驅動信號1和驅動信號2的驅動后，分別在下電磁線圈和上電磁線圈中形成驅動電流1和驅動電流2，控制氣門的開啟和關閉。通過調節(jié)脈沖信號的通電時間t1、t2 、t3、 t4 及t3 段PWM波的周期和占空比d來實現。t1表示峰值電壓的通電時間,對應于驅動電流的上升階段，決定了電磁力是否可以克服彈簧力和機械阻力以便迅速、準確地打開或關閉氣門。t2表示峰值電壓的切斷時間，峰值電壓切斷后，線圈瞬時產生很高的反電動勢,線圈電流不可能突變?yōu)榱?，在驅動電路中采用續(xù)流二極管法使線圈電流快速泄流，但又不希望其降為零，將其控制在所需的保持電流附近，t2 的選擇對銜鐵落座影響很大。t3為ＰＷＭ脈沖通電時間，對應于保持電流階段，決定ＰＷＭ脈沖的因素為周期T和占空比d，占空比d對驅動電流的影響更大，d過大則保持電流過大，加大銜鐵的落座速度和系統(tǒng)的能量消耗，d過小則保持電流過小，電磁力無法克服彈簧力和機械阻力使氣門無法保持在極限位置，而在彈簧力作用下反向運動。t4為PWM斷電時間，此階段驅動電流降為零，氣門不受電磁力，在彈簧力作用下作有阻尼自由振動。

單片機通過傳感器接口電路檢測轉速和負荷信號并修正后，通過查詢預先存儲的MAP圖，得到相應的氣門定時和氣門升程，并由此得到電磁閥的控制電流，然后輸出一個脈沖信號以適當的電流驅動電磁閥，是氣門開閉，從而實現氣門的驅動控制在驅動脈沖信號2主脈沖的上升沿，功率場效應晶體管導通，上電磁閥線圈內的電流按指數規(guī)律上升，上升到某一定值（一般為15-20A），銜鐵吸合，線圈內的電流按另一種指數規(guī)律上升。主脈沖的下降沿到來時，線圈內的電流按指數規(guī)律下降，當下降到電磁線圈能保持吸合狀態(tài)的保持電流時，PWM保持波的上升沿工作，接著電磁線圈中的電流在PWM波的作用下圍繞保持電流上下波動，銜鐵與上電磁閥鐵芯吸合，氣門處于關閉狀態(tài)。直到PWM波結束，電磁力逐漸減小當電磁力無法克服彈簧反力時，銜鐵在彈簧反力的作用下向下電磁閥方向運動，在適當時刻，給下電磁閥施加驅動脈沖信號1，在電磁力和彈簧力的共同作用下，使銜鐵與下電磁閥吸合，然后利用PWM的保持波使銜鐵處于吸合狀態(tài)，此時氣門全開狀態(tài)，一個循環(huán)完成。

參考文獻：

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