电磁阀驱动器

电磁阀驱动器（精选八篇）

电磁阀驱动器 篇1

液压支架是煤矿综合机械化采煤工作面的支护设备, 是综采的关键设备。随着电子计算机和自动控制技术的发展, 采煤技术设备的自动化也日趋成熟, 液压支架电液控制也随之发展起来[1]。液压支架电液控制系统集监测与控制于一体, 可实现在地面、在顺槽对工作面设备的运作与工况的自动控制与监测, 使煤矿井下工作面的生产和管理产生根本性的变化[2], 已成为井下生产所必不可少的技术装备[3,4]。

电磁阀驱动器为液压支架电液控制系统的重要部件, 其性能的好坏直接影响半自动、全自动采煤的稳定性。传统的电磁阀驱动器功能单一, 只能对电磁先导阀进行换向控制, 并且无传感器信息采集功能, 因传感器需要通过电缆连接到电液控制器上, 增加了液压支架内部电缆, 容易导致电缆受到挤压而损坏。为此, 笔者设计了一种新型液压支架用电磁阀驱动器, 该驱动器在功能上得到了扩展, 解决了传统电磁阀驱动器出现的电缆问题。其特点包括:

(1) 接收来自电液控制器的CAN通信信号, 经过单片机处理后发送给电磁先导阀接口, 从而达到对电磁先导阀控制通断的目的;同时, 如果电磁阀驱动器接收到电液控制器发出的闭锁或急停信号, 它只对电磁先导阀进行软件闭锁, 即在软件程序设计上停止对电磁先导阀的PWM输出。在软件闭锁的同时并不影响电磁阀驱动器对各种传感器信息的采集。

(2) 采集压力传感器、位移传感器以及红外传感器等发出的模拟量或开关量信号, 通过电路板转换为CAN信号传递给电液控制器, 并将其显示在电液控制器液晶屏上。同时减少了内部传感器电缆, 使液压支架内部的管线布置更加合理。

1 液压支架电液控制系统

液压支架电液控制系统是井下工作面自动化的重要组成部分, 它可以接收来自液压支架上每个传感器的信息, 将其转换为CAN通信信号传递给安装在中央控制室内的服务器以及防爆工控机, 使工人可以从服务器或防爆工控机看到工作面上每台支架的情况;同时, 电液控制系统处理来自于服务器以及防爆工控机传递的采煤机或刨煤机的各项数据, 包括位置信息、速度信息等, 然后控制液压支架上的液压油缸进行升柱、降柱、推溜、拉架等各项动作, 从而实现整个工作面半自动、全自动采煤。

电液控制系统包括本质安全型支架电液控制器、矿用隔爆兼本质安全型电源箱、压力传感器、位移传感器、红外传感器、电磁阀驱动器、闭锁按钮、电磁先导阀以及用于连接各部件的电缆组件等。电磁阀驱动器与电液控制系统其它设备的连接如图1所示。

2 电磁阀驱动器工作原理

电磁阀驱动器接收压力传感器、位移传感器、红外传感器的信息, 将这些模拟量或开关量信号转换为CAN信号传递给电液控制器;同时驱动板接收来自电液控制器的CAN信号, 并经单片机处理后由PWM输出电路控制电磁先导阀的通断, 从而实现控制液压支架的目的。

3 电磁阀驱动器硬件结构

电磁阀驱动器整体结构主要包括外壳、插座、指示灯以及电路板4个部分。

(1) 外壳

电磁阀驱动器外壳由一个气密密封设计的不锈钢外壳构成, 是一个无缝的壳体。坚固的外壳加强了对电磁阀驱动器的保护, 防止外部破坏, 延长使用寿命, 并提高设备的可维护性。

(2) 插座

采用不锈钢航空插座CT63-1204ZK, 与可360°旋转的电缆接头方便连接, 便于插拔;具有IP67的防护性能, 并带有自锁装置。

(3) 指示灯

电磁阀驱动器有一红一绿2盏指示灯, 分别表示电源和通信状况。电磁阀驱动器的通信接口与通电状态的电液控制器连接后, 电磁阀驱动器上的红色指示灯亮;当有数据传递时, 电磁阀驱动器上的绿色指示灯闪烁。

(4) 电路板

电磁阀驱动器的电路板安装在不锈钢航空插座G63—1204ZK内, 采取完整密封振动保护, 并为防止部件污染而增加重复保护。控制电路板用紧固件固定在适当的位置, 以保证各板块之间电气连接的高度完整性。

电磁阀驱动器共有17个对外接口。其中:1～16接口分别与电液控制换向阀对应的电气接口连接;压力传感器/位移传感器/红外传感器接口分别与支架立柱压力传感器、支架推移油缸内位移传感器以及安装在立柱上的红外接收器连接;闭锁、控制器通信接口与电液控制器连接;传感器备用接口作备用。

电磁阀驱动器具体电缆接口如图2所示。

4 电磁阀驱动器内部电路设计

电磁阀驱动器内部电路主要包括电磁阀驱动器隔离电路、驱动电路以及传感器信号采集电路等。

光耦隔离电路如图3所示, 其作用是单片机的I/O口P20～P27、P40～P47接收处理后的来自电液控制器的CAN信号, 再经过PC847进行隔离处理, 由单片机控制在E1～E16输出12 V;驱动电路如图4所示, 其作用是12 V信号经过ULN2803处理后输出PWM信号控制valve1～valve16这16个电磁先导阀接口的通断。

传感器信号采集电路的作用是将电缆传输过来的模拟量或开关量信号转换为模拟量传递给单片机, 如图5所示。左侧电路为模拟量采集电路, 可以将0～5 V的模拟量传递给单片机;右侧电路为开关量采集电路, 可以将开关量转换为模拟量传递给单片机, 无开关量信号输入时输出为0 V, 有开关量信号输入时输出为3 V。

5 电磁阀驱动器软件设计

电磁阀驱动器的电路板处理器采用C8051F040单片机, 其主要功能是处理采集到的各种传感器信号以及接收来自电液控制器的CAN信号以控制电磁先导阀[5]。其软件流程如图6所示。

6 结语

电磁阀驱动器在整个电液控制系统中占有极其重要的地位, 对于电液控制系统传感器信息采集处理、电磁先导阀驱动起着至关重要的作用。

该电磁阀驱动器与传统的电磁阀驱动器相比具有以下特点:

(1) 将传感器信号采集功能集中在电磁阀驱动器上, 从而使其功能更为强大, 并且减少连接在电液控制器上的传感器电缆, 安装方便;

(2) 传感器采集的信号类型多, 既可以采集模拟量信号, 也可以采集开关量信号, 大大提高了传感器的选择范围, 增加了系统设备的兼容性;

(3) 与电液控制器之间的通信采用CAN总线技术, 提高了驱动器与电液控制器之间的信号传输速度, 使得整个电液控制系统更加快速、稳定;

(4) 采用不锈钢航空插座CT63-1204ZK, 与可旋转式航空插头并用, 可以加强电磁阀驱动器的防水性能, 并且便于插拔, 维护方便, 降低了工人的劳动强度。

该新型电磁阀驱动器已经批量生产, 并成功应用于神华蒙西棋盘井煤矿国内第一套全自动联合采煤机组工作面和铁煤集团晓明矿国内第一套全自动刨煤机组工作面, 运行稳定可靠, 性能良好, 受到客户的好评。

参考文献

[1]罗跃勇.SAC型液压支架电液控制系统的研制与应用[J].煤炭科学技术, 2008 (12) :102-104.

[2]王彦常.简析煤矿综采液压支架电液控制系统的应用[J].装备制造, 2010 (4) :253-253.

[3]李效甫.综采液压支架电液控制系统[J].煤矿开采, 2001 (2) :5-6.

[4]刘培云.电液控制系统在液压支架中的应用[J].矿业快报, 2005 (2) :39-40.

基于电磁驱动的爬行机器人设计 篇2

关键词：电磁驱动；爬行机器人；运动分析

引言

爬行机器人是机器人领域重要的发展分支。近年来，国内外学者对尺蠖、蛇、蚯蚓等生物在复杂环境下有效运动机制展开了大量研究，根据其运动原理设计出尺蠖式、蛇形、蠕动式等多种类型仿生爬行机器人。除了传统的刚性结构，自由度更高、适应性更强的软体柔性结构也不断被尝试应用，并取得了良好的效果。

爬行机器人的驱动方式较多，如常规的电机驱动、记忆合金驱动（SMA）、气动、电活性聚合物驱动和化学驱动等。借助以上驱动方式，仿生爬行机器人可以完成蜿蜒或伸缩等基本动作，实现本身的行走。

值得指出的是，对仿生类爬行机器人的研究紧密结合了其实际应用需求。如：针对狭小、粗糙、陡峭、崎岖的复杂环境下（如灾难废墟内）探寻、搜救等应用，研发了稳定性好、横截面小、自由度高的蛇形机器人[1]；针对工业管道的监测、检修等应用，研发了简单紧凑、运行平稳、可靠性高的尺蠖式机器人[2]；而在医疗领域，适合柔软、弯曲环境下的运动蠕动式机器人得到了良好的应用与发展[3]。

本文针对狭小的平面使用环境，设计了一种基于电磁驱动的爬行机器人，结构简单，控制简便，横截面积小，行走效率高，适合在缝隙中穿行。

1.结构组成与驱动原理

1.1结构组成

爬行机器人是一个具有应用价值的行走平台，整体设计应满足扩展功能和运动功能的需求，所以其总体设计应兼顾扩展应用接口和运动平台[4]。

该爬行机器人由头部、中间部和尾部三部分构成，典型结构如图1所示。头部、中间部和尾部三个单元内都并列安装两个电磁模块，相互配合、协调动作进行驱动。头部、尾部单元结构类似，分别位于机器人的两端，其中头部搭载应用模块（如摄像头）和控制电路，尾部搭载电池为机器人提供能源。中间部由一至多个可拆装的驱动单元组成。每个单元都设计有与爬行表面接触的足部，提供爬行所需的摩擦力。所有单元之间采用软弹簧式柔性连接，可完成任意角度的转弯动作。

1.2 驱动方式

爬行机器人常用的驱动方式有电机驱动、气动、SMA驱动三种。电机驱动利用各种电机产生的力或转矩，经过传动机构直接驱动负载，获得要求的机器人运动，运动精度高、响应快、易于控制，是应用最普遍的驱动方式[5]，但也存在机械结构过于复杂、成本高、维护难度大等缺点；气动方式则通过对机器人柔性腔体充放气，致使其发生发杂的变形运动，具有反应速度快、功率密度高等优点，但需要外置高压气源，难以去除拖尾和实现小型化；SMA驱动是利用形状记忆合金的特性，通过控制SMA弹簧上电流的通断来实现伸缩变形，功率密度高、驱动力大，但其响应速度慢、效率低，并且易于老化[6]。

基于现有研究，本文提出一种基于电磁铁磁力的驱动方式，其驱动器是机器人本体每个单元都并排安装的、总体串联分布的电磁模块。电磁模块采用常规的铁芯漆包线结构，上电后周围会产生有极性的磁场分布。将一组两个电磁铁串联在一起，通过改变上电电流方向，可以使电磁模块极性呈现NS-NS或NS-SN形式排列，相互间产生电磁引力或斥力来实现吸合或分离的动作，完成爬行所需的伸缩运动。

2.运动步态分析

将该爬行机器人的头部、中间部和尾部三个单元分别编号为1、2、3，未上电时，由于三个单元质量及与地面接触面积的差别，可设定此时三个单元与地面的最大静摩擦力fmax1=fmax3>fmax2。各个单元之间的柔性弹簧仅起连接作用，在运动过程中产生的变形反弹力可设定为忽略不计。

2.1 直线行走

系统上电时，机器人三个单元吸合在一起，定义为初始状态。直线行走时，可以将每个单元中并排的两个电磁模塊极性同步变化。从图2不难看出，其运动机理可分为以下三步：

（1）改变单元1电磁模块电流方向使其磁极反向，此时单元1受单元2、3的电磁斥力F1，同时单元2、3受反向电磁斥力F23= F1。当fmax2+ fmax3> F1> fmax1时，单元1开始向前运动，单元2、3仍吸合在一起保持静止。此步骤完成后，机器人实现状态1；

（2）改变单元2电磁模块电流方向使其磁极反向，此时单元2受单元1的电磁引力F2’和单元3的电磁斥力F2”，即其所受合力F2= F2’+ F2”；同时单元1受反向电磁引力F1’= F2’，单元3受反向电磁斥力F3’= F2”。当F2> fmax2、F1’< fmax1、F3’< fmax3时，单元2开始向前运动与单元1吸合，单元1、3保持静止。此步骤完成后，机器人实现状态2；

（3）改变单元3电磁模块电流方向使其磁极反向，此时单元3受单元1、2的电磁引力F3，同时单元1、2受反向电磁引力F12= F3。当fmax1+ fmax2> F3> fmax3时，单元3开始向前运动，单元1、2仍吸合在一起保持静止。此步骤完成后，单元1、2、3吸合到一起实现状态3，即回到初始状态。此时，机器人完成一个运动周期，向前行走一个步距l。

2.2 转弯运动

给两列电磁铁模块分别编号为A、B，当每个单元的两个电磁模块电磁极性方向和大小分别按一定规律变化时，机器人可以完成转弯运动。如图3，设定让电磁模块产生前N后S极性的电流方向为正，则在右图中电磁模块电流的变化规律下，机器人可以分步骤对应实现左图所示状态，完成一个角度为θ转弯的运动周期。

转弯角度θ与单元运动时所受力和力矩的大小和方向相关，而作用力和力矩都是通过磁铁模块产生的磁场相互施加给对方的。实际上，根据场分布的特性，在本文讨论的先并列后串联的电磁模块分布驱动方案中，只需一方的磁场分布不均匀即可产生偏离直线的运动。所以，除了图3所示的电流变化规律外，电流方向不变、大小变化也可完成角度较小的转弯运动。这就意味着如果在驱动端采用PWM方式控制输入的电压和电流，可以使机器人获得较高精度的行走轨迹，大大提高了其操控性和实用性。

3.延伸研究

如何提高运动能力（包括速度、精度、灵活性）和对环境的适应能力，一直是爬行机器人研究的关注热点，其关键技术包含机器人本体结构设计、驱动方式和控制算法三个方面。电磁驱动是一种结构极其简单、操控方便、低价高效的驱动方式，易于小型微型化后驱动一些特种机器人。本文所提出的机器人结构仅是一种可行性验证方案，如果经设计后搭载相应的结构平台（如多节蛇形结构），也可驱动蜿蜒、3D等运动方式，完成越障、攀爬甚至跳跃等复杂动作，所以后续研究将围绕其应用平台的拓展而展开。

4.结论

提出了一种基于电磁驱动的爬行机器人设计方案，机械结构简单，可实现小型化和微型化，适合在狭小缝隙中穿行使用。与常规的驱动方式比，电磁驱动具有结构简单，控制简便，成本低、效率高等特点，可广泛应用于多种类型的爬行机器人平台。

参考文献：

[1]李斌.蛇形机器人的研究及在灾难救援中的应用[J].机器人技术与应用，2003，（3）：22-26.

[2]宋岩，陈小安，等.新型尺蠖式爬行机器人的设计及样机研制[J]. 机械设计与制造. 2008，（1）：179-181

[3]简小刚，王叶锋，等. 基于蚯蚓蠕动机理的仿生机器人研究进展[J].中国工程机械学报. 2012，10（3）：359-363.

[4]李鑫勇，王彪，等. 电磁驱动结构的球形机器人研究[J]. 机械设计与制造. 2010，（5）：169-70.

[5]宋岩.一种尺蠖式爬行机器人的研究[D].重庆：重庆大学，2007.

高速电磁阀驱动控制策略的研究 篇3

高速电磁阀是汽车ECU控制系统中的一个关键部件,微处理器就是通过控制它来控制喷油的开始及持续时间。如何能精确地来控制电磁阀的开闭,直接影响着整个系统的性能指标[1]。在高压共轨燃油喷射系统中,由于每次的喷射时间很短,所以要求电磁阀中的电磁铁必须在很短时间内迅速动作,即产生强大的电磁力来克服弹簧的拉力。为满足这一要求,除了电磁阀本身的设计外,还需要有一个有效的驱动电路。

1 电磁阀基本原理

由公式F=K×(IW)2S/δ2×9.8×10-8(F—电磁吸引力,K—常数,δ—气隙大小,IW—安匝数,S—铁芯截面积)可知,电磁力与安匝数平方成正比,在电感一定的情况下,匝数不变,唯一能变的就是通过电磁阀线圈的电流。所以,要使得电磁阀迅速动作必须要在短时间内增大通过电感的电流[2]。由于在电磁力克服弹簧复位拉力之后,只需较小的电流即可维持其始终吸合的状态。所以,为了避免线圈过热,当阀门打开后应迅速控制线圈电流降低到一个较小的数值[3]。电磁阀电流在整个动作过程中的理想曲线如图1所示。

2 硬件电路

高速电磁阀的驱动电路由提供高压侧跟低压侧栅极驱动信号的控制电路组成[4,5]。

以龙口龙泵电磁阀为例,图2中开关S2栅极驱动信号频率依据曲轴转速而定,本试验中采用的周期为4 ms的方波信号。对S1的控制分两个阶段,开始的宽脉冲阶段由高压VHH启动,使电磁阀电流迅速上升从而使其快速闭合,接下来的PWM控制阶段由低压VH维持,试验中该PWM频率为7.8 k Hz,占空比为20%。一个喷油过程结束后,电磁阀电感经由二极管D1和电容C放电给电源。

在器件的选择上,考虑到电磁阀的快速开闭需要高电压的驱动来产生大的开启电流,在此选用2N7000型号的N沟道增强型MOS管,其栅极侧驱动信号在10~15 V之间。开关管栅极驱动采用的IR2110芯片,它兼有光耦隔离跟电磁隔离的优点,驱动上采用自举电路。主要电路示意图如图3所示:S1为高压侧开关,S2为低压侧开关,C1为自举电容,D3为自举二极管,PWMH1跟LIN11分别接两个开关的驱动信号。对于自举电容跟自举二极管的选择还是要有精确计算的,要根据所驱动的开关管栅极侧所需电荷多少来衡量。最小电容值可由下式计算:C=2Qg/(VCC-V1-V2),其中,Qg为开关管充分导通时所需的栅电荷,V1为开关管充分导通所需的电压,V2为自举电容充电路径上的压降。对于自举二极管的选取方法可参阅IR2110资料,这里不再赘述。

图3只是高压侧开关在最开始的快速启动阶段的部分电路图。可以知道,在电磁阀完全打开后只需要4 A以上电流即可维持其始终吸合,所以,要另外产生一路信号,这就是接下来的PWM信号,其对开关管的控制电路图与图3差不多,只不过将图3中的高压变成了低压。需要注意的是两个电源之间还加入了一个双并联二极管,防止因驱动信号出错而将高压电源VHH直接加到低压电源VH上。

总的来说,用于驱动电磁阀栅极的信号是由两组电路来完成的,它们产生信号的叠加才构成了图2中用于控制开关管S1的栅极驱动信号。

3 驱动电路设计

对于PWM信号的产生,有些资料中是选用专门的驱动芯片来完成的。大家知道,现在单片机种类繁多,而且功能越来越强大,合理地选取单片机就可以直接完成PWM信号的输出,而不必设计专门的驱动电路。C8051F500单片机内部自带可编程计数器阵列,可以输出8位跟16位的占空比可调的PWM信号。将此输出信号进行处理和放大就可以作为开关管的栅极驱动信号。实验发现,从单片机引脚输出的信号不能直接接到IR2110芯片上作为输入信号。由于干扰跟耦合的原因,单片机输出的PWM信号会产生漂移,这将会使得最终驱动开关管的栅极信号很不稳定。因此,为了增强抗干扰性,在单片机跟IR2110芯片之间加了一个光耦隔离芯片。

4 实验电路分析

试验中的数据设置如下:VHH为70 V,VH为24 V,电磁阀快速启动的时间为250μs[6],启动结束后电感续流50μs后进入PWM控制阶段,PWM占空比为20%。之所以先续流50μs再进入PWM控制阶段,是因为启动结束后电感电流太大,在保证电磁阀接下来的时间内始终闭合的前提下,电流越小越好,所以选择了先续流一段时间再进入PWM控制阶段。通过示波器对电磁阀在整个动作过程中的电流波形进行了采集,如图4所示。

说明:曲线1为低端开关管栅极控制信号,曲线2为与VHH相连接的开关管栅极控制信号,曲线3为电磁阀内电感电流波形图,曲线4为与VH相连接的开关管栅极控制信号。

从图4中可以发现,电磁阀电流曲线在A点出现了拐点。众所周知,在输入高端高压VHH(0~250μs)后,电磁阀电流随时间成非线性变化。当衔铁向动铁侧移动时,随着磁阻变小,线圈电感增大,产生了一个由于电感增大而阻碍电流变化的感应电动势,导致电磁阀完全闭合前的电流不是按照指数曲线上升。230μs后衔铁移动结束(图4中A点),线圈电感不再发生变化。此后电流按照新的指数曲线继续上升。图中A点即为电磁阀的完全闭合点。

于是可以这样控制,在电磁阀电流出现拐点的时刻断开高端高压VHH,只要能保证电磁阀电流在整个维持阶段始终吸合即可[7]。

基于这种思想,对参数进行调整后,将电磁阀启动时间改为230μs,重新对电磁阀电流进行了测量,其波形图如图5所示。

由图4跟图5对比很明显可以看出,电磁阀电流的峰值从25 A降低到了18 A,并且在维持阶段的电流能够始终保持在4 A以上,使电磁阀始终处于吸合状态,这样就大大降低了功耗。

此外,还可以通过改变VHH跟VH并且借助示波器来观察电磁阀电流波形。利用测试上位机,可以对电磁阀的启动时间、PWM频率及占空比进行调节,使电磁阀的开闭速度达到所预期的结果。

5 结语

该高压启动、低压维持的驱动电路实现了电磁阀的快速开闭。并且该电路具有启动时间、PWM频率及占空比均可调等优点,整个电路模块的造价不高,很有实用价值,已经在单体泵电磁阀的控制中得到了成功应用。

参考文献

[1]邹开凤,陈友龙.高速电磁阀响应特性的研究[J].海军航空工程学院学报,2005,20(6):672-675.

[2]陈林,刘磊,杨福源,等.柴油机燃油系统电磁阀闭合始点及反馈控制策略[J].机械工程学报,2010,46(18):108-114.

[3]刘剑飞,申琳,张云龙.电容储能式高速电磁阀驱动电路的研制[J].电子设计应用,2005(7):93-95.

[4]王洪荣,张幽彤,王军.高性能共轨柴油机电控单元的开发研究[J].北京理工大学学报,2007,27(7):580-584.

[5]宋军,黄建平,李孝禄,等.柴油机高速电磁阀驱动特性仿真分析[J].车用发动机,2005,59(5):94-98.

[6]连长震,李建秋,周明,等.电控燃油喷射用高速电磁阀驱动方式研究[J].汽车工程,2002(4):310-313.

电磁阀驱动器 篇4

共轨式控制系统和新一代“均质压燃、低温燃烧”技术要求对喷油定时、喷油持续期和喷油模式进行灵活实时控制,以实现喷油速率的灵活可调,达到发动机排放性、经济性和动力性的最优组合。为了实现喷油速率的灵活可调,共轨式喷油器要具备高速电磁阀的特性,同时要求驱动电路具有理想的驱动方式;从燃油喷射系统考虑,驱动电路要具有故障诊断功能。喷油器电磁阀的理想驱动方式为:在衔铁吸合时,对电磁阀线圈以尽可能快的速率注入峰值电流,使其快速吸合。吸合后,磁路气隙减小,磁阻降低,仅以较小的保持电流维持吸合。在释放时,为了减少电磁阀的释放延时,应快速抑止驱动电流,释放电磁阀内的电势能。其中,在吸合阶段采用较小电流,一方面可以加快电磁阀的释放速度,另一方面可以减小能量消耗,减少功率驱动电路的热负荷。其理想的驱动信号如图1中d所示,它由主脉冲a、零脉冲b和PWM(脉宽调制)保持波c三部分组合,为优化波信号。

目前,PLD(可编程逻辑器件)是大部分电子设计应用最广泛的用户定制数字IC。CPLD(复杂PLD)具有更为丰富的逻辑资源和门,是基于EDA(电子设计自动化)技术的芯片,其具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性。本文基于CPLD提出了一种适应于高速电磁阀控制的高-低压分时驱动和诊断电路。

1 高-低压分时驱动和故障诊断模块

图2为基于CPLD的高-低压分时驱动和故障诊断模块,主要由ECU模块、CPLD模块、驱动模块和电流检测模块四部分组成。ECU(发动机控制单元)主要采用FREESCALE公司的32位汽车发动机专用芯片MCF5233为微处理器,其主要提供3个功能单元,分别为时钟信号、喷油器组控制信号和定时器。其中时钟信号主要为CPLD提供时钟信号;喷油器组控制信号为喷油器提供燃油喷射控制信号;定时器为用于对检测反馈信号作出分析和诊断。CPLD模块根据ECU的喷油器控制信号完成高、低压驱动信号的逻辑合成,由时钟分频器、高压驱动信号分离器、优化波合成器三部分组成。其中高压驱动信号分离器和优化波合成器都是由喷油器驱动信号上升沿触发开启,优化波合成信号由驱动信号下升沿触发关闭。驱动模块主要完成功率放大功能,由高、低边驱动单元和功率驱动单元两部分组成。电流检测模块负责对喷油器电磁阀线圈回路的电流状态进行实时监测,主要由采样电路、放大电路和比较电路组成。

2 故障诊断原理及诊断算法

喷油器故障诊断的基本原理是根据电感线圈在上电后,其回路中电流的建立时间和电感单元自身的L/R时间常数成正比关系,在电感单元上电后,其回路中采样电阻端电压总是在一定时间延时后才建立起来。如果电感单元短路,则电阻两端电压没有延时即刻建立起来;如果电感单元断路,则采样电阻的电压一直为0,其诊断原理如图3所示。

故障诊断过程从喷油定时中断开始,在喷油定时中断服务程序中提出对应eTPU(MCF5233集成的增强型时间定时处理单元)通道的服务请求。eTPU通道开始工作,输出喷油驱动信号。此时电流检测模块将处理后的信号反馈到eTPU-I/O(输入/输出)通道。与此同时,服务程序初始化PITs(周期型定时器)的Timer1和Timer2计数寄存器,运行Timer1和Timer2。在时间间隔T1后,Timer1中断服务程序查询eTPU-I/O通道的状态,如果是高电平说明相对应的喷油器回路短路,应关闭驱动信号,否则正常。在时间间隔T2后,Timer2中断服务程序查询eTPU-I/O通道的状态,如果是高电平说明相对应的喷油器回路断路,否则正常。其程序流程图如图4所示。

3 喷油器驱动、控制和诊断模块验证

喷油器最优驱动电流模式是实现喷油器高速性能和最小驱动功耗的最优方式,也是实现喷油速率灵活可调的保证。图5a展示了在喷油器高-低压分时驱动过程中,喷油器电磁线圈内电流的变化情况,其完全符合理想的喷油器驱动电流模式;喷油器的多次喷射控制要实现不同喷射模式(预喷、主喷、后喷)的灵活调整,以便满足燃油喷射系统灵活可调的喷油速率要求。图5b是喷油器5次喷射时的情况,说明该高速电磁阀驱动模块能为燃烧优化提供强大的技术支持。故障诊断模块是喷油器可靠、安全工作的保证,其通过对喷油器驱动电路电流的采样、放大、比较输出,从而得到喷油器诊断信号。图5c展示了喷油器正常工作过程中驱动电路电流采样信号、放大后的信号和比较器处理后的脉冲信号。验证结果表明该驱动电路能够完成所需功能,达到了预期设计的目标。

4 喷油器驱动电路的试验研究

在试验研究中,针对自行开发的共轨喷油器[1,2]和博世生产的共轨喷油器都进行了特性研究。期间发现相同条件下不同喷油器驱动通道对应的喷油特性不一致,各驱动通道间存在不一致性。在第一届发动机电控技术国际会议中,成都威特公司的代表在报告中也提及了这样的问题,但没有说明原因[3]。因此,本文详细研究了高-低压分时驱动电路中可能变动的参数对喷油特性的影响,通过分析以达到优化电路结构和改善喷油特性的目的。

4.1 上电回路阻抗对喷油特性的影响

对于共享相同高、低压电源,具有相同结构的各通道驱动电路,由于各个通道驱动电路的布局、布线以及元器件间的差异,造成驱动电路之间各回路阻抗存在一定差异[4]。在功率驱动电路中各回路的阻抗主要考虑其电阻值,不考虑其寄生的感抗值和容抗值。其中电路导线电阻决定于材料的本征电阻率和元件的几何尺寸。如公式(1)所示:

式中,l为电阻器长度;A为电阻器截面积;ρ为电阻率。

在PCB(印刷电路板)中,铜箔的电阻率ρ=0.0175Ψ·mm2/m,长度为20cm、宽度为1.2mm的导线阻值为0.115Ψ,在考虑各元器件自身的阻抗情况下,通常正常工作中各回路阻抗值的数量级为0.1Ψ。本文在相同的工作条件下,对喷油器驱动电路的上电回路引入和回路阻抗数量级相当的阻抗,以观察其对驱动电流和喷油器响应特性的影响。

在其他条件一定(喷油脉宽1.3ms,喷射压力60MPa)的情况下,对上电回路分别引入0.25、0.33、0.50、1.00Ψ的电阻(在喷油器电流输入端),其对喷油器电磁线圈内电流变化的影响如图6a所示。从图6a可看到,上电回路阻抗的变化不仅影响驱动的峰值电流,而且影响驱动的保持电流。在喷油器开启时刻上电回路随阻抗增加其电流上升速率变缓;在喷油器关闭时刻其电流下降变缓。这些现象和电阻的引入点有关系,试验中的引入点不仅影响上电回路的阻抗也影响放电回路的阻抗。

上电回路阻抗的变化直接影响到电磁线圈内驱动电流的上升速率和回落速率,其势必对喷油器的喷油特性产生影响。为此采集了不同上电回路阻抗时的喷油速率曲线,如图6b所示。从喷油速率曲线上提取各试验点对应的喷油特性数据,如表1所示。结果显示随上电回路中电流上升速率的缓和,喷油速率曲线的波动变小,油量从68.85mg下降到37.4mg,直到最后不再喷油,但是平均喷油速率变化不大。同时喷油器开启延时变大,而关闭延时减小,喷油持续期也逐渐变小,这也是导致喷油油量变化的原因。综合以上分析可知,上电回路中极小的阻抗变化可以引起较大的油量变动。

4.2 放电回路阻抗对喷油特性的影响

同样在其他条件一定(喷油脉宽1.3 ms,喷射压力60MPa)的情况下,在放电回路中分别引入0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5Ψ的电阻(在放电二极管后端),其对喷油器电磁线圈内电流变化的影响如图7a所示。从图7a可看到,放电回路阻抗的增加使驱动保持电流减小(保持波不变),在喷油器关闭时刻,随放电阻抗的增加电磁线圈的电流回落变快。图7b为不同上电回路阻抗对喷油速率曲线的影响。从喷油速率曲线同样可得到各试验点对应的喷油特性数据,如表2所示。从结果可发现,随放电回路阻抗的增加,开启延时增大,而关闭延时却减小,从而导致喷油持续期也逐渐变小。其中平均喷油速率在大油量时变化不大,在小油量时有所减少,随阻抗增加油量从68.85mg下降到10.14mg,直到不喷油,同时伴随着喷油速率曲线波动降低,本文的其他研究表明:减少喷油速率曲线的波动可以降低循环油量的波动[5]。关闭延时的减小,主要是由于保持电流的降低和电流回落速率加快共同作用的结果。以上分析说明放电回路中阻抗变化同样可以引起较大的油量变动。

4.3 喷油器驱动电路的优化匹配和验证

针对自行开发的高压共轨喷油器,由以上试验研究结果发现很小的回路阻抗都将带来驱动电流的变化,而极小驱动电流的变化将引起喷射油量的变化。上电回路和放电回路的阻抗增加都将导致喷油器开启延时和关闭提前,喷射油量减少,同时一定程度上减少了喷油速率的波动。在实际的PCB开发中,由于布局空间的局限性及其他因素,导致各驱动通道各回路的阻抗不完全一致。所以针对喷油器驱动电路,应弱化各驱动通道自身阻抗不一致性的影响。在驱动各回路中引入定值电阻(远大于回路自身的阻抗),以弱化各驱动通道阻抗的不一致性,用来提高驱动通道的一致性。

为了完成对喷油器驱动电路的优化开发,在上电回路中引入0.5Ψ的电阻,在放电回路中引入1.5Ψ的电阻。同时通过调整PWM保持波的占宽比,使保持电流稳定在6 A左右,通过调整主脉冲来补偿由于电阻引入带来的喷油延时。随后对整个ECU进行新一轮的开发研制,在开发设计中严格控制驱动各回路的阻抗值,使各回路阻抗的差异最小,同时应尽可能减少其自身的阻抗,加强引入电阻的弱化作用。针对新开发的ECU,在相同环境和条件(轨压60MPa)下,对于不同喷油器驱动通道作用下的喷油特性进行了试验,其和优化前ECU各通道的喷油器特性对比如表3所示。

为分析单个喷油器的一致性,引入相对标准偏差(RSD)的概念:

式中,S为标准偏差,由试验直接测得;为单次平均循环喷油量;n为采样次数;xi为单次循环喷油量。

本文使用相对标准偏差衡量一致性,采样次数为100次。图8为通道1在优化前后的喷油器的特性对比,通过对比发现,优化后总体上喷射油量循环变动变小,喷油器一致性变好,尤其在小油量时。这是由于上电回路阻抗的引入,使电磁线圈内电流上升变缓,电磁阀开启速度略有减缓(调整主脉冲,补偿由于电阻引入带来的喷油器开启延时,最终喷油器的开启延时比未引入定值电阻减缓了0.1 ms),减小了高压油管的波动,同时也使喷油速率的波动变小,一定程度上优化了喷油器性能(实际应用发现喷油器在响应特性过快的情况下,带来了诸多问题:喷油器在使用一段时间后工作特性有较大变动,易出现卡死现象;小油量精度难以控制等)。表3为通道一致性的对比试验结果,从中等油量(45mg左右)和大油量(85mg左右)对比,可以明显发现优化后的各驱动通道具有较好的一致性。中等油量时各驱动通道的RSD由优化前的11.9%降低到优化后的3.8%,大油量时各驱动通道的RSD由优化前的6.5%降低到优化后的2.1%,这说明引入的回路阻抗起到了弱化各通道回路阻抗差异的作用。

5 结论

(1)为提高高速电磁阀(包括喷油器)响应速率,基于CPLD设计了喷油器高、低压驱动信号的逻辑合成电路,提出了高-低压分时驱动模式。该驱动模块可以确保升压模块小型化,实现对高速电磁阀最优的控制。同时,为了提高驱动模块的可靠性,根据电感线圈的上电特性,对喷油器进行了故障诊断电路和算法开发。最终试验证明该高速电磁阀分时驱动模块完成了所需功能,达到预期设计的目标。

(2)试验结果表明:喷油器驱动电路上电回路和放电回路的阻抗增加都将导致喷油器开启延时和关闭提前,喷射油量减少,但一定程度上减少了喷油速率的波动。各驱动通道回路的阻抗差异是导致各通道驱动性能不一致的重要原因。

(3)针对各驱动通道的不一致性,在各驱动电路各回路中引入定值电阻(远大于各回路自身的阻抗),以弱化各驱动通道阻抗的不一致性。试验表明,该方案提高了驱动通道的一致性,中等油量(45mg左右)时各驱动通道的RSD(相对标准偏差)由优化前的11.9%降低到优化后的3.8%,大油量(85mg左右)时各驱动通道的RSD由优化前的6.5%降低到优化后的2.1%,同时从整体上减少了喷油器的循环变动。

参考文献

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[4]田丽.影响印刷电路板(PCB)的特性阻抗因素及对策[J].自动化与仪器化表,2003(2):48-49.Tian L.Factors which effect the PCB’s characteristic imped-ance and countermeasures[J].Automation and Instrumenta-tion,2003(2):48-49.

电磁制动器节能措施的研究 篇5

电梯用电磁制动器是电梯运行的重要安全保证装置, 电梯曳引机、电机运行的必须的组成。它是在电梯断电时释放吸力, 使顶起曳引机或电机抱闸的推杆缩回, 抱闸依靠弹簧力将曳引机或电机运转轮抱死, 起到制动作用。传统的电磁制动器在工作过程中线圈始终通有额定电流, 由于电磁制动器启动后只要不断电, 一直处于维持磁路过饱和状态, 不仅造成浪费大量的电能, 降低电磁制动器的使用寿命, 而且温升高, 势必减小制动力, 造成恶性循环。

由于电磁制动器在启动时需要功率大, 而小功率就可以维持, 因此采取功率转换的方法, 实现合理分配功率, 节省能源, 降低温升提高制动力是改进电磁制动器的关键措施。

1 节能措施的分析

当前电磁制动器的节能措施基本有三种, 全波半波整流改变电压, 两端线圈并联串联改变阻值, 采用电子电路给出启动电压和维持电压。

1.1 全波半波整流

电磁制动器的可靠性是极其重要的保证条件, 因此其电路要求简单, 应用的电子元件要少, 可靠性要高。电磁制动器一般要求直流供电, 所以采用全波整流启动, 半波整流维持。

根据不采用滤波的全波整流后的电压为整流前电压的0.9, 半波整流为整流前的0.45。启动电压220V×0.9=198V

维持电压220V×0.45=99V

设线圈阻值为R

1.2 线圈并联和串联

对于双端双推电磁制动器, 两端线圈的阻值不仅相同, 而且各项参数及结构都一致。采用继电器实现启动时并联, 维持时串联。

并联电阻串联电阻RW2=2R

1.3 采用电子电路方法

采用电子电路, 按设定值启动时给出启动电压, 维持时给出维持电压。由于采用较多的电子元件, 在可靠性和成本上可能存在不足, 很少见到应用。

2 启动力和维持力

启动力是在电磁制动器设计时给定的设计指标, 是在制动器处于全行程状态下通电时在电磁力作用下产生的推力, 也就是磁阻最大状态所需推开电梯抱闸臂的力FQ。维持力是行程为0状态下通电磁阻最小时需要维持推开抱闸的力FW。当然这两种力都要保证在规定电压波动情况下均应满足要求。

由电器学可知, 在忽略铁心磁阻的影响和漏磁作用, 电磁铁吸力的公式为

从上式中可见电磁铁吸力F与工作气隙即行程δ的平方成反比。

当δ→0时F→∽

维持力是铁心已吸合, 其力应趋于无限大, 需要很小的功率便可以保证维持力。由于铁心面不平, 或有灰尘, 油渍, 水汽等相当气隙, 不能完全吸合, 并且由于电梯的抱闸臂在压力弹簧力的作用下还需支撑力, 所以维持时仍需具有一定的维持功率。

3 维持功率

电磁制动器启动时工作气隙, 即行程最大, 磁路磁阻最大激磁电流大部分消耗在工作气隙。而维持工作气隙理论上可视为0, 激磁电流完全消耗在导磁体上, 小电流可以将制动器维持。

初始位置电磁吸力

吸合后电磁吸力

以某电磁制动器试验, 直流110V启动, 降低电压直至25V仍可维持。

从理论分析和实践证明, 启动功率远远大于维持功率。

4 启动电压

采用全波半波整流和两端线圈并联和串联只是能将功率降为启动时的¼, 仍未达到完全节能的目的。采用电子电路的方法能够达到目的, 但是却很少见, 因为电磁制动器要有具有高可靠性, 控制电路用的零件越少越可靠。

电磁制动器的设计过程比较复杂, 影响因素很多, 而需选择的参数也多, 因此设计的结果与实际效果并不一样, 因此要直接设计组合线圈比较困难。采用常规的方法按要求设计出两端分别供电的电磁制动器, 这样供电电压V, 制动力F, 线圈阻值R, 行程δ, 整体结构等全部确定。以此为基础, 改变线圈。

直流供电电压为VQ, 即启动电压, 线圈阻值为RQ, 在工作条件下启动, 然后降低电压至VW, 满足维持电压的要求, 并测出电流IW

求出PW后, 求出在PW功率下, 将电压改为VQ时所需的电阻RW。

5 线圈绕组的组合

将线圈单绕组改为双绕组, 总圈数不变。双绕组L1, L2。L1线径大于L2线

L1为主绕组, 粗线径绕在里端, 发热小, 便于降低温升, L2为副绕组, 为细线径, 绕在外面, 便于散热。粗细线径配合, 便于调整阻值。调整L1, L2的阻值, 使其在并联时为RQ, 串联时为RW。

在维持时满足维持功率PW, 节省能源, 降低温升。温升低, 又提高了制动力。

6 具体案例

在供电电路中采用时间继电器KT。将两端线圈L11、L12;L21、L22分别接入时间继电器KT, 如图1。L11的A1接1, B1接10, L12的C1接9, D1接2。L21的A2接4, B2接11;C2接12, D2接3。9、10、11、12为动触点。时间继电器KT通电1、9相连, 2、10相连;3、11相连, 4、12相连。两端的两线圈分别并联启动 (图1) , 每端启动功率为PQ。延时后时间继电器KT断电, 9、5相连, 10、6相连;11、7相连12、8相连, 两端线圈分别串联维持 (图2) , 每端维持功率为PW。

设置时间继电器通电时间大于制动器启动到维持时间后断电。时间继电器将两线圈上的两绕组分别由并联转换为串联。

7 结论

采用本文的节能方案, 使电磁制动器在维持时所消耗的功率为真正维持所需的功率, 小于一般的节能维持功率为启动功率的四分之一, 达到了能源的合理运用, 优化了设计, 降低温升, 提高电磁制动器的质量和可靠性。

摘要：本文提出由实验确定启动功率和维持功率, 在一端线圈采用粗细线双绕组, 通过调整线圈阻值, 使其并联时功率为启动功率, 串联时为维持功率, 通过时间继电器进行转换, 达到合理利用能源。

关键词：电磁制动器,启动功率,维持功率,节能,绕组

参考文献

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[3]肖天来.低电阻率小升阻比PTCR应用研究[J].武汉理工大学学报, 2003, 25 (8) .

一种汽车盘式电磁制动器的研制 篇6

汽车盘式电磁制动器作为一种新型的制动装置, 电磁力以其迅速、可靠的潜在优势引起了汽车行业各研究人员的关注, 是制动技术的一次新的革命。电磁制动系统是使用电子装置的电磁制动机构, 当驾驶员踩下制动踏板时, 电磁铁的线圈通电, 推动摩擦片工作, 从而产生制动力。目前, 学术界已经成功研制了鼓式电磁制动器, 但鼓式电磁制动器在制动过程中存在散热困难等因素, 研究人员逐渐趋向于盘式电磁制动器的研究[1]。

汽车盘式电磁制动器在基于传统液压盘式制动器的基础上以全新的设计思想对增力机构、电磁铁内外铁芯和衔铁等进行设计, 借助AutoCAD、Solidworks软件建立模型, 并进行增力机构应力及制动力分析。本研究通过增力机构将电磁力放大4倍来满足汽车制动所需的制动力。在制动过程中, 通过控制电磁线圈的电流来控制制动力, 保证汽车在不同路况的制动可靠性。相对于鼓式电磁制动器, 盘式电磁制动器有以下优点: (1) 盘式电磁制动器远比鼓式的散热好, 制动性能稳定; (2) 由于鼓式制动器电磁铁芯的尺寸受到限制, 产生的电磁力也会受到影响, 而盘式制动器的空间相对宽松, 电磁铁尺寸可适当增大以提高电磁力; (3) 盘式制动器的增力效果好。

汽车盘式电磁制动器作为新的前沿制动技术, 具有控制方便、结构简单等优点, 没有传统液压系统的液压油燃烧和油路泄漏的危险, 提高了制动安全性[2]。由于它采用电磁机构代替传统的液压制动机构, 减轻了车辆自身的重量。盘式电磁制动系统采用了反馈控制系统, 缩短了制动反应时间与制动距离, 改善了制动力矩和防滑性能, 提高了行驶安全性。基于以上优势, 盘式电磁制动器将广泛用于汽车制动系统中[3]。

本研究开展盘式电磁制动器增力机构建模和应力仿真分析, 提出一种以电磁铁作为动力源, 通过增力机构把电磁力放大到预期制动力推动摩擦片工作而实现汽车制动的方法。

1 盘式电磁制动器结构

盘式电磁制动器样机如图1所示。

该盘式电磁制动器的设计适用于小型车 (发动机排量不大于1.5 L) , 以威志1.5 L三厢标准型版2009款作为设计依据, 制动器安装在原来液压制动器的位置。电磁制动器主要由制动钳、活塞、增力机构、电磁铁内外铁芯、衔铁和励磁线圈等组成。电磁线圈采用12 V直流车载电源供电, 以电磁铁所产生的电磁力为动力源, 通过增力机构把电磁力放大后, 再推动摩擦片工作以实现车轮制动。本研究根据使用需求和空间限制, 采用短行程盘式电磁铁, 其特点是铁芯柱特别大, 可以在非常短的行程内获得极大的电磁吸力, 而且充分利用了空间, 具有节能、噪音小等特点。短行程盘式直流电磁铁内外铁芯与衔铁均采用20#钢加工, 保证最大磁导率并最大限度减小电磁铁体积, 电磁线圈采用线径为1.16 mm的漆包线绕制1 290匝, 其余工艺均按照标准电磁铁制造工艺[4]。

电磁铁的衔铁与增力机构相连, 增力机构为杠杆增力机构 (如图2所示) , 增力比为1∶4, 增力前、后杠杆变化角度为2°, 传动效率较高。衔铁顶端与增力机构相连, 通过活塞推动内侧摩擦块, 衔铁的导向部分嵌入导向槽, 制动时衔铁向里运动带动钳体向内拉, 使增力机构向外顶出。同时, 外摩擦片的钳体与衔铁外侧固连同时向里运动, 使内外摩擦片几乎同时压到制动盘上, 并且两侧制动力相等。

摩擦衬块与制动盘之间的间隙在0.05 mm～0.15 mm之间[5]。为弥补摩擦衬块使用以后的磨损, 笔者设计了一个间隙补偿装置。

2 盘式电磁制动器的控制原理

当汽车需要制动的时候, 驾驶员踩下制动踏板, 踏板与电位器联动, 通过改变踏板行程来改变电位器的电阻, 从而改变通过电磁线圈电流的大小。电磁铁的吸力与通过电磁线圈电流的平方成正比关系, 通过控制电磁线圈的电流从而可控制制动力的大小。在制动的过程中, 为防止车轮抱死, 系统还设置了防抱死控制电路。电磁制动控制单元监测轮速传感器传来的车轮转速信号并对其进行分析对比, 当监测到车轮将被抱死的时候, 电磁制动系统将以脉冲电流的方式控制制动力的大小, 防止车轮抱死, 保证行驶安全[6], 其控制电路如图3所示。

间隙补偿装置的工作原理:当摩擦片磨损后导致制动工作时衔铁与电磁铁外铁芯的距离不断减少直至相碰, 为了保证外铁芯和衔铁不相碰并且工作可靠, 应使其最小距离S�0.03 mm, 当S=0.03 mm时控制外铁芯后移。为实现摩擦片的磨损间隙补充, 本研究将在外铁芯和衔铁之间安装导电金属块 (触点) , 当外铁芯和衔铁之间的距离为S=0.03 mm时, 两导电金属接触并接通间隙补偿控制电路, 使伺服电机带动螺栓齿轮固连体转动, 最终转化为与螺栓齿轮固连体螺纹连接的外铁芯的水平移动。当外铁芯与衔铁的距离增加到0.08 mm时两金属块再次分开, 这样使电磁铁和衔铁的距离总保持在0.03 mm～0.08 mm范围内, 从而实现摩擦片间隙补偿。

Ⅰ—与制动踏板连接的电位计;Ⅱ—电磁铁;Ⅲ—防抱死电路;Ⅴ—放大驱动电路

间隙补偿控制电路示意图如图4所示。

3 盘式电磁制动的特点

由于该盘式电磁制动器采用特殊的动力源, 具有许多传统液压气压制动器没有的新优点:

(1) 盘式电磁制动器具有响应迅速的特点, 省掉了大量液压管路及液压元件, 执行机构只需要克服机构阻力和线圈电感即可动作。吸合过程主要分两个阶段, 从线圈得到电压起到电流按指数曲线增至吸合电流为止的过程。在此过程中衔铁尚未运动, 其经历时间称为吸合触动时间, 记为txc;进入第2阶段后, 吸力大于反力, 衔铁开始运动。

本研究将从衔铁开始运动到衔铁止动所需要的时间定义为吸合运动时间, 记为txy。两个过程的计算公式为[7]:

式中:L—电感, H;Fz—释放阻力, N;Iw—稳态电流值, A。

吸合过程所用总的时间txh=txc+txy=0.015 7+0.003 9=0.019 6 s。理论分析结果表明, 吸合时间符合中华人民共和国国家标准GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》[8]中的规定, 且制动协调时间对于液压制动的汽车不应大于0.35 s[9]。而电磁制动的制动响应协调时间远小于液压制动时间, 具有明显的优势。

(2) 电磁制动的汽车易于实现集成化管理, 制动力大小控制方便、可靠。电磁制动控制系统要实现的功能就是根据制动踏板位移传感器的信号, 控制制动器电磁线圈的电流, 从而控制制动力的大小。制动器控制电路还应该根据轮速传感器的信号判别车轮制动时是否抱死, 从而启动脉冲防抱死系统控制车轮在峰值附着系数下制动。该设计采用制动踏板位置传感器 (电位计) 、单片机、场效应管、555时基集成电路等实现上述功能。

电磁制动由于具备响应迅速和易于集成化控制的优势, 可用于远距离控制制动, 同时也易于各种辅助系统的集成。电磁制动器易于集成控制的特点也符合汽车电子化的发展方向。

(3) 电磁制动系统成本比液压制动系统低廉, 省去了大量的液压管路及液压元件, 减少了管路故障的风险, 便于维护;同时也大大减轻了汽车的重量, 提高了安全性和燃油经济性。

4 盘式电磁制动器的性能分析

(1) 电磁制动器所产生的制动力大小是否满足制动要求是衡量制动器性能的重要指标。要达到预期制动效果, 施加在摩擦片上的压紧力应达到2 400 N, 通过增力机构参数推算出电磁铁产生的电磁吸力应达到780 N。实验证明在增力机构正常工作情况下, 只要保证电磁铁吸力足够 (即达到780 N) , 便可以保证最后的制动力。本研究使用电子万能力学试验机对电磁铁的吸力进行测试试验, 测试时电磁铁的电源为直流12 V, 与车载电源一致。在实验过程中, 笔者动态改变衔铁与铁芯的距离从而测出一系列的电磁力数值。

实验结果如图5所示。

如图5所示, 力与位移的关系基本符合盘式电磁铁吸力特性随间隙变化的规律, 中间的突变点是由于实验时衔铁的支力点不平衡, 在改变距离时没有达到平稳变化所致。

此外, 还要分析其电流、踏板位移和制动力之间的关系:

式中:I—电磁铁线圈电流, A;W—电磁铁线圈有效匝数;μ0—真空磁导率, N A2;Sz—铁芯正对面积, m2;δz—总气隙, m。

根据上述公式计算得出它们的关系如图6所示[10]。

由于电磁线圈缠绕工艺等原因, 试验电磁铁在一定点的电磁力数值均小于理论值, 变化趋势符合电磁铁的特性曲线。当通入12 V的电压时, 再在増力机构放大4倍的情况下, 最大作用力在制动盘上达到3 206 N, 平均值约为2 990 N, 最大试验数据基本能达到设计要求。

该设计要求在额定气隙宽度下电磁铁能得到与制动踏板行程基本成线性关系的电磁吸力:

式中:K—比例系数;I—线圈电流, A。

而在衔铁初始位置则只要能产生足以克服阻力 (主要是复位弹簧弹力及系统摩擦力, 忽略摩擦力得kx0/2) 的电磁力即可, 初始力为:

进入制动持续期, 电磁力大小与踏板相对初始行程的增加值Δλ成正比 (F=K1Δλ) , 由下式得:

式中:F0—电磁吸力, N;m—衔铁和增力机构归算质量;txh—总时间, s;txc—触动时间, s;K1—比例系数。

电流大小Y和踏板行程相对于初值的增量X所呈现的关系为y=1+x的近似线性关系 (如图6所示) 。

(2) 电磁制动器要满足基本的零件强度要求。本研究通过软件分析, 整个制动过程中机械增力机构中零件所承受的最大剪应力为3 180 N, 笔者使用Solidworks的COSMOSXpress插件对销、撬杆、中心架、撬杆支架进行应力分析, 根据各零件指定设计参数计算, 零件材料采用45号钢可以满足要求, 得到最低安全系数分别为:6.592 36、1.327 68、28.113 4、1.543 92 (安全系数大于1.3, 则零件强度合格) , 以上零件设计符合安全要求。

(3) 电磁制动器制动时性能的热效应 (热稳定性) 的评定。电磁铁在工作过程中, 因电流流过线圈会产生损耗, 转化为热能, 一部分散失到周围介质中去, 另一部分使线圈本身温度升高。当电磁铁线圈的温度上升到一定程度时, 会加速绝缘老化, 直接影响其使用寿命和相关设备的安全, 因此预测电磁铁的温升具有重要意义。通过温升预测也可以验证电磁铁的结构参数是否设计合理。实验证明制动器连续工作0.5 h, 制动器散热良好, 线圈温升在允许范围内。在行车过程中的工况也不是连续制动, 所以实际温升应该比实验温升低。

测试基本条件为:环境温度22℃, 通过持续电流为最大电流I=6.26 A (达到最大电磁力的理论电流为6.5 A) , 线圈常温电阻为3.24Ω, 总散热面积为340.08 cm2。

牛顿温升公式为:

式中:P—输入线圈的发热功率, W;KT—综合散热系数, W/cm2⋅℃;S—线圈有效散热面积, cm2;θ—线圈的温升, ℃;Δθ/Δt—线圈温度的变化率;θn—线圈稳定状态下的温升, ℃。

另外, 根据牛顿温升公式算得最终的理论温升为149.3℃。

制动器连续工作0.5 h, 实验测试电磁铁温升情况如表1所示。

5 结束语

本研究所设计电磁铁的电磁力在设计点均小于理论电磁力, 当通入13 V左右的电压 (发动机工作时的电源电压) 时, 在气隙小于2 mm的情况下能获得较为平稳的制动力, 作用在制动盘上的最大夹紧力为3 206 N, 平均值约2 990 N。

实验结果表明, 衔铁及增力机构能够完成预定运动要求, 能迅速制动车轮, 实现制动功能。在555无稳态工作模式下能完成防抱死制动功能, 制动反应时间明显优于液压制动。

线圈在进行了0.5 h的连续试验后温度为85℃左右, 小于所用的聚酯漆包线的温升要求, 电磁体散热状况良好。

经过对样机进行系统试验, 实验结果表明该电磁制动器的总体设计方案可行, 电磁力及增力机构能够完成预定制动要求, 满足节能减排的环保要求。但是, 在制动器防水方面还没有考虑周全, 此外, 其尺寸还是偏大, 制动力的大小还只能适应小型汽车制动。将该电磁制动器实际应用到车上还有一定距离, 有待于进一步完善研究。

致谢

本文在撰写过程中得到同事的帮助、部门领导的悉心指导并提出许多宝贵的意见和建议, 同时也得到《机电工程》专家们的大力支持和帮助, 提出有建设性的修改意见。在此, 全体作者向以上帮助过我们的所有人员表示衷心地感谢。

摘要：为解决目前汽车液压制动系统存在结构复杂、质量大、能源消耗大等问题, 将电磁制动技术应用到汽车制动系统中。开展了盘式电磁制动器增力机构建模和应力仿真分析, 建立了制动踏板行程与电流大小以及制动力之间的对应关系, 提出了以电磁铁作为动力源, 通过增力机构把电磁力放大到预期制动力推动摩擦片工作而实现汽车制动的方法;在理论分析和试验的基础上对电磁力控制、汽车防抱死性能、制动热稳定性等多方面进行了评价;对实体模型的制动稳定性、电磁力随衔铁与铁芯之间距离的变化关系、电磁线圈通电电流与踏板行程之间的变化关系等进行了试验。试验结果表明:电磁铁力达到780 N, 制动系统反应时间为0.019 6 s, 均符合汽车制动要求;电磁制动系统相比液压制动系统具有反应迅速、结构简单以及更易于集成化和远程控制等特点。

关键词：制动系统,盘式电磁制动器,增力机构,电磁力,制动试验

参考文献

[1]沈向明.汽车电磁制动器:中国, 94106023.3[P].1995-04-14.

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[3]黄国兴, 侯永涛, 王国林, 等.汽车电磁制动器CAD平台的研究[J].机械工程学报, 2006, 42 (12) :232-238.

[4]常润.电工手册[M].2版.北京:北京出版社, 1997.

[5]刘惟信.汽车制动系的机构分析与设计计算[M].北京:清华大学出版社, 2004.

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[9]余志生.汽车理论[M].5版.北京:机械工业出版社, 2009.

电磁继电器驱动电路的优化设计研究 篇7

近十几年来, 我国的继电器行业发展迅速, 各种企业层出不穷。我国电气自动化领域也抓住这种机遇, 努力发展科学技术产业, 提升继电器产业的核心竞争力, 争取在世界市场上占据一席之地。特别是近几年来, 磁性材料应用技术得到大力开发, 磁性器件也朝着体积轻、质量小的规模发展, 也正是在这样的背景下, 磁保持继电器有了空前绝后的发展空间。我国继电器产业作为一种新兴产业, 在世界继电器市场呈增长态势的情况下, 不断改进自己, 不断扩大市场, 成为了一股不可忽视的新型产业力量。但是我国的继电器产品依旧存在着诸多不足之处, 尤其是继电器自身的稳定性和节能效果更是有待提高。为了追求低能耗、稳定可靠的继电器, 本文介绍了两种继电器驱动电路的优化设计思路。

1 我国电磁继电器发展状况分析

自2003年起, 世界继电器市场又开始呈现出高增长的态势, 销售额达到了49.19亿美元, 我国继电器产业作为一种新兴市场, 在这种世界大环境下逐渐成为了全世界最拥有活力的电气市场, 并且规模巨大, 发展潜力十足。

随着自身市场不断扩大, 科技不断进步发展, 我国电气领域出现的新技术能够不断应用, 阶段性科技产品不断更新, 一条条新的产业链不断形成, 应用, 升级又更新, 可以说我国电磁继电器产业的发展前途一片光明。新技术产品频频产生并且推广, 并且相关产业在实践中拓宽自身的领域, 不但满足民用市场, 军需力量也得到满足, 军民两用的技术不断交融, 互相学习, 互相弥补, 呈现出一片繁荣景象。另外, 当前我国继电器市场也存在着一些问题, 只有避免这些问题, 才能使我国的继电器产业往更好的方向发展。我国继电器产业主要存在四个问题, 具体如下:

(1) 落后的科学技术。我国的继电器生产仿制品依旧居多, 没有自己的创新思想, 产品专利保护期已过的继电器产品疯狂盛行, 缺乏自己的内涵创新, 如果这样继续下去, 我国继电器产业是不可能具有突破性进展的。

(2) 继电器产品发展不平衡。我国继电器产品多用于消费, 并且技术和附加值不高, 生产较多的都是普通的电磁继电器, 投资类产品少。我们需要抓住现代世界继电器发展的机遇, 优化产业结构, 注重品牌效应, 提高产品附加值。

(3) 出口产品的技术含量低。我国继电器的出口产量大, 但是产品附加值与技术含量较低, 缺乏竞争力, 而这也是当代我国出口产品一直出现的怪圈。究其原因, 在于科学技术跟不上时代进步潮流, 因此需要与国外优秀企业进行大力合作, 提高科技含量, 加速提升竞争力。在全球化的潮流中, 只有改变出口产品的整体结构, 才能进一步增强产品竞争力。

(4) 企业发展缺乏定位。笔者认为, 继电器企业的定位一定要准确, 需要根据企业自身的情况, 发展自己的长处, 明确自己的竞争力在哪里, 提高核心竞争力, 才能获得更高的经济效益。

2 电磁继电器驱动电路优化设计研究的必要性

继电器作为一种重要的自动化机械控制元件, 涉及到多种技术领域, 包括机、电等。当代继电器的种类繁多, 分成了不同类型, 也正是由于这种特性, 继电器的发展可以带动很多新型产业, 有利于市场深入开发和利用。当今世界科学技术领域发展迅速, 市场需求不断扩大, 世界继电器产业发展得到迅猛发展。面对这样的背景, 我国继电器产业如果抓紧机遇, 不但可以获得更多的经济效益, 也可以获得大量社会效益, 特别是现在的继电器产业一方面可以供给民用市场, 获得经济效益, 为社会活动提供方便。一方面, 军需力量也可以进一步得到满足, 增强国防力量。

因此, 克服我国继电器产业发展出现的问题, 不断发展新技术, 开拓新领域, 重视继电器的军用方面, 是面临的刻不容缓的问题与任务, 也是顺应时代潮流的作法。

3 电磁继电器驱动电路优化设计

3.1 磁保持继电器

众所周知, 磁保持继电器有着繁多的种类, 笔者在这里只取一种做研究, 即带有永磁体的磁保持继电器, 通常这种继电器自身自保持结构和复原线圈是呈现分开状态的。这种继电器的工作原理如图1所示:

我们说这种设计中的磁保持继电器主要利用了脉冲驱动技术, 因此具有很多优点, 如下:

(1) 线圈没有必要一直通电。工作线圈的发热能可以降到最低, 进而降低能耗。

(2) 具有更迅速的动作速度, 提高工作效率。

(3) 具有“记忆”功能, 如果工作遇到停电的情况, 机械还可以停留在原来的状态。

由于磁保持继电器的性能灵活, 自身的磁效率能得到很好的利用, 加上冲击振动有着快动作、灵敏性高、触电灵活接受度高的特征, 因此有着较好的稳定性接触, 方便操作。

3.2 新型三相步进电机控制电路分析

新型的三相步进电机驱动控制电路主要由三部分组成, 其中第一个部分是由数字时钟脉冲发生电路组成;第二部分是由逻辑驱动信号发生与显示电路组成;第三部分是由驱动控制电路组成。

这种新型的电路设计成本相对较低, 十分节能环保、具有较强的操作性, 并且能够安全有效运行, 如果投入到社会发展中, 是可以获得较大经济效益与社会效益的。

4 结束语

继电器产业作为一种新兴技术产业, 是能够将自身发展与经济市场效应相结合的, 面对国内和国际两个大市场, 我们需要不断经受考验, 在新时期产业结构, 发展多个产业链, 提升产品附加值, 创建自主品牌, 走上一条具有中国特色的科技发展道路。

摘要：随着科学技术的不断进步, 电气自动化得到广泛发展, 群众对电磁继电器的功能要求也越来越多, 结构上的简单、方便、通用和工作的可靠性都成了人们必不可少的追求。部分具有特殊用途的继电器装置, 例如在飞机、导弹、人造卫星等设备上所需要的继电器, 具有更严格的标准, 需要有着更小的耗能, 并且体积与质量都要小, 这样才能够保障日常的工作效率。笔者将对磁保持继电器和一种新型三相步进电机控制电路设计做出解释。

关键词：科学技术,电气自动化,继电器

参考文献

[1]文渊.扬长避短的世界继电器市场[J].世界电子元器件, 1999 (2) .

[2]孙.机电继电器的产销趋势[J].世界电子元器件, 1997 (1) .

[3]金峻.加快产业结构调整, 创造我国继电器发展的新高度-2009年我国继电器产业经济运行情况及展望[J].机电元件, 2010 (4) .

隔爆型电磁起动器故障分析与维护 篇8

煤矿井下滴水、瓦斯煤尘积聚、负荷波动大、冒顶事故、工况不稳定等都会使电气设备的绝缘强度逐渐降低;操作人员的维护不当或操作错误易造成输电线路电缆损坏断裂,降低绝缘强度,出现漏电及接地故障,引起瓦斯煤尘燃烧和爆炸,危及人身安全和设备寿命。随着煤炭产量的增加,矿井采掘工作面的不断延伸,电气设备用电容量的加大,对供电电压等级的提升以及井下供电系统的可靠性、安全性和经济性提出了更高的要求[1,2]。

矿用隔爆型真空电磁起动器适用于有瓦斯和煤尘等可燃爆炸性混合物的矿井,能工作于没有破坏金属和绝缘材料的腐蚀性气体或蒸汽的环境中,能控制三相鼠笼型异步电动机的直接启动、停止和反转,能对供电线路及电动机进行漏电闭锁、过载、短路、断相、过电压及失压等故障检测并实施保护。本文将对矿用隔爆型真空电磁起动器的结构和日常使用及维护保养、故障排除和处理进行论述,以提高设备运行的可靠性和安全性,确保人身安全和矿井生产效益。

1 起动器的结构

起动器主要由隔离换相开关QS、交流真空接触器KM、电动机综合保护器ZB、阻容吸收装置RC、控制电源变压器TC、中间继电器KA、熔断器FU、启动按钮SB1以及停止按钮SB2等组成[3]。

1.1 隔离换相开关

隔离换相开关有正转、停、反转3个位置,停止状态下能切断电源或者切换电动机的运行方向,同时,隔离换相开关与开门机构机械联锁,按下停止按钮后,换相开关处于分断位置时前门才能打开或关闭。

1.2 交流真空接触器

交流真空接触器主触点用于接通和分断电动机电源,辅助触点接于控制线路,主要由操作系统和真空灭弧系统等组成。操作系统有带铁芯的吸持线圈和衔铁,线圈得电,吸引衔铁,真空接触器闭合;线圈失电,释放衔铁,真空接触器断开。真空灭弧系统具有频繁切断工作电流时可靠灭弧的作用和可以通过正常的工作电流,但是不能切断短路电流和过负载电流。

1.3 电动机综合保护器

控制变压器输出交流36V为电动机综合保护器供电,电动机综合保护器通过比较电路分析判断经过电流互感器采样的主线路电流信号,以控制内部执行继电器串联于中间继电器线圈回路的一组常开触点的接通和断开,实现供电线路及电动机过载、短路、断相及漏电闭锁保护。

1.4 阻容吸收装置

阻容吸收装置的电容能减小负载电路的整体波阻抗和减缓断开后触头间的恢复电压上升陡度,从而降低了断开时的过电压。电阻消耗电能衰减重燃时的高频电流幅度,使高频电流零点不能形成,重燃后的高频电弧很快转化为工频电弧,减少了多次重燃的机会。因此,阻容吸收装置能有效地抑制真空接触器断开和吸合瞬间极强断流能力产生的操作过电压,降低了电网过电压对综合保护器和电动机的影响。

2 起动器的工作过程

隔爆型真空电磁起动器主要有主回路、控制回路和保护回路。主回路是使电动机转动的动力电路,从电源接线柱W1、V1、U1经过隔离换向开关QS和真空接触器KM主触点直到负荷侧接线柱W2、V2、U2。控制回路是所有参与控制真空接触器线圈得电和失电的36V电路,控制变压器一次侧接在主回路隔离换向开关负荷侧的任意两相上,二次侧为控制回路提供电源。综合保护器通过电流互感器同主回路电磁相连,根据取得的供电线路电流判定是否为电动机供电,便于对电动机进行保护;并联在主回路负荷侧的阻容吸收装置是过电压保护电路[4,5]。图1为矿用隔爆型真空电磁起动器电气原理图。

2.1 额定工作电压和工作电流的整定

将隔离换向开关打在断开位置,切断起动器电源,根据系统电压等级选择控制变压器一次侧输入电压接线端子和综合保护器漏电闭锁接线端子33对应的电压位置,使起动器和综合保护器的工作电压同系统供电电压一致。同时,依据电动机的容量,确定综合保护器电流整定值和电动机的实际工作电流一致。

2.2 漏电闭锁

合上隔离换相开关,控制变压器输出交流电,综合保护器的电源输入端4、9线得电。综合保护器33端子通过真空接触器常闭触点KM3和中间继电器常闭触点KA5、KA6、KA7和KA8对供电线路及电动机进行漏电检测,当主回路对地绝缘电阻值正常,允许起动器启动;当绝缘电阻值低于规定值,进行漏电闭锁,不允许起动器启动,只有当绝缘电阻恢复到规定值1.5倍以上时解除漏电闭锁,才可以合闸启动。

2.3 正常起动

按下启动按钮SB1,若无故障状态,综合保护器的执行继电器吸合,常开触点3、4闭合,中间继电器KA线圈回路得电吸合,常闭触点KA5、KA6、KA7和KA8断开,退出漏电检测回路,常开触点KA1和KA2闭合,控制电压经全波整流后使真空接触器吸合线圈得电,接触器辅助常闭触点KM1断开使接触器由大电流吸合变为小电流维持,KM3断开切断漏电检测回路,KM4闭合实现自锁,接触器主触头接通主回路,电动机正常启动。

2.4 正常停机

按下停止按钮SB2,中间继电器KA线圈失电,常开触头KA1和KA2断开,真空接触器线圈释放使主触头分开切断主回路,电动机停止转动。同时,接触器常开触点KM4断开不能保持中间继电器的吸合,中间继电器常闭触点KA5、KA6、KA7、KA8和接触器常闭触点KM3闭合,漏电检测回路与主回路接通,投入漏电闭锁保护。

2.5 故障保护

在启动和运行过程中,综合保护器根据整定电流值对供电线路及电动机进行保护,当线路出现过载、短路、断相及漏电故障时,综合保护器内部执行继电器释放即ZB的常开触点3、4线断开,控制回路断电,接触器线圈失电主触头分断,起动器停止工作起到保护作用。起动器的保护动作性能见表1。

3 起动器常见故障分析与处理[6]

(1)按下启动按钮,真空接触器不吸合:可能因为隔离换相开关没有合到位;熔断器熔体烧断;变压器没有36V输出;启动按钮或停止按钮接触不良;综合保护器故障;真空接触器故障。处理方法有:隔离换相开关打到位;更换熔体;检查变压器绕组或更换控制电源变压器;修理接触点或更换按钮;检查综合保护器工作电压及设置情况,确认无误后更换;检查接触器吸合线圈及整流桥二极管。

(2)启动后无法维持:可能因为电源电压低于75%的额定电压;线圈匝间短路;辅助触点接触不良;反力弹簧调节过紧。处理方法有:更换大截面电缆,减少线路压降;更换线圈;调整辅助触点使其接触良好;放松反力弹簧,但要保持一定的分闸速度。

(3)按下停止按钮,电动机不能停止:可能因为中间继电器卡死或线圈烧损和触点烧粘。处理方法是排除故障或更换中间继电器。

(4)电机过载综合保护器不动作或动作时间不准确:可能因为整定电流值太大;综合保护器故障。处理方法是按电机容量正确设置电流值;更换综合保护器。

(5)阻容吸收装置损坏:可能因为电源三相严重不平衡;电容容量降低或电容击穿;电阻阻值降低。处理方法是调整负荷,使三相尽量平衡;更换被击穿的电容;更换大电阻。

4 使用与维护

定期检查隔爆结构、隔爆面及隔爆间隙,发现锈斑打磨干净后进行防锈处理,防止失爆事故的发生;使用橡胶密封圈、压紧螺母或压紧法兰将电缆压紧,同时用防松脱装置紧固电缆;根据负载实际工作电流整定综合保护器电流值,注意“高低”档开关的位置,漏电闭锁接线要与电源电压相符;主电路做耐压试验时,将阻容吸收装置、综合保护器和其他辅助电路脱开主电路接地;定期检查真空接触器和继电器的可靠性以及接触器的三相同步性。

摘要：介绍了起动器的结构、功能和工作过程。起动器能对电动机及相关线路过载、短路、断相及漏电闭锁等起保护作用,并控制电动机直接启动、停止和停止状态下换向。分析了起动器常见故障的处理以及日常使用要求。

关键词：电磁起动器,故障,维护,隔爆

参考文献

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