高速數字電磁閥的控制研究

李斌+艾勇軍

摘 要 設計思想采用了模擬電路根據輸入電流/電壓信號的大小，產生一個相對應的PWM，去控制快速數字電磁閥的方法。控制裝置對被控對象可進行實時控制。控制系統采用了斬波恒流的設計思想。實驗結果在功能上達到了設計指標。在開環控制、電磁閥控制、步進電機控制、試驗器和發動機地面試車有一定的參考價值。

關鍵詞 PWM；模擬電子；斬波恒流；開環控制；數字快速電磁閥

中圖分類號：TP211 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0013-01

軍用航空、艦船發動機控制系統的控制方式正從機械液壓式向全權限數字控制方式發展，為提高電子控制器的可靠性，保證發動機在執行任務中絕對可靠的工作，就必須保證控制系統的可靠性和穩定性。

在現行的軍用航空、艦船發動機控制系統中，數字高速電磁閥的控制是單片機（下面簡稱為MCU）去控制的，這種控制方式雖然可以滿足工作需要，但是由于我國的電子基礎工業還比較落后，目前我國還無法生產出滿足軍品需求的軍品級MCU，選擇軍品級MCU就得從國外購買。

由于一些國家對我國進行技術封鎖，從國外購買軍品級MCU非常困難，甚至根本買不到，為保證國防裝備建設有保障，我們試圖從工業級的MCU中經過高低溫處理篩選出符合軍品使用的MCU，然而這樣篩選出的MCU并沒有絕對把握保證其工作性能的穩定性和可靠性。正是這個原因，在我國軍用航空、艦船發動機控制系統的設計中，往往避開使用數字高速電磁閥，或者最好不用，能用其他控制方式替換的就用其他方式替換（如在目前的軍用航空、艦船發動機控制系統中，對流量或壓力的控制，一般會選用電液伺服閥作為控制流量或壓力的執行機構，而不會選擇數字高速電磁閥作為控制流量或壓力的執行機構），或者僅僅把數字高速電磁閥當作開關閥使用。如在某溫度限制器，就用非脈寬調制電磁鐵和分油活門組成一個溫度限制控制系統，而這個溫度限制系統抗污染能力差，要求機械加工精度很高、要求燃油清潔度較高、調試非常困難。

如果用軍品級MCU或本模擬電路控制裝置和數字高速電磁閥組成溫度限制控制系統，去控制燃油流量，也可以完全實現溫度限制的目的，而且本系統要求機械加工精度不高、抗污染能力強、調試簡單方便、體積相對較輕、維修方便等特點。在目前的軍機上使用的數字高速電磁閥大多是作為開關閥使用的，而把數字高速電磁閥作為開關閥使用，所要求的控制電路相對比較簡單，不需要進行復雜的算術運算，所以就不需要軍品級的MCU來控制數字高速電磁閥。另外使用MCU去控制數字高速電磁閥也有以下不足之處：1）相對于模擬電路控制，運行速度和控制速度比模擬控制方式的慢；2）相對于模擬電路控制，抗干擾能力比用模擬模擬控制方式的要差；3）在和其他的系統構成閉環控制方式中，會對其他系統的運行產生影響，降低了整個系統的運行速度；4）最重要的是我國目前還不能生產出滿足軍品等級的MCU。

當前使用的數字高速電磁閥控制系統，除了用MCU控制外，還有通過控制輸入直流模擬信號的大小控制數字高速電磁閥工作的占空比、不能加入3～5 kHz高頻載波（高頻載波應該由一個脈寬大于數字高速電磁閥開啟時間再加上一個3～5 KHz的頻率構成，如果高頻載波只有3～5 kHz的頻率載波，數字高速電磁閥將會出現工作不正常的情況）的模擬集成電路控制裝置，用這個模擬集成電路產生的脈寬調制信號去控制數字高速電磁閥，因為沒有3～5 kHz的高頻載波，每次數字高速電磁閥的啟動和停止就必須克服動摩擦和靜摩擦，所以會給數字高速電磁閥產生很大的滯環或出現閥芯卡死現象，沒有高頻載波，還可能使數字高速電磁閥的驅動管的溫度過高而損壞驅動管，另外還增加了整個系統的無用功耗。

為解決用MCU控制數字高速電磁閥所帶來了的缺點，同時還解決在控制數字高速電磁閥中，必須要加入高頻載波的這一特點。可以用電路一（圖1）：它具有高可靠性、結構簡單、調試方便、體積較輕、維修方便、自由選擇是否加入高頻載波等特點；在降低整個系統的無用功耗、提高數字高速電磁閥的運動可靠性、減小滯環、提高數字高速電磁閥的穩定性有顯著的作用；還為軍用航空、艦船發動機控制系統中選用數字高速電磁閥作為執行機構提供了保證。本控制裝置還增加了能接收0 mA～170 mA的電流信號的電路；當電流小于60 mA時，輸出的占空比為0%，當電流信號為60 mA～170 mA時，輸出的占空比為0%～100%線性對應，當電流信號大于170 mA時，輸出的占空比為100%，這為我國目前某型航空發動機控制系統的限溫系統中選用數字高速電磁閥來直接控制燃油流量提供了技術保證，也打破了西方國家對我國在軍用電磁閥控制技術的壟斷。另外它還可以用于控制開關型電磁閥，直接作為開關閥的控制裝置。

本電路說明：本電路的功能能否實現，三角波能否穩定工作是一個關鍵的因素。在三角波設計時，還應該注意三角波上升沿和下降沿是否對稱，應該注意三角波發生器中電阻和電容的取值大小和精度，最好選擇用精密電阻和精密電容；因為三角波的頻率決定了PWM的輸出頻率。另外還應該注意所有電子元器件的溫漂現象。要考慮到電子元器件隨著溫度的升高電阻值增大隨著溫度降低而減小的物理現象，特別是要考慮當輸入信號為電流信號的情況，應該考慮電流轉換為電壓的轉換電阻的大小和使用環境的關系，如果控制裝置的使用環境的溫度過低，應當把轉換電阻適當增加，如果控制裝置的使用環境的溫度過高，應當把轉換電阻適當減小。這樣才能保證輸出的占空比在0%～100%的范圍內。

參考文獻

[1]趙保經.電力電子技術與運動控制系統[M].國防工業出版社，1995.

[2]吳勤勤，黃禎地.電動控制儀表及裝置[M].化學工業出版社，1989.

[3]模擬電子技術基礎[M].清華大學出版社，1989.

[4]數字電子技術基礎[M].清華大學出版社，1989.

[5]實用電路大全[M].國防工業出版社，1997.endprint

摘 要 設計思想采用了模擬電路根據輸入電流/電壓信號的大小，產生一個相對應的PWM，去控制快速數字電磁閥的方法。控制裝置對被控對象可進行實時控制。控制系統采用了斬波恒流的設計思想。實驗結果在功能上達到了設計指標。在開環控制、電磁閥控制、步進電機控制、試驗器和發動機地面試車有一定的參考價值。

關鍵詞 PWM；模擬電子；斬波恒流；開環控制；數字快速電磁閥

中圖分類號：TP211 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0013-01

軍用航空、艦船發動機控制系統的控制方式正從機械液壓式向全權限數字控制方式發展，為提高電子控制器的可靠性，保證發動機在執行任務中絕對可靠的工作，就必須保證控制系統的可靠性和穩定性。

在現行的軍用航空、艦船發動機控制系統中，數字高速電磁閥的控制是單片機（下面簡稱為MCU）去控制的，這種控制方式雖然可以滿足工作需要，但是由于我國的電子基礎工業還比較落后，目前我國還無法生產出滿足軍品需求的軍品級MCU，選擇軍品級MCU就得從國外購買。

由于一些國家對我國進行技術封鎖，從國外購買軍品級MCU非常困難，甚至根本買不到，為保證國防裝備建設有保障，我們試圖從工業級的MCU中經過高低溫處理篩選出符合軍品使用的MCU，然而這樣篩選出的MCU并沒有絕對把握保證其工作性能的穩定性和可靠性。正是這個原因，在我國軍用航空、艦船發動機控制系統的設計中，往往避開使用數字高速電磁閥，或者最好不用，能用其他控制方式替換的就用其他方式替換（如在目前的軍用航空、艦船發動機控制系統中，對流量或壓力的控制，一般會選用電液伺服閥作為控制流量或壓力的執行機構，而不會選擇數字高速電磁閥作為控制流量或壓力的執行機構），或者僅僅把數字高速電磁閥當作開關閥使用。如在某溫度限制器，就用非脈寬調制電磁鐵和分油活門組成一個溫度限制控制系統，而這個溫度限制系統抗污染能力差，要求機械加工精度很高、要求燃油清潔度較高、調試非常困難。

如果用軍品級MCU或本模擬電路控制裝置和數字高速電磁閥組成溫度限制控制系統，去控制燃油流量，也可以完全實現溫度限制的目的，而且本系統要求機械加工精度不高、抗污染能力強、調試簡單方便、體積相對較輕、維修方便等特點。在目前的軍機上使用的數字高速電磁閥大多是作為開關閥使用的，而把數字高速電磁閥作為開關閥使用，所要求的控制電路相對比較簡單，不需要進行復雜的算術運算，所以就不需要軍品級的MCU來控制數字高速電磁閥。另外使用MCU去控制數字高速電磁閥也有以下不足之處：1）相對于模擬電路控制，運行速度和控制速度比模擬控制方式的慢；2）相對于模擬電路控制，抗干擾能力比用模擬模擬控制方式的要差；3）在和其他的系統構成閉環控制方式中，會對其他系統的運行產生影響，降低了整個系統的運行速度；4）最重要的是我國目前還不能生產出滿足軍品等級的MCU。

當前使用的數字高速電磁閥控制系統，除了用MCU控制外，還有通過控制輸入直流模擬信號的大小控制數字高速電磁閥工作的占空比、不能加入3～5 kHz高頻載波（高頻載波應該由一個脈寬大于數字高速電磁閥開啟時間再加上一個3～5 KHz的頻率構成，如果高頻載波只有3～5 kHz的頻率載波，數字高速電磁閥將會出現工作不正常的情況）的模擬集成電路控制裝置，用這個模擬集成電路產生的脈寬調制信號去控制數字高速電磁閥，因為沒有3～5 kHz的高頻載波，每次數字高速電磁閥的啟動和停止就必須克服動摩擦和靜摩擦，所以會給數字高速電磁閥產生很大的滯環或出現閥芯卡死現象，沒有高頻載波，還可能使數字高速電磁閥的驅動管的溫度過高而損壞驅動管，另外還增加了整個系統的無用功耗。

為解決用MCU控制數字高速電磁閥所帶來了的缺點，同時還解決在控制數字高速電磁閥中，必須要加入高頻載波的這一特點。可以用電路一（圖1）：它具有高可靠性、結構簡單、調試方便、體積較輕、維修方便、自由選擇是否加入高頻載波等特點；在降低整個系統的無用功耗、提高數字高速電磁閥的運動可靠性、減小滯環、提高數字高速電磁閥的穩定性有顯著的作用；還為軍用航空、艦船發動機控制系統中選用數字高速電磁閥作為執行機構提供了保證。本控制裝置還增加了能接收0 mA～170 mA的電流信號的電路；當電流小于60 mA時，輸出的占空比為0%，當電流信號為60 mA～170 mA時，輸出的占空比為0%～100%線性對應，當電流信號大于170 mA時，輸出的占空比為100%，這為我國目前某型航空發動機控制系統的限溫系統中選用數字高速電磁閥來直接控制燃油流量提供了技術保證，也打破了西方國家對我國在軍用電磁閥控制技術的壟斷。另外它還可以用于控制開關型電磁閥，直接作為開關閥的控制裝置。

本電路說明：本電路的功能能否實現，三角波能否穩定工作是一個關鍵的因素。在三角波設計時，還應該注意三角波上升沿和下降沿是否對稱，應該注意三角波發生器中電阻和電容的取值大小和精度，最好選擇用精密電阻和精密電容；因為三角波的頻率決定了PWM的輸出頻率。另外還應該注意所有電子元器件的溫漂現象。要考慮到電子元器件隨著溫度的升高電阻值增大隨著溫度降低而減小的物理現象，特別是要考慮當輸入信號為電流信號的情況，應該考慮電流轉換為電壓的轉換電阻的大小和使用環境的關系，如果控制裝置的使用環境的溫度過低，應當把轉換電阻適當增加，如果控制裝置的使用環境的溫度過高，應當把轉換電阻適當減小。這樣才能保證輸出的占空比在0%～100%的范圍內。

參考文獻

[1]趙保經.電力電子技術與運動控制系統[M].國防工業出版社，1995.

[2]吳勤勤，黃禎地.電動控制儀表及裝置[M].化學工業出版社，1989.

[3]模擬電子技術基礎[M].清華大學出版社，1989.

[4]數字電子技術基礎[M].清華大學出版社，1989.

[5]實用電路大全[M].國防工業出版社，1997.endprint

摘 要 設計思想采用了模擬電路根據輸入電流/電壓信號的大小，產生一個相對應的PWM，去控制快速數字電磁閥的方法。控制裝置對被控對象可進行實時控制。控制系統采用了斬波恒流的設計思想。實驗結果在功能上達到了設計指標。在開環控制、電磁閥控制、步進電機控制、試驗器和發動機地面試車有一定的參考價值。

關鍵詞 PWM；模擬電子；斬波恒流；開環控制；數字快速電磁閥

中圖分類號：TP211 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0013-01

軍用航空、艦船發動機控制系統的控制方式正從機械液壓式向全權限數字控制方式發展，為提高電子控制器的可靠性，保證發動機在執行任務中絕對可靠的工作，就必須保證控制系統的可靠性和穩定性。

在現行的軍用航空、艦船發動機控制系統中，數字高速電磁閥的控制是單片機（下面簡稱為MCU）去控制的，這種控制方式雖然可以滿足工作需要，但是由于我國的電子基礎工業還比較落后，目前我國還無法生產出滿足軍品需求的軍品級MCU，選擇軍品級MCU就得從國外購買。

由于一些國家對我國進行技術封鎖，從國外購買軍品級MCU非常困難，甚至根本買不到，為保證國防裝備建設有保障，我們試圖從工業級的MCU中經過高低溫處理篩選出符合軍品使用的MCU，然而這樣篩選出的MCU并沒有絕對把握保證其工作性能的穩定性和可靠性。正是這個原因，在我國軍用航空、艦船發動機控制系統的設計中，往往避開使用數字高速電磁閥，或者最好不用，能用其他控制方式替換的就用其他方式替換（如在目前的軍用航空、艦船發動機控制系統中，對流量或壓力的控制，一般會選用電液伺服閥作為控制流量或壓力的執行機構，而不會選擇數字高速電磁閥作為控制流量或壓力的執行機構），或者僅僅把數字高速電磁閥當作開關閥使用。如在某溫度限制器，就用非脈寬調制電磁鐵和分油活門組成一個溫度限制控制系統，而這個溫度限制系統抗污染能力差，要求機械加工精度很高、要求燃油清潔度較高、調試非常困難。

如果用軍品級MCU或本模擬電路控制裝置和數字高速電磁閥組成溫度限制控制系統，去控制燃油流量，也可以完全實現溫度限制的目的，而且本系統要求機械加工精度不高、抗污染能力強、調試簡單方便、體積相對較輕、維修方便等特點。在目前的軍機上使用的數字高速電磁閥大多是作為開關閥使用的，而把數字高速電磁閥作為開關閥使用，所要求的控制電路相對比較簡單，不需要進行復雜的算術運算，所以就不需要軍品級的MCU來控制數字高速電磁閥。另外使用MCU去控制數字高速電磁閥也有以下不足之處：1）相對于模擬電路控制，運行速度和控制速度比模擬控制方式的慢；2）相對于模擬電路控制，抗干擾能力比用模擬模擬控制方式的要差；3）在和其他的系統構成閉環控制方式中，會對其他系統的運行產生影響，降低了整個系統的運行速度；4）最重要的是我國目前還不能生產出滿足軍品等級的MCU。

當前使用的數字高速電磁閥控制系統，除了用MCU控制外，還有通過控制輸入直流模擬信號的大小控制數字高速電磁閥工作的占空比、不能加入3～5 kHz高頻載波（高頻載波應該由一個脈寬大于數字高速電磁閥開啟時間再加上一個3～5 KHz的頻率構成，如果高頻載波只有3～5 kHz的頻率載波，數字高速電磁閥將會出現工作不正常的情況）的模擬集成電路控制裝置，用這個模擬集成電路產生的脈寬調制信號去控制數字高速電磁閥，因為沒有3～5 kHz的高頻載波，每次數字高速電磁閥的啟動和停止就必須克服動摩擦和靜摩擦，所以會給數字高速電磁閥產生很大的滯環或出現閥芯卡死現象，沒有高頻載波，還可能使數字高速電磁閥的驅動管的溫度過高而損壞驅動管，另外還增加了整個系統的無用功耗。

為解決用MCU控制數字高速電磁閥所帶來了的缺點，同時還解決在控制數字高速電磁閥中，必須要加入高頻載波的這一特點。可以用電路一（圖1）：它具有高可靠性、結構簡單、調試方便、體積較輕、維修方便、自由選擇是否加入高頻載波等特點；在降低整個系統的無用功耗、提高數字高速電磁閥的運動可靠性、減小滯環、提高數字高速電磁閥的穩定性有顯著的作用；還為軍用航空、艦船發動機控制系統中選用數字高速電磁閥作為執行機構提供了保證。本控制裝置還增加了能接收0 mA～170 mA的電流信號的電路；當電流小于60 mA時，輸出的占空比為0%，當電流信號為60 mA～170 mA時，輸出的占空比為0%～100%線性對應，當電流信號大于170 mA時，輸出的占空比為100%，這為我國目前某型航空發動機控制系統的限溫系統中選用數字高速電磁閥來直接控制燃油流量提供了技術保證，也打破了西方國家對我國在軍用電磁閥控制技術的壟斷。另外它還可以用于控制開關型電磁閥，直接作為開關閥的控制裝置。

本電路說明：本電路的功能能否實現，三角波能否穩定工作是一個關鍵的因素。在三角波設計時，還應該注意三角波上升沿和下降沿是否對稱，應該注意三角波發生器中電阻和電容的取值大小和精度，最好選擇用精密電阻和精密電容；因為三角波的頻率決定了PWM的輸出頻率。另外還應該注意所有電子元器件的溫漂現象。要考慮到電子元器件隨著溫度的升高電阻值增大隨著溫度降低而減小的物理現象，特別是要考慮當輸入信號為電流信號的情況，應該考慮電流轉換為電壓的轉換電阻的大小和使用環境的關系，如果控制裝置的使用環境的溫度過低，應當把轉換電阻適當增加，如果控制裝置的使用環境的溫度過高，應當把轉換電阻適當減小。這樣才能保證輸出的占空比在0%～100%的范圍內。

參考文獻

[1]趙保經.電力電子技術與運動控制系統[M].國防工業出版社，1995.

[2]吳勤勤，黃禎地.電動控制儀表及裝置[M].化學工業出版社，1989.

[3]模擬電子技術基礎[M].清華大學出版社，1989.

[4]數字電子技術基礎[M].清華大學出版社，1989.

[5]實用電路大全[M].國防工業出版社，1997.endprint