實現電磁鐵快速吸合和釋放的主電路的製作方法
2023-05-22 19:38:01 2
專利名稱：實現電磁鐵快速吸合和釋放的主電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及電氣控制技術領域，尤其涉及一種實現電磁鐵快速吸合和釋放的主電路，控制該主電路能夠實現電磁執行機構的頻繁快速動作。
背景技術：
目前，實現電磁鐵快速吸合的控制手段大都是通過提高電磁鐵的電源輸入電壓，電磁鐵吸合後轉入PWM(脈衝寬度調製)控制模式，以減小電磁鐵保持吸合後的維持電流， 降低損耗；實現電磁鐵快速釋放的主電路一般是在續流迴路引入大電阻或穩壓管，此種主 電路將電磁鐵釋放前電磁鐵線圈存儲的磁場能白白的損耗掉，當電磁機構動作頻率很高 時，損耗將非常嚴重。
發明內容
針對上述現有技術，本發明提供一種實現電磁鐵快速吸合和釋放的主電路，利用該主電路既能加速電磁鐵快速吸合和釋放，又能有效地回收利用電磁鐵釋放前電磁鐵線圈 存儲的磁場能。為了解決上述技術問題，本發明實現電磁鐵快速吸合和釋放的主電路的技術方案 是該主電路包括一隔離二極體D1、一電磁鐵線圈L、一主控制功率管Ml、一續流二極體D2、 一儲能電容C和一附加功率管M2 ；所述隔離二極體Dl的陰極同時與所述附加功率管M2的 源極和一接線端子Jl連接；所述接線端子Jl還與所述電磁鐵線圈L的一端連接；所述電磁 鐵線圈L的另一端與一接線端子J2連接；所述接線端子J2還同時與所述主控制功率管Ml 的漏極和所述續流二極體D2陽極連接；所述續流二極體D2陰極還同時與所述附加功率管 M2的漏極和所述儲能電容C的正極性端連接；所述儲能電容C的負極性端與所述主控制功 率管Ml的源極連接後共同連接到一接線端子m ；所述主控制功率管Ml的柵極與一接線端 子Gl連接；所述接線端子Gl和所述接線端子m分別與所述主控制功率管Ml控制信號的 兩個輸出端連接；所述附加功率管M2的柵極與一接線端子G2連接，所述接線端子G2和一 接線端子S2分別與所述附加功率管M2的控制信號的兩個輸出端連接。與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明實現電磁鐵快速吸合和釋放的主 電路，它是在一般現有技術中由電磁鐵線圈、功率管和續流二極體構成的主電路的基礎上， 又連接有隔離二極體、儲能電容和附加功率管。兩隻功率管同時關斷時，電磁鐵線圈電流經 續流二極體給電容充電，電容電壓升高快，電流快速減小為零，電磁鐵快速釋放，磁場能轉 變為電場能，儲能電容電壓高於電源電壓幾倍，儲能電容無放電通路，儲能電容電壓保持不 變。兩隻功率管同時導通時，儲能電容經電磁鐵線圈放電，電磁鐵線圈電流快速增大，電場 能轉變為磁場能。吸合後比釋放後的電磁鐵線圈電感大許多，儲能電容放電電流峰值高於 電磁鐵線圈斷電時電流許多，很快達到電磁鐵吸合所需電流值，電磁鐵快速吸合。當主控制 功率管和附加功率管轉入驅動信號互補的PWM控制方式時，電磁鐵線圈電流變化規律同一 般PWM控制一樣。利用該主電路既能加速電磁鐵快速吸合和釋放，又能有效地回收利用電磁鐵釋放前電磁鐵線圈存儲的磁場能。
附圖是本發明實現電磁鐵快速吸合和釋放的主電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。如附圖所示，本發明實現電磁鐵快速吸合和釋放的主電路構成是包括一隔離二極體D1、一電磁鐵線圈L、一主控制功率管Ml、一續流二極體D2、一儲能電容C和一附加功 率管M2 ；該主電路的具體物理連接如下接線端子Pl通過外部控制開關後與外部直流工作 電源的正極連接，接線端子m連接直流工作電源的負極；接線端子Pl還連接隔離二極體 Dl的陽極；隔離二極體Dl的陰極同時與附加功率管M2的源極和接線端子Jl連接；接線端 子Jl還與電磁鐵線圈L 一端連接；電磁鐵線圈L的另一端與接線端子J2連接；接線端子J2 還同時與主控制功率管Ml的漏極和續流二極體D2陽極連接；續流二極體D2陰極還同時與 附加功率管M2的漏極和儲能電容C的正極性端連接；儲能電容C的負極性端與主控制功率 管Ml的源極連接後共同連接到接線端子m ；主控制功率管Ml的柵極與接線端子Gl連接； 附加功率管M2的柵極與接線端子G2連接；接線端子Gl和接線端子m分別與主控制功率管Ml控制信號的兩個輸出端連接；接線端子G2和接線端子S2分別與附加功率管M2的控 制信號的兩個輸出端連接。上述主電路可以實現如下控制該主電路中由接線端子Gl和m給主控制功率管Ml柵極與源極間施加的控制電壓信號為高電平時，主控制功率管Ml導通；由接線端子Gl 和m給主控制功率管Ml柵極與源極間施加的控制電壓信號為低電平時，主控制功率管Ml 截止；同樣，由接線端子G2和S2給主控制功率管Ml柵極與源極間施加的控制電壓信號為 高電平時，附加功率管M2導通；由接線端子G2和S2給主控制功率管Ml柵極與源極間施加 的控制電壓信號為低電平時，附加功率管M2截止。本發明主電路實現電磁鐵快速吸合和釋放的過程如下首先，保持主控制功率管Ml和附加功率管M2的柵極與源極間的各自控制信號為低電平，保障主電路上電時，該兩隻功率管都處於截止狀態；閉合外部控制開關，為主電路 接通外部直流工作電源，外部直流工作電源正極由Pl引入，經隔離二極體D1、附加功率管M2內部反並聯的二極體、儲能電容C至外部直流工作電源負極m形成通路，儲能電容C快 速充電，最後穩定於略低於直流工作電源電壓的一個電壓值(即直流工作電源電壓減去隔 離二極體Dl和附加功率管M2內部反並聯的二極體的管壓降)；在此期間，由於電磁鐵線圈 L具有較大的電感，在電磁鐵線圈L、續流二極體D2至儲能電容C的這條支路幾乎不會形成 電流。隨後，如果希望儲能電容C能夠充得一個較高的電壓值，而儲存較高電場能量，以加速電磁鐵第一次吸合的速度，則可以控制主控制功率管Ml導通，外部直流工作電源正極 經隔離二極體D1、電磁鐵線圈L、主控制功率管Ml至外部直流工作電源負極形成通路，通路 中電流按由電磁鐵線圈電感和支路總等效電阻決定的時間常數決定的指數規律增加，經過 短暫的時間，電流增加到一個不會使得電磁鐵吸合的較小設定數值時，控制主控制功率管Ml截止，電磁鐵線圈電流不能突變，續流二極體D2快速導通，因附加功率管M2處於截止狀 態，電磁鐵線圈電流形成由電磁鐵線圈L、續流二極體D2、儲能電容C、外部直流工作電源、 隔離二極體Dl再至電磁鐵線圈L的通路，為儲能電容C充電，此時為典型的二階欠阻尼零 狀態響應電路動態過渡過程，電流很快減小為0，續流二極體D2反向截止，原來電磁鐵線圈 L的磁場能轉變為儲能電容C的電場能，儲能電容電壓增高；再控制主控制功率管Ml導通 再截止幾次，直至儲能電容電壓達到一個所要求的較高的數值，為電磁鐵能夠實現第一次 就能快速吸合做好準備。當控制電磁鐵第一次快速吸合時，控制主控制功率管Ml和附加功率管M2柵極同時導通，續流二極體D2和隔離二極體Dl反向截止，形成儲能電容C正極性端經附加功率管 M2、電磁鐵線圈L、主控制功率管Ml至儲能電容C的負極性端的電容放電迴路，在此迴路的 動態過渡過程中，電磁鐵線圈電流就是一個典型的二階欠阻尼零輸入狀態響應，電磁鐵線 圈電流迅速就增大到能夠使得電磁鐵吸合所需要的電流，並高出許多倍，電磁鐵吸合；電磁 鐵吸合過程中，由於電磁鐵線圈電感增大，電流減小，在此期間部分電能和磁場能轉化機械 能。當儲能電容C的電壓降低到設定的特定電壓值時，控制主控制功率管Ml截止，而 附加功率管M2繼續導通，原來的迴路電流沿線圈L、電磁鐵續流二極體D2、附加功率管M2 至電磁鐵線圈L的迴路續流，續流迴路中電流按由電磁鐵線圈電感和迴路總等效電阻決定 的時間常數決定的指數規律緩慢減小。當電磁鐵線圈電流減小到事先設定的維持電磁鐵吸合所需要的最小電流值時，對 電磁鐵線圈電流的控制轉入主控制功率管Ml和附加功率管驅動信號互補的PWM脈寬調製 控制方式；同時控制主控制功率管Ml導通、附加功率管M2截止，則儲能電容C停止放電，維 持電壓不變，此時形成由外部直流工作電源正極Pl經隔離二極體D1、電磁鐵線圈L、主控制 功率管Ml至外部直流工作電源負極m的通路，電磁鐵線圈電流按指數規律緩慢增加；電磁 鐵線圈電流增加一段特定時間後，再同時控制主控制功率管Ml截止和附加功率管M2導通， 儲能電容C仍然維持設定的特定電壓基本不變，此時電磁鐵線圈電流沿電磁鐵線圈L、續流 二極體D2、附加功率管M2至電磁鐵線圈L的迴路續流，電磁鐵線圈電流按指數規律緩慢減 小。當電磁鐵線圈電流減小一段另一特定時間後，再同時控制主控制功率管Ml導通、 附加功率管M2截止，結束PWM控制的第一個周期，而轉入PWM控制的下一個周期；這樣PWM 控制不斷地重複，等待控制電磁鐵釋放的時刻的到來；控制電磁鐵釋放的時刻到來時，不管 主控制功率管Ml和附加功率管M2是截止還是導通，同時控制主控制功率管Ml和附加功率 管M2截止，電磁鐵線圈電流不能突變，續流二極體D2快速導通，形成由電磁鐵線圈L、續流 二極體D2、儲能電容C、外部直流工作電源、隔離二極體Dl再至電磁鐵線圈L的通路，為儲 能電容C充電，電磁鐵線圈電流很快衰減。當電磁鐵線圈電流低於維持電磁鐵保持吸合狀態的電流值時，電磁鐵釋放；電磁 鐵釋放過程中，電磁鐵的部分機械能轉化為電能，再由於電磁鐵線圈電感減小，電磁鐵線圈 電流減小緩慢或略微增加；電磁鐵釋放完畢，儲能電容電壓已很高，剩餘的電磁鐵線圈電流 繼續為儲能電容C充電，電流迅速衰減為零；儲能電容電壓達到較高的數值，並保持住，為 下一次電磁鐵快速吸合做好了準備。
如果電磁鐵吸合後電磁鐵線圈電感比釋放後的電磁鐵線圈電感大的非常多，也可 以在採取電磁鐵吸合後就一直由接線端子G2和S2給主控制功率管Ml柵極與源極間施加 高電平控制電壓信號，使得只要控制附加功率管M2漏極與源極之間有正向電壓作用就導 通，這樣在主控制功率管Ml採取PWM脈寬調製控制方式，儲能電容器電壓維持在外接工作 電源電壓附近；主控制功率管Ml導通時，形成由外部直流工作電源正極Pl經隔離二極體 Dl、電磁鐵線圈L、主控制功率管Ml至外部直流工作電源負極m的通路，電磁鐵線圈電流按 指數規律緩慢增加；主控制功率管Ml截止時，電磁鐵線圈電流沿電磁鐵線圈L、續流二極體 D2、附加功率管M2至電磁鐵線圈L的迴路續流，電磁鐵線圈電流緩慢減小。
當同時關斷主控制功率管Ml和附加功率管M2都截止而控制電磁鐵釋放時，電磁 鐵線圈L磁場能轉變為儲能電容C電場能足夠大，儲能電容電壓高於電源電壓許多倍；當 下一次控制電磁鐵吸合時，儲能電容放電電流峰值會高於上次電磁鐵線圈L斷電時電流許 多，也能滿足電磁鐵快速吸合與釋放的要求。此種PWM控制方式相對簡單一些，只是當電磁 鐵釋放時儲能電容C能夠充得的電壓值低一些。本發明實現電磁鐵快速吸合和釋放的主電路，當主控制功率管Ml和附加功率管 M2同時關斷時，電磁鐵線圈L的電流經續流二極體D2給儲能電容充電C，儲能電容電壓快 速升高，電磁鐵線圈L電流快速減小為零，電磁鐵快速釋放，電磁鐵線圈L磁場能轉變為儲 能電容C電場能，儲能電容電壓高於電源電壓幾倍，儲能電容C無放電通路，儲能電容電壓 保持不變。當主控制功率管Ml和附加功率管M2同時導通時，儲能電容C經電磁鐵線圈L放 電，放電電流快速增大，儲能電容C電場能迅速轉變為電磁鐵線圈L磁場能，由於電磁鐵吸 合後的線圈電感比其釋放後的線圈電感大許多，儲能電容C放電電流峰值高於上次電磁鐵 線圈L斷電時的電流許多，電磁鐵線圈L電流很快達到電磁鐵吸合所需電流值，且還會高出 許多，電磁鐵快速吸合；電磁鐵快速吸合後，當電磁鐵吸合儲能電容電壓降低到設定好的特 定電壓值時，主控制功率管和附加功率管轉入驅動信號互補的PWM控制方式，電磁鐵線圈 中流過能夠維持電磁鐵吸合的一個較小的維持電流，損耗較低，儲能電容電壓維持原特定 電壓值基本不變，為電磁鐵釋放時儲能電容能夠充得一個較高的電壓值做好準備，此時電 磁鐵線圈L中的電流控制與變化規律同一般PWM工作方式一樣。當電磁鐵吸合後，也可以 採取主控制功率管Ml轉入PWM驅動，而附加功率管M2仍然一直導通，使得電路也處於P麗 控制方式時，電磁鐵線圈L中流過能夠維持電磁鐵吸合的一個較小的維持電流，損耗也較 低，控制相對簡單，只是這種PWM控制方式當電磁鐵釋放時儲能電容能夠充得的電壓值低 一些。儘管上面結合圖對本發明進行了描述，而且主控制功率管Ml和附加功率管M2都 是以N溝道的功率MOS管為例說明的，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示 下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬於本發明的保護之內。
權利要求
一種實現電磁鐵快速吸合和釋放的主電路，其特徵在於，該主電路包括一隔離二極體D1、一電磁鐵線圈L、一主控制功率管M1、一續流二極體D2、一儲能電容C和一附加功率管M2；所述隔離二極體D1的陰極同時與所述附加功率管M2的源極和一接線端子J1連接；所述接線端子J1還與所述電磁鐵線圈L的一端連接；所述電磁鐵線圈L的另一端與一接線端子J2連接；所述接線端子J2還同時與所述主控制功率管M1的漏極和所述續流二極體D2陽極連接；所述續流二極體D2陰極還同時與所述附加功率管M2的漏極和所述儲能電容C的正極性端連接；所述儲能電容C的負極性端與所述主控制功率管M1的源極連接後共同連接到一接線端子N1；所述主控制功率管M1的柵極與一接線端子G1連接；所述接線端子G1和所述接線端子N1分別與所述主控制功率管M1控制信號的兩個輸出端連接；所述附加功率管M2的柵極與一接線端子G2連接，所述接線端子G2和一接線端子S2分別與所述附加功率管M2的控制信號的兩個輸出端連接。
全文摘要
本發明公開了一種實現電磁鐵快速吸合和釋放的主電路，該主電路包括隔離二極體D1、電磁鐵線圈L、主控制功率管M1、續流二極體D2、儲能電容C和附加功率管M2；兩隻功率管同時關斷時，電磁鐵線圈電流經續流二極體給電容充電，電容電壓升高快，電流快速減小為零，電磁鐵快速釋放，磁場能轉變為電場能，電容電壓高於電源電壓幾倍，並保持不變。兩隻功率管同時導通時，電容經電磁鐵線圈放電，電流快速增大，電場能轉變為磁場能。吸合後比釋放後的電磁鐵線圈電感大許多，電容放電電流峰值高於電磁鐵線圈斷電時電流許多，很快達到電磁鐵吸合所需電流值，快速吸合。當主控制功率管附加功率管轉入驅動信號互補的PWM控制時，電磁鐵線圈電流變化規律同一般PWM控制一樣。
文檔編號H02M3/07GK101800470SQ20101010433
公開日2010年8月11日 申請日期2010年2月2日 優先權日2010年2月2日
發明者唐明龍, 張明燦, 李斌, 郭喜彬, 陳益廣 申請人:天津大學