一种直流电磁铁节能驱动电路的制作方法

1.本实用新型涉及电磁铁驱动技术领域，具体地说是一种直流电磁铁节能驱动电路。


背景技术：

2.传统的直流电磁铁驱动技术，一般是由机械触点开关或者半导体开关。
3.直流电磁铁的工作过程为：通电后，线圈的励磁电流按指数曲线上升，对包括衔铁在内的磁路充磁，建立的磁场对衔铁施加吸引力；最终衔铁被吸引到位，磁路闭合。磁路闭合后磁阻极小，仅需极小电流即可产生足够的磁通维持衔铁的闭合。而励磁电流最终达到饱和，饱和电流为i＝u/r，式中u是电磁线圈的电源电压，r是线圈在一定温度下的直流电阻。电能大部分被r转换为热能浪费了，所以说传统的简单的开关控制的直流电磁铁能量效率是很低的，电磁铁发热严重，开关器件承载的电流大容易也损坏。
4.针对上述问题，传统方法为：开关电路开通后延时一定时间后，降低电源电压减小电磁线圈电流。但是，上述方法能量管理粗放且不精准，不易达到最佳的节能效果。
5.如何精准且节能的驱动的直流电磁铁，是需要解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本实用新型的技术任务是针对以上不足，提供一种直流电磁铁节能驱动电路，来解决如何精准且节能的驱动的直流电磁铁的问题。
7.本实用新型的一种直流电磁铁节能驱动电路，用于为直流电磁线圈提供恒流的驱动电流，所述驱动电路包括：
8.光电耦合器u1，所述光电耦合器u1的信号输入端用于外接开关信号，所述光电耦合器的信号输出端电连接有信号电阻r2；
9.单稳态触发器，所述单稳态触发器作为定时器，其信号输入端电连接于所述光电耦合器与信号电阻之间的连接端；
10.电压比较器，所述电压比较器的正输入端电连接有串并联的分压电阻组成分压器，所述分压器通过导流二极管d1与单稳态触发器的输出端电连接组成恒流值设定电路，所述恒流值设定电路用于生成驱动电流的参考基准；
11.负反馈电路，所述负反馈电路与上述电压比较器的负输入端耦合组成 pwm控制电路，所述负反馈电路用于采集直流电磁线圈l的电流信号并将增益放大后的电流信号耦合至电压比较器；
12.逻辑门电路，所述逻辑门电路具有两路输入端和一路输出端，所述逻辑门电路的第一输入端电连接于所述光电耦合器u1与信号电阻r2之间的连接端，所述逻辑门电路的第二输入端与所述电压比较器的输出端电连接，开关信号为低电平信号时，所述逻辑门电路输出高电平信号，所述光电耦合器 u1断流时，所述逻辑门电路输出低电平信号；
13.mos管q1，所述mos管q1的漏极电连接有续流二极管d2，直流电磁线圈l电连接于所
述mos管q1的漏极，所述mos管q1的源极电连接有电流采样电阻r14，所述电流采样电阻r14的电流等于所述直流电磁线圈 l的励磁电流，所述采样放大电路用于将励磁电流通过电流采样电阻r14产生的电压信号反馈至电压比较器，所述mos管q1的栅极与所述逻辑门电路的输出端耦合。
14.在上述实施方式中，该驱动电路提供的驱动电流包括启动电流和维持电流，在驱动电路的响应过程中，该驱动电路为直流电磁线圈提供启动电流ip，该驱动电流ip的大小可保证衔铁吸合到位，衔铁吸合到位后，该驱动电路提供维持电流i，该维持电流i可保证衔铁维持闭合状态。
15.光电耦合器u1的信号输入端承接外部控制器的开关信号，其输出信号触发单稳态触发器，单稳态触发器产生直流电磁线圈l所需的启动脉冲的定时周期，该单稳态触发器同时为pwm控制电路的开关。恒流值设定电路产生启动电流和维持电流两种参考基准，其中启动电流的定时宽度是单稳态触发器产生的定时周期，pwm控制电路依据恒流值设定电路产生的电流参考基准产生pwm开关脉冲，驱动mos管q1，为直流电磁线圈l提供脉冲电压驱动；脉冲电压经过励磁线圈电感和续流二极管d2作用，产生持续的直流电流。该直流电流通过电流取样电阻r14产生电压信号反馈至pwm控制电路，与恒流值设定电路产生的电流参考基准相比较，具体的，如果励磁电流变大，电流取样电阻反馈信号也变大，其反馈给pwm控制电路后与电流基准相比较，去减小pwm脉冲的占空比，电磁线圈的励磁电压脉冲变窄，电磁线圈得到的能量变小电流变小，反之亦然，最终产生恒流效果。
16.作为优选，所述串并联的分压电阻包括第一分压电阻r5、第二分压电阻r7和第三分压电阻r8；
17.所述第一分压电阻r5和第二分压电阻r7串联于电压源和接地端，所述电压比较器的正输入端电连接于所述第一分压电阻r5和第二分压电阻r7 之间的连接端并组成分压器，所述分压器用于对电压源进行分压；
18.所述第三分压电阻r8的第一端电连接于所述第一分压电阻r5和第二分压电阻r7之间的连接端，所述第三分压电阻r8的第二端与所述导流二极管d1的阴极电连接，所述导流二极管d1的阳极与单稳态触发器的输出端电连接。
19.在上述实施方式中，分压器对电压源vcc分压得到维持电流的参考基准 vref2；单稳态触发器输出的正脉冲打开导流二极管d1时，得到比vref2更高电位的启动电流的参考基准vref1。
20.作为优选，所述负反馈电路包括：
21.负反馈放大器，所述负反馈放大器的输出端通过耦合电阻r9与所述电压比较器的负输入端电连接；
22.滤波器，所述滤波器为rc滤波器，包括滤波电阻r13和滤波电容c2，所述滤波电阻r13的第一端以及所述滤波电容c2的第一端均与负反馈放大器的正输入端电连接，所述滤波电容c2的第二端接地，所述滤波电阻r14 的第二端电连接于所述mos管q1与电流采样电阻r14之间的连极端。
23.上述实施方式中，耦合电阻r9提供负反馈电路到电压比较器的负输入端的耦合通道；滤波电阻r13和滤波电容c2电连接运算放大器u5的正输入端，耦合电流采样电阻r14的采样信号，滤波电阻r13同时有一定的与功率器件之间的隔离保护作用。滤波电阻r13和滤
波电容c2同时作为rc 滤波器以提高信噪比，滤波电阻r13还可以改善运算放大器的共模抑制比。
24.作为优选，所述负反馈放大器包括：
25.运算放大器u5；
26.反馈电阻r11，所述反馈电阻r11的第一端与所述运算放大器u5的负输入端电连接，所述反馈电阻r11的第二端接地；
27.反馈电阻r10，所述反馈电阻r10的第一端电连接于所述运算放大器u5与反馈电阻r11之间的连极端，所述反馈电阻r10的第二端与所述运算放大器u5的输出端电连接。
28.作为优选，所述逻辑门电路包括：
29.与非门u4，所述与非门u4的两路输入端作为所述逻辑门电路的输入端；
30.与非门u6，所述与非门u4的输入端与所述与非门u6的输入端电连接，所述与非门u6的输出端作为所述逻辑门电路的输出端，所述与非门u6的输出端通过耦合电阻r12与mos管q1的栅极耦合。
31.作为优选，所述光电耦合器的信号输入端电连接有保护电阻r1，所述保护电阻r1外接控制器。
32.作为优选，所述单稳态触发器包括：
33.单稳态触发器芯片u2；
34.rc定时电路，所述rc定时电路包括定时电阻r3和定时电容c1，所述定时电阻r3的第一端电连接电压源，所述定时电阻r3的第二端以及所述定时电容c1的第一端均与单稳态触发器芯片u2的rc com引脚电连接，所述定时电容c1的第二端接地。
35.上述实施方式中，定时电阻r3串联定时电容c1组成定时电路，时间常数t＝rc。单稳态触发器u2的tr+端在上升沿信号触发下将在单稳态触发器芯片u2的q端输出一个暂稳态正向脉冲，宽度为rc，之后单稳态触发器芯片u2的q端恢复至稳态0电平。
36.作为优选，所述电压比较器包括：
37.运算放大器u3；
38.上拉电阻r4，所述上拉电阻r4的第一端外接电压源，所述上拉电阻 r4的第二端与所述运算放大器u3的输出端电连接。
39.上述实施方式中，运算放大器u3为oc输出结构，上拉电阻r4提供正向偏置。
40.作为优选，所述电压比较器还包括：
41.防振电阻r6，所述防振电阻r6的第一端外接电压源，所述防振电阻r6的第二端与所述电压比较器的输出端电连接。
42.上述实施方式中，防震电阻r6连接运算放大器u3的输出端和输入端，作为正反馈产生回滞效应，避免在电压比较临界点振荡。
43.更优的，还包括指示电路，所述指示电路包括：
44.指示灯led，所述指示灯led的阴极与所述mos管的漏极电连接；
45.限流电阻r15，所述限流电阻r15的第一端与所述指示灯led的阳极电连接，所述限流电阻r15的第二端外接工作电源。
46.本实用新型的一种直流电磁铁节能驱动电路具有以下优点：
47.1、本驱动电路提供恒流的驱动电流，该驱动电流包括启动电流和维持电流，在驱
动电路的响应过程中，该驱动电路为直流电磁线圈提供启动电流 ip，该驱动电流ip的大小可保证衔铁吸合到位，衔铁吸合到位后，该驱动电路提供维持电流i，该维持电流i可保证衔铁维持闭合状态，在满足电磁铁吸力要求的情况下实现了对消耗电流的精准化管理，并实现了节能驱动；
48.2、通过启动电流实现电磁铁的吸合，通过维持电流保证电磁铁的吸合状态，维持电流低于启动电流，从而可大幅降低直流电磁铁的电流消耗(可降低至少70％)，节能效果显著，同时显著减少了驱动电路和电磁铁本身温升，增加了电路的可靠性，并延长了电路工作寿命；
49.3、在该驱动电路的作用下可允许直流电磁铁短路，短路时自动进入低电流检测模式，短路故障解除自动恢复，短路后除电磁铁失去原有的功能外，对驱动电路本身、电源以及连接导线不会有任何损伤，该过程不需人为干预，可靠性、安全性高，容易维护；
50.4、该驱动电路关断时磁通较小，较小的磁能量通过续流电路释放的更快，衔铁复位更快；
51.5、该驱动电路电流简洁有效，功能完善，诸如电源、连接导线在内的总成本与传动驱动方法相比不增加。
附图说明
52.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
53.下面结合附图对本实用新型进一步说明。
54.图1为实施例一种直流电磁铁节能驱动电路的电路原理图；
55.图2为实施例一种直流电磁铁节能驱动电路的工作时序图；
56.图3为实施例一种直流电磁铁节能驱动电路中部分器件第一波形图；
57.图4为实施例一种直流电磁铁节能驱动电路中部分器件第二波形图；
58.图5为实施例一种直流电磁铁节能驱动电路中部分器件第三波形图；
59.图6为实施例一种直流电磁铁节能驱动电路中部分器件第四波形图；
60.图7为实施例一种直流电磁铁节能驱动电路中部分器件第五波形图；
61.图8为实施例改进后一种直流电磁铁节能驱动电路的电路原理图；
62.其中，
63.图2中a为实施例一种直流电磁铁节能驱动电路的响应过程；
64.图2中b为实施例一种直流电磁铁节能驱动电路外部控制信号的波形图；
65.图3-图7中，波形从上到下的通道号依次是ch1，ch2，ch3，ch4；
66.图3中，ch1、电路启动信号，ch2、比较器输出，ch3、比较器负端， ch4、比较器正端；
67.图4中，ch1、电路启动信号，ch2、mos管q1漏极d信号，ch3、电压比较器负输入端信号，ch4、电压比较器正输入端信号；
68.图5中，ch1、电路启动信号，ch2、电压比较器的输出端信号，ch3、电压比较器的负输入端信号，ch4、电压比较器的正输入端信号；
69.图6中，ch1、电路启动信号，ch2、mos管d极信号，ch3、电压比较器的负输入端信号，ch4、电压比较器的正输入端信号；
70.图7中，ch1、电路启动信号，ch2、电压比较器的输出端信号，ch3、电压比较器的负输入端信号，ch4、电压比较器的正输入端信号。
具体实施方式
71.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定，在不冲突的情况下，本实用新型实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。
72.本实用新型实施例提供一种直流电磁铁节能驱动电路，用于解决如何精准且节能的驱动的直流电磁铁的技术问题。
73.实施例：
74.本实用新型的一种直流电磁铁节能驱动电路，如图1所示包括光电耦合器u1、单稳态触发器、电压比较器、负反馈电路、逻辑门电路、以及mos管q1，通过电流传感器检测线圈的电流，采用负反馈电路，由半导体开关通过pwm 技术精准控制线圈的驱动电流，实现恒流驱动。
75.光电耦合器u1的信号输入端承接外部控制器的开关信号，光电耦合器u1 的信号输出端电连接有信号电阻r2，开关信号为低电平信号时，光电耦合器 u1输出电流通过信号电阻r2产生高电平信号。
76.单稳态触发器作为定时器，其信号输入端电连接于光电耦合器u1与信号电阻r2之间的连接端。作为具体实施方式该单稳态触发器包括单稳态触发器芯片u2(为芯片cd4538)和rc定时电路，该rc定时电路包括定时电阻r3 和定时电容c1，定时电阻r3的第一端电连接电压源，定时电阻r3的第二端以及定时电容c1的第一端均与单稳态触发器芯片u2的rc com引脚电连接，定时电容c1的第二端接地。
77.电压比较器的正输入端电连接有串并联的分压电阻组成分压器，分压器通过导流二极管d1与单稳态触发器的输出端电连接组成恒流值设定电路，恒流值设定电路用于生成驱动电流的参考基准；电压比较器的负输入端电连接有采样放大电路组成pwm控制电路，采样放大电路用于采集直流电磁线圈l的电流并进行增益放大，单稳态触发器作为pwm控制电路的开关。
78.作为具体实施方式串并联的分压电阻包括第一分压电阻r5、第二分压电阻 r7和第三分压电阻r8，第一分压电阻r5和第二分压电阻r7串联于电压源和接地端，电压比较器的正输入端电连接于第一分压电阻r5和第二分压电阻r7 之间的连接端并组成分压器，分压器用于对电压源进行分压得到维持电流的参考基准vref2＝vcc*r7/(r5+r7)；第三分压电阻r8的第一端电连接于第一分压电阻r5和第二分压电阻r7之间的连接端，第三分压电阻r8的第二端与导流二极管d1的阴极电连接，导流二极管d1的阳极与单稳态触发器的输出端电连接，由于导流二极管d1串联第三分压电阻r8等效并联于第一分压电阻r5，单稳态触发器输出的正脉冲打开导流二极管d1，第一分压电阻r5并联上第三分压电阻r8，得到一个比vref2更高电位的启动电流的参考基准vref1。
79.作为具体实施方式负反馈电路包括负反馈放大器和滤波器，负反馈放大器的输出
端通过耦合电阻r9与电压比较器的负输入端电连接。
80.具体地，负反馈放大器包括运算放大器u5(lm324)、反馈电阻r11和反馈电阻r10，反馈电阻r11的第一端与运算放大器u5的负输入端电连接，反馈电阻r11的第二端接地；反馈电阻r10的第一端电连接于运算放大器u5与反馈电阻r11之间的连极端，反馈电阻r10的第二端与运算放大器u5的输出端电连接。
81.滤波器为rc滤波器，包括滤波电阻r13和滤波电容c2，滤波电阻r13 的第一端以及滤波电容c2的第一端均与负反馈放大器的正输入端电连接，滤波电容c2的第二端接地，滤波电阻r14的第二端电连接于mos管q1与电流采样电阻r14之间的连极端。滤波电阻r13和滤波电容c2电连接运算放大器 u5的正输入端，耦合电流采样电阻r14的采样信号，滤波电阻r13同时有一定的与功率器件之间的隔离保护作用。滤波电阻r13和滤波电容c2同时作为 rc滤波器以提高信噪比，滤波电阻r13还可以改善运算放大器的共模抑制比。
82.作为具体实施方式电压比较器包括运算放大器u3(lm339)和上拉电阻 r4，上拉电阻r4的第一端外接电压源，上拉电阻r4的第二端与运算放大器 u3的输出端电连接，鉴于该运算放大器u3为oc输出结构，该上拉电阻r4 提供正向偏置。
83.作为改进，在电压比较器的输出端和正输入端之间还电连接有防振电阻 r6，作为正反馈产生回滞效应，避免在电压比较临近点振荡。
84.作为具体实施方式逻辑门电路包括与非门u4(cd4093)和与非门u6 (cd4049)，与非门u4的两路输入端作为逻辑门电路的输入端，与非门u4的输入端与与非门u6的输入端电连接，与非门u6的输出端作为逻辑门电路的输出端，与非门u6的输出端通过耦合电阻r12与mos管q1的栅极耦合。
85.mos管q1的漏极电连接有续流二极管d2，直流电磁线圈l电连接于mos 管q1的漏极，mos管q1的源极电连接有电流采样电阻r14，电流采样电阻 r14的电流等于直流电磁线圈l的励磁电流，采样放大电路用于将励磁电流通过电流采样电阻r14产生的电压信号反馈至电压比较器，mos管q1的栅极与所述逻辑门电路的输出端耦合。
86.电流采样电阻r14的输出电压为vr14＝is*r14，其中is是mos管源极电流，基本等于电磁线圈的励磁电流。vr14信号经耦合电阻r13耦合到pwm控制电路后先被运算放大器u5放大到电压比较器合理的工作范围，同时极大的降低r14本身功率损耗，因为这样可以取较小的阻值。比如r14取0.1欧姆， is取2a时，功率损耗＝0.1*(is*is)＝0.4w，如果是一个额定电压24v的直流电磁铁，额定功率是24*2＝48w，相比而言，取样电阻的功率损失是极为合算的。
87.与非门u4输出0电平时，经与非门u6反向输出1电平，使得mos管 q1导通。24v电源电流经直流电磁线圈l、mos管q1和电流采样电阻r14 入地。mos管q1关断时，直流电磁线圈l磁场的自感电流经过续流二极管 d2返还24v电源。
88.本实施例中光电耦合器u1包括发光二极管和光敏管，光电耦合器u1在 input端输入低电平信号时，+v驱动内部发光管发光使得发光管输出端的光敏管饱和导通，光敏管发射极电流通过信号电阻r2产生高电平信号，该高电平信号波形如图2中c2曲线，从t1到t3时刻，也见图3-图7所示波形图中 ch1的0.0u处。
89.该通过信号电阻r2产生的高电平信号分两路，一路输入到与非门u4的输入端6，根据与非门的输入输出逻辑，此时与非门u4的输出端4的状态将由其另一个输入端5决定，于
是pwm电路开始工作。信号电阻r2高电平信号的另一路，触发单稳态触发器芯片u2的触发输入端tr+，启动一个暂稳态正脉冲从单稳态触发器芯片u2 q端输出，该脉冲宽度由r3*c1时间常数确定。q端输出正脉冲通过导流二极管d1和第三分压电阻r8给恒流值设定电路设定了启动电流的参考基准iref1，见第四波形图中ch4的0.0u到199.5段。此时，作为 pwm电路的电压比较器的正输入端7的电位高于负输入端6的电位(此时运算放大器u5的正向输入端5因为电流取样电阻r14还是零电流，运算放大器输出端7是低电位，见波形图中ch4的0.0u时刻)，此时，与非门u4两个输入端6和5都是高电平，故输出4是低电平，经u6反向输出高电平推动mos 管q1导通。见第一波形图和第二波形图的ch2波形的0.0us处，也见示意图2 的t1时刻。
90.从t1时刻开始mos管q1导通后，由于直流电磁线圈l电感电流不能突变，将以指数曲线上升，见第三波形图ch3的0.0u到120.2ms段。该信号是电流取样电阻r14电压降经过运算放大器u5放大之后由输出端7输出到电压比较器中运算放大器u3的负输入端6。在120.2ms处，负载直流电磁线圈l电流达到了预设启动电流ip，电压比较器中运算放大器u3的负输入端6电位开始高于正输入端7的电位，输出端1输出0电位，经与非门u6反向后关断mos 管q1电流。见第四波形图的ch2、ch3，ch2是mos管q1的漏极d的电压波形，从192.6ms到178.6ms段部分显示。ch2低电位处说明mos管q1导通输出驱动电流补充直流电磁线圈l的电磁能量。高电平处说明mos管q1截止，其漏极d处电位＝24v+0.7v(电源电压+续流二极管导通压差，略高于电源电压)，此时直流电磁线圈l电感的自感应电流由d2续流，保持电磁线圈l中电流的连续性(只有小幅度波动，见ch3从192.6ms到178.6ms段部分显示)。此过程是一个闭环反馈过程，持续保持动态稳定。
91.见图2中c1曲线，启动电流ip一直持续到t2时刻，此时单稳态触发器芯片u2的q输出端正脉冲结束，导流二极管d1截止，第三分压电阻r8不再起作用，恒流值设定电路的维持电流参考基准降低到vref2，见图3-图7在中ch4 的199.5ms到549.5ms段，此时pwm控制电路立即降低pwm占空比，负载直流电磁线圈l电流下降到维持电流i并持续到电路关闭，见图2的c1波形的 t2到t3段。
92.电流关闭过程，光电耦合器u1在失去输入电流后，光耦光敏管截止，信号电阻r2压降为0，与非门u4的输入端6为0电平，输出4为高电平，经与非门u6反相输出0电平，关闭mos管q1，负载直流电磁线圈l的自感电流经续流降低到一定值后，磁通不足以吸持衔铁，衔铁复位；另一路，在分压电阻r2压降变为0后，u2的tr+端也为0，u2内部电路将泄放掉定时电容c1 的电量，恢复到复位状态，此时其q正输出端为0电平。
93.本实施例的一种直流电磁铁节能驱动电路，光电耦合器u1的信号输入端承接外部控制器的开关信号，其输出信号触发单稳态触发器产生所需启动脉冲的定时周期，其同时是pwm控制电路的开关。恒流值设定电路产生启动电流和维持电流两种参考基准，其中启动电流的定时宽度就是单稳态触发器产生的定时周期。pwm控制电路依据恒流值设定电路产生的电流参考基准产生pwm 开关脉冲，去驱动功率电子开关，为电磁线圈提供脉冲电压驱动。脉冲电压经过励磁线圈电感和续流二极管d2作用，产生持续的直流电流。该直流电流还通过电流取样电阻r14产生电压信号反馈给pwm控制模块，与恒流值设定电路产生的电流参考基准相比较，具体说，如果励磁电流变大，电流取样电阻r14 反馈信号也变大，其反馈给pwm控制电路后与电流基准相比较，去减小pwm 脉冲的占空比，电磁线圈的励磁电压脉冲变
窄，电磁线圈得到的能量变小电流变小，反之亦然。最终产生恒流效果。
94.作为上述实施例的改进，如图8所示，在直流电磁线圈l上还并联有指示灯电路，该指示灯电路包括指示灯led和限流电阻r15，指示灯led的阴极与mos管的漏极电连接，限流电阻r15的第一端与指示灯led的阳极电连接，限流电阻r15的第二端外接工作电源。通过上述指示电路，可及时关注mos 管q1的导通情况。
95.上文通过附图和优选实施例对本实用新型进行了详细展示和说明，然而本实用新型不限于这些已揭示的实施例，基与上述多个实施例本领域技术人员可以知晓，可以组合上述不同实施例中的代码审核手段得到本实用新型更多的实施例，这些实施例也在本实用新型的保护范围之内。