专利名称：实现电磁铁快速吸合和释放的主电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电气控制技术领域，尤其涉及一种实现电磁铁快速吸合和释放的主电路，控制该主电路能够实现电磁执行机构的频繁快速动作。
背景技术：
目前，实现电磁铁快速吸合的控制手段大都是通过提高电磁铁的电源输入电压，电磁铁吸合后转入PWM(脉冲宽度调制)控制模式，以减小电磁铁保持吸合后的维持电流， 降低损耗；实现电磁铁快速释放的主电路一般是在续流回路引入大电阻或稳压管，此种主 电路将电磁铁释放前电磁铁线圈存储的磁场能白白的损耗掉，当电磁机构动作频率很高 时，损耗将非常严重。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种实现电磁铁快速吸合和释放的主电路，利用该主电路既能加速电磁铁快速吸合和释放，又能有效地回收利用电磁铁释放前电磁铁线圈 存储的磁场能。为了解决上述技术问题，本发明实现电磁铁快速吸合和释放的主电路的技术方案 是该主电路包括一隔离二极管D1、一电磁铁线圈L、一主控制功率管Ml、一续流二极管D2、 一储能电容C和一附加功率管M2 ；所述隔离二极管Dl的阴极同时与所述附加功率管M2的 源极和一接线端子Jl连接；所述接线端子Jl还与所述电磁铁线圈L的一端连接；所述电磁 铁线圈L的另一端与一接线端子J2连接；所述接线端子J2还同时与所述主控制功率管Ml 的漏极和所述续流二极管D2阳极连接；所述续流二极管D2阴极还同时与所述附加功率管 M2的漏极和所述储能电容C的正极性端连接；所述储能电容C的负极性端与所述主控制功 率管Ml的源极连接后共同连接到一接线端子m ；所述主控制功率管Ml的栅极与一接线端 子Gl连接；所述接线端子Gl和所述接线端子m分别与所述主控制功率管Ml控制信号的 两个输出端连接；所述附加功率管M2的栅极与一接线端子G2连接，所述接线端子G2和一 接线端子S2分别与所述附加功率管M2的控制信号的两个输出端连接。与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明实现电磁铁快速吸合和释放的主 电路，它是在一般现有技术中由电磁铁线圈、功率管和续流二极管构成的主电路的基础上， 又连接有隔离二极管、储能电容和附加功率管。两只功率管同时关断时，电磁铁线圈电流经 续流二极管给电容充电，电容电压升高快，电流快速减小为零，电磁铁快速释放，磁场能转 变为电场能，储能电容电压高于电源电压几倍，储能电容无放电通路，储能电容电压保持不 变。两只功率管同时导通时，储能电容经电磁铁线圈放电，电磁铁线圈电流快速增大，电场 能转变为磁场能。吸合后比释放后的电磁铁线圈电感大许多，储能电容放电电流峰值高于 电磁铁线圈断电时电流许多，很快达到电磁铁吸合所需电流值，电磁铁快速吸合。当主控制 功率管和附加功率管转入驱动信号互补的PWM控制方式时，电磁铁线圈电流变化规律同一 般PWM控制一样。利用该主电路既能加速电磁铁快速吸合和释放，又能有效地回收利用电磁铁释放前电磁铁线圈存储的磁场能。
附图是本发明实现电磁铁快速吸合和释放的主电路图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。如附图所示，本发明实现电磁铁快速吸合和释放的主电路构成是包括一隔离二极管D1、一电磁铁线圈L、一主控制功率管Ml、一续流二极管D2、一储能电容C和一附加功 率管M2 ；该主电路的具体物理连接如下接线端子Pl通过外部控制开关后与外部直流工作 电源的正极连接，接线端子m连接直流工作电源的负极；接线端子Pl还连接隔离二极管 Dl的阳极；隔离二极管Dl的阴极同时与附加功率管M2的源极和接线端子Jl连接；接线端 子Jl还与电磁铁线圈L 一端连接；电磁铁线圈L的另一端与接线端子J2连接；接线端子J2 还同时与主控制功率管Ml的漏极和续流二极管D2阳极连接；续流二极管D2阴极还同时与 附加功率管M2的漏极和储能电容C的正极性端连接；储能电容C的负极性端与主控制功率 管Ml的源极连接后共同连接到接线端子m ；主控制功率管Ml的栅极与接线端子Gl连接； 附加功率管M2的栅极与接线端子G2连接；接线端子Gl和接线端子m分别与主控制功率管Ml控制信号的两个输出端连接；接线端子G2和接线端子S2分别与附加功率管M2的控 制信号的两个输出端连接。上述主电路可以实现如下控制该主电路中由接线端子Gl和m给主控制功率管Ml栅极与源极间施加的控制电压信号为高电平时，主控制功率管Ml导通；由接线端子Gl 和m给主控制功率管Ml栅极与源极间施加的控制电压信号为低电平时，主控制功率管Ml 截止；同样，由接线端子G2和S2给主控制功率管Ml栅极与源极间施加的控制电压信号为 高电平时，附加功率管M2导通；由接线端子G2和S2给主控制功率管Ml栅极与源极间施加 的控制电压信号为低电平时，附加功率管M2截止。本发明主电路实现电磁铁快速吸合和释放的过程如下首先，保持主控制功率管Ml和附加功率管M2的栅极与源极间的各自控制信号为低电平，保障主电路上电时，该两只功率管都处于截止状态；闭合外部控制开关，为主电路 接通外部直流工作电源，外部直流工作电源正极由Pl引入，经隔离二极管D1、附加功率管M2内部反并联的二极管、储能电容C至外部直流工作电源负极m形成通路，储能电容C快 速充电，最后稳定于略低于直流工作电源电压的一个电压值(即直流工作电源电压减去隔 离二极管Dl和附加功率管M2内部反并联的二极管的管压降)；在此期间，由于电磁铁线圈 L具有较大的电感，在电磁铁线圈L、续流二极管D2至储能电容C的这条支路几乎不会形成 电流。随后，如果希望储能电容C能够充得一个较高的电压值，而储存较高电场能量，以加速电磁铁第一次吸合的速度，则可以控制主控制功率管Ml导通，外部直流工作电源正极 经隔离二极管D1、电磁铁线圈L、主控制功率管Ml至外部直流工作电源负极形成通路，通路 中电流按由电磁铁线圈电感和支路总等效电阻决定的时间常数决定的指数规律增加，经过 短暂的时间，电流增加到一个不会使得电磁铁吸合的较小设定数值时，控制主控制功率管Ml截止，电磁铁线圈电流不能突变，续流二极管D2快速导通，因附加功率管M2处于截止状 态，电磁铁线圈电流形成由电磁铁线圈L、续流二极管D2、储能电容C、外部直流工作电源、 隔离二极管Dl再至电磁铁线圈L的通路，为储能电容C充电，此时为典型的二阶欠阻尼零 状态响应电路动态过渡过程，电流很快减小为0，续流二极管D2反向截止，原来电磁铁线圈 L的磁场能转变为储能电容C的电场能，储能电容电压增高；再控制主控制功率管Ml导通 再截止几次，直至储能电容电压达到一个所要求的较高的数值，为电磁铁能够实现第一次 就能快速吸合做好准备。当控制电磁铁第一次快速吸合时，控制主控制功率管Ml和附加功率管M2栅极同时导通，续流二极管D2和隔离二极管Dl反向截止，形成储能电容C正极性端经附加功率管 M2、电磁铁线圈L、主控制功率管Ml至储能电容C的负极性端的电容放电回路，在此回路的 动态过渡过程中，电磁铁线圈电流就是一个典型的二阶欠阻尼零输入状态响应，电磁铁线 圈电流迅速就增大到能够使得电磁铁吸合所需要的电流，并高出许多倍，电磁铁吸合；电磁 铁吸合过程中，由于电磁铁线圈电感增大，电流减小，在此期间部分电能和磁场能转化机械 能。当储能电容C的电压降低到设定的特定电压值时，控制主控制功率管Ml截止，而 附加功率管M2继续导通，原来的回路电流沿线圈L、电磁铁续流二极管D2、附加功率管M2 至电磁铁线圈L的回路续流，续流回路中电流按由电磁铁线圈电感和回路总等效电阻决定 的时间常数决定的指数规律缓慢减小。当电磁铁线圈电流减小到事先设定的维持电磁铁吸合所需要的最小电流值时，对 电磁铁线圈电流的控制转入主控制功率管Ml和附加功率管驱动信号互补的PWM脉宽调制 控制方式；同时控制主控制功率管Ml导通、附加功率管M2截止，则储能电容C停止放电，维 持电压不变，此时形成由外部直流工作电源正极Pl经隔离二极管D1、电磁铁线圈L、主控制 功率管Ml至外部直流工作电源负极m的通路，电磁铁线圈电流按指数规律缓慢增加；电磁 铁线圈电流增加一段特定时间后，再同时控制主控制功率管Ml截止和附加功率管M2导通， 储能电容C仍然维持设定的特定电压基本不变，此时电磁铁线圈电流沿电磁铁线圈L、续流 二极管D2、附加功率管M2至电磁铁线圈L的回路续流，电磁铁线圈电流按指数规律缓慢减 小。当电磁铁线圈电流减小一段另一特定时间后，再同时控制主控制功率管Ml导通、 附加功率管M2截止，结束PWM控制的第一个周期，而转入PWM控制的下一个周期；这样PWM 控制不断地重复，等待控制电磁铁释放的时刻的到来；控制电磁铁释放的时刻到来时，不管 主控制功率管Ml和附加功率管M2是截止还是导通，同时控制主控制功率管Ml和附加功率 管M2截止，电磁铁线圈电流不能突变，续流二极管D2快速导通，形成由电磁铁线圈L、续流 二极管D2、储能电容C、外部直流工作电源、隔离二极管Dl再至电磁铁线圈L的通路，为储 能电容C充电，电磁铁线圈电流很快衰减。当电磁铁线圈电流低于维持电磁铁保持吸合状态的电流值时，电磁铁释放；电磁 铁释放过程中，电磁铁的部分机械能转化为电能，再由于电磁铁线圈电感减小，电磁铁线圈 电流减小缓慢或略微增加；电磁铁释放完毕，储能电容电压已很高，剩余的电磁铁线圈电流 继续为储能电容C充电，电流迅速衰减为零；储能电容电压达到较高的数值，并保持住，为 下一次电磁铁快速吸合做好了准备。
如果电磁铁吸合后电磁铁线圈电感比释放后的电磁铁线圈电感大的非常多，也可 以在采取电磁铁吸合后就一直由接线端子G2和S2给主控制功率管Ml栅极与源极间施加 高电平控制电压信号，使得只要控制附加功率管M2漏极与源极之间有正向电压作用就导 通，这样在主控制功率管Ml采取PWM脉宽调制控制方式，储能电容器电压维持在外接工作 电源电压附近；主控制功率管Ml导通时，形成由外部直流工作电源正极Pl经隔离二极管 Dl、电磁铁线圈L、主控制功率管Ml至外部直流工作电源负极m的通路，电磁铁线圈电流按 指数规律缓慢增加；主控制功率管Ml截止时，电磁铁线圈电流沿电磁铁线圈L、续流二极管 D2、附加功率管M2至电磁铁线圈L的回路续流，电磁铁线圈电流缓慢减小。
当同时关断主控制功率管Ml和附加功率管M2都截止而控制电磁铁释放时，电磁 铁线圈L磁场能转变为储能电容C电场能足够大，储能电容电压高于电源电压许多倍；当 下一次控制电磁铁吸合时，储能电容放电电流峰值会高于上次电磁铁线圈L断电时电流许 多，也能满足电磁铁快速吸合与释放的要求。此种PWM控制方式相对简单一些，只是当电磁 铁释放时储能电容C能够充得的电压值低一些。本发明实现电磁铁快速吸合和释放的主电路，当主控制功率管Ml和附加功率管 M2同时关断时，电磁铁线圈L的电流经续流二极管D2给储能电容充电C，储能电容电压快 速升高，电磁铁线圈L电流快速减小为零，电磁铁快速释放，电磁铁线圈L磁场能转变为储 能电容C电场能，储能电容电压高于电源电压几倍，储能电容C无放电通路，储能电容电压 保持不变。当主控制功率管Ml和附加功率管M2同时导通时，储能电容C经电磁铁线圈L放 电，放电电流快速增大，储能电容C电场能迅速转变为电磁铁线圈L磁场能，由于电磁铁吸 合后的线圈电感比其释放后的线圈电感大许多，储能电容C放电电流峰值高于上次电磁铁 线圈L断电时的电流许多，电磁铁线圈L电流很快达到电磁铁吸合所需电流值，且还会高出 许多，电磁铁快速吸合；电磁铁快速吸合后，当电磁铁吸合储能电容电压降低到设定好的特 定电压值时，主控制功率管和附加功率管转入驱动信号互补的PWM控制方式，电磁铁线圈 中流过能够维持电磁铁吸合的一个较小的维持电流，损耗较低，储能电容电压维持原特定 电压值基本不变，为电磁铁释放时储能电容能够充得一个较高的电压值做好准备，此时电 磁铁线圈L中的电流控制与变化规律同一般PWM工作方式一样。当电磁铁吸合后，也可以 采取主控制功率管Ml转入PWM驱动，而附加功率管M2仍然一直导通，使得电路也处于P丽 控制方式时，电磁铁线圈L中流过能够维持电磁铁吸合的一个较小的维持电流，损耗也较 低，控制相对简单，只是这种PWM控制方式当电磁铁释放时储能电容能够充得的电压值低 一些。尽管上面结合图对本发明进行了描述，而且主控制功率管Ml和附加功率管M2都 是以N沟道的功率MOS管为例说明的，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示 下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
一种实现电磁铁快速吸合和释放的主电路，其特征在于，该主电路包括一隔离二极管D1、一电磁铁线圈L、一主控制功率管M1、一续流二极管D2、一储能电容C和一附加功率管M2；所述隔离二极管D1的阴极同时与所述附加功率管M2的源极和一接线端子J1连接；所述接线端子J1还与所述电磁铁线圈L的一端连接；所述电磁铁线圈L的另一端与一接线端子J2连接；所述接线端子J2还同时与所述主控制功率管M1的漏极和所述续流二极管D2阳极连接；所述续流二极管D2阴极还同时与所述附加功率管M2的漏极和所述储能电容C的正极性端连接；所述储能电容C的负极性端与所述主控制功率管M1的源极连接后共同连接到一接线端子N1；所述主控制功率管M1的栅极与一接线端子G1连接；所述接线端子G1和所述接线端子N1分别与所述主控制功率管M1控制信号的两个输出端连接；所述附加功率管M2的栅极与一接线端子G2连接，所述接线端子G2和一接线端子S2分别与所述附加功率管M2的控制信号的两个输出端连接。
全文摘要
本发明公开了一种实现电磁铁快速吸合和释放的主电路，该主电路包括隔离二极管D1、电磁铁线圈L、主控制功率管M1、续流二极管D2、储能电容C和附加功率管M2；两只功率管同时关断时，电磁铁线圈电流经续流二极管给电容充电，电容电压升高快，电流快速减小为零，电磁铁快速释放，磁场能转变为电场能，电容电压高于电源电压几倍，并保持不变。两只功率管同时导通时，电容经电磁铁线圈放电，电流快速增大，电场能转变为磁场能。吸合后比释放后的电磁铁线圈电感大许多，电容放电电流峰值高于电磁铁线圈断电时电流许多，很快达到电磁铁吸合所需电流值，快速吸合。当主控制功率管附加功率管转入驱动信号互补的PWM控制时，电磁铁线圈电流变化规律同一般PWM控制一样。
文档编号H02M3/07GK101800470SQ20101010433
公开日2010年8月11日 申请日期2010年2月2日 优先权日2010年2月2日
发明者唐明龙, 张明灿, 李斌, 郭喜彬, 陈益广 申请人:天津大学