一種小型電磁閥的控制電路設(shè)計(jì)與Multisim仿真

高術(shù)森　張團(tuán)善

【摘 要】本文介紹了一種小型電磁閥的控制電路原理，傳統(tǒng)的控制方式電磁鐵吸合、釋放時(shí)線圈中的電流較大，線圈保持吸合狀態(tài)會(huì)發(fā)熱。為了使電磁閥工作穩(wěn)定可靠，本文采用額定電壓吸合、矩形波（PWM）維持的控制方式。基于TS555定時(shí)器的多穩(wěn)態(tài)特性設(shè)計(jì)了電磁閥的控制電路，給出了電路的具體分析，利用multisim 10進(jìn)行仿真，最后給出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】電磁閥；PWM；555定時(shí)器；multisim 10仿真

Design and Multisim simulation of a kind of small solenoid valve control circuit

GAO Shusen ZHANG Tuan-shan

（Xi'an Polytechnic University， Xi'an 710048，China）

【Abstract】This article describes a kind of small solenoid valve drive circuit principle， the traditional control mode when the solenoid valve pull， release， the coil current is larger， the coil keep the state may produce heat. In order to make the solenoid valve work stable and reliable， and so take the rated voltage to start， rectangular wave （PWM） maintain held it work in away. Designs the control circuit of the solenoid valve based on the multi-steady-state characteristic of the TS555 timer and gives the specific analysis of the circuit ， Use multisim 10for simulation， and finally gives the experimental results.

【Key words】Solenoid valve； PWM； 555 timer； Multisim 10 emulation

0 引言

電磁閥是紡織機(jī)械、針織機(jī)械中應(yīng)用比較普遍的執(zhí)行元件之一，傳統(tǒng)的控制方法通過(guò)微處理器控制電磁閥的吸合和釋放，電磁閥的實(shí)時(shí)快速開(kāi)啟和閉合影響著針織機(jī)械的編織效果和生產(chǎn)效率。許多研究學(xué)者對(duì)針織機(jī)械使用的小型電磁閥的控制方式做了一定的研究，吳輝[1]等人對(duì)提花襪機(jī)電磁閥驅(qū)動(dòng)控制方式做了研究，通過(guò)CAN Bus、STM32微處理器和PC817隔離及晶體管的放電作用來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥。劉興俊[2]等人對(duì)飛行器滾控電磁閥驅(qū)動(dòng)方式做了研究，設(shè)計(jì)了可調(diào)制脈沖控制驅(qū)動(dòng)模塊。當(dāng)前，針織機(jī)械上的電磁閥的控制大多采用微處理器管腳輸出高低電平與光耦隔離放大相結(jié)合的控制方式，大量電磁閥的控制會(huì)增加機(jī)器的硬件及軟件成本，采用PWM控制電磁閥，可以在電磁閥吸合狀態(tài)維持小電流，電磁閥工作中的發(fā)熱情況以減少，電力的浪費(fèi)將降低，電磁閥的正常使用壽命將延長(zhǎng)。

本文采用TS555定時(shí)器來(lái)組成多穩(wěn)態(tài)振蕩電路用于產(chǎn)生矩形波（PWM）和驅(qū)動(dòng)放大電路一起來(lái)控制電磁閥，該控制方式簡(jiǎn)單可靠，符合針織機(jī)械的控制要求，并利用multisim軟件對(duì)控制電路進(jìn)行了仿真分析。

1 TS555定時(shí)器介紹

TS555 定時(shí)器[3]是一款低功耗單極型CMOS定時(shí)器。使用TS555 定時(shí)器能夠構(gòu)成振蕩電路產(chǎn)生和輸出周期性的信號(hào)波形。該定時(shí)器高輸入阻抗：1012Ω，高輸出電流能力，輸出兼容TTL、CMOS和邏輯MOS，所以TS555定時(shí)器在延時(shí)電路，波形的產(chǎn)生電路、自動(dòng)化控制、家庭電器控制等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

該TS555定時(shí)器內(nèi)部包含有電壓比較器A和電壓比較器B、基本觸發(fā)器RS、一個(gè)非門(mén)、3個(gè)5kΩ的電阻R組成的分壓器、一個(gè)放電MOS管V。如圖1所示，各個(gè)引腳功能如下：

1 腳（GND）：接地或者公共地端電壓，正常接地；2 腳（TR）：低電平觸發(fā)端；3 腳（Output）：輸出端；4 腳（Reset）：復(fù)位端，外部低電平復(fù)位，正常工作時(shí)外接高電平；5 腳（CO）：為控制電壓端；6 腳（TH）：高電平觸發(fā)端；7 腳（D）：放電端。與放電MOS管V集電極連接，外接一個(gè)電容，放電管導(dǎo)通時(shí)放電；8 腳（VCC）：電源端，工作在2V ～18V范圍內(nèi)使用。

2 電磁閥控制電路設(shè)計(jì)

2.1 電磁閥控制電路

該小型電磁閥的控制電路如圖2所示，TS555定時(shí)器外接兩個(gè)阻值大小均為22kΩ的電阻R1和R2，外接電容C為680nF，構(gòu)成的多諧振蕩電路。5腳接0.01uF的電容接“地”，以防止干擾的引入。4腳為復(fù)位端，外接復(fù)位芯片給TS555定時(shí)器復(fù)位，RST的作用是直接清零，低電平時(shí)有效。當(dāng) RST 端接低電平，定時(shí)器不工作，所以該端不用時(shí)應(yīng)接高電平，復(fù)位芯片接上拉電阻R3使RST保持為高電平，電容C4為高頻濾波電容。

2.2 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

該小型電磁閥驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，定時(shí)器輸出uo，電流經(jīng)N溝道增強(qiáng)型MOS管放大使電磁閥線圈L吸合，當(dāng)磁鐵吸合時(shí)，鐵芯被磁化后產(chǎn)生電磁力使磁鐵吸合，工作時(shí)電磁力主要克服彈簧的支撐力，當(dāng)電磁閥線圈導(dǎo)通吸合后，只要給線圈提供很小的電流便可以維持它吸合時(shí)的工作狀態(tài)，輸出uo為矩形波等效成小電流正好符合電磁閥的工作特點(diǎn)。電磁閥外部斷電時(shí)，其內(nèi)部的電感線圈內(nèi)會(huì)產(chǎn)生反方向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可以通過(guò)快恢復(fù)二極管D1和一個(gè)電阻R5組成的回路釋放，保護(hù)回路的元件不被損壞。endprint

3 電路仿真及分析

電磁閥的控制電路由TS555定時(shí)器構(gòu)成的多穩(wěn)態(tài)振蕩電路構(gòu)成，把它與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路相結(jié)合可以組成電磁閥完整的控制電路。經(jīng)Multisim10軟件仿真[4]，結(jié)果如圖4所示，可以看出周期性的矩形波產(chǎn)生，通過(guò)它來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥。

3.1 計(jì)算電路的理論值

根據(jù)TS555定時(shí)器組成的多諧振蕩電路的波形產(chǎn)生的特性，電路的理論值可以計(jì)算得出：

電容C充電時(shí)間常數(shù)：

T1=（R1+R2）Cln2=0.7（R1+R2）C=20.944ms

電容C放電時(shí)間常數(shù)：

T2=R2Cln2=0.7R2C=10.472ms

振蕩周期：

T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2=31.416ms

占空比：

3.2 仿真值

根據(jù)控制電路中電容C周期性充電、放電的特點(diǎn)：TS555定時(shí)器外接兩個(gè)電阻R1和電阻R2，外接電容C可構(gòu)成多諧振蕩的電路，接通工作的電源Vcc后，它經(jīng)過(guò)R1和R2對(duì)電容C進(jìn)行充電，Uc從零增大至2/3Vcc；當(dāng)放電管V導(dǎo)通時(shí)，電容C通過(guò)R2和V放電，Uc降低至1/3Vcc，電容電壓Uc在1/3Vcc和2/3Vcc之間振蕩，該控制電路的輸出端uo輸出了高、低電平的周期性的矩形方波。由圖5的仿真波形可以得出uo輸出的矩形方波參數(shù)：充電時(shí)間常數(shù)：T1=20.873ms；周期T=31.499ms；占空比q=2/3。

4 結(jié)論

本文介紹了一種小型電磁閥的控制電路設(shè)計(jì)，利用TS555定時(shí)器的多穩(wěn)態(tài)特性設(shè)計(jì)了具體的電磁閥控制電路，并利用Multisim10軟件對(duì)該電磁閥的控制電路進(jìn)行了仿真分析，該控制電路的仿真結(jié)果基本和計(jì)算的理論值一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制電路是可行的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]吳輝.嵌入式電腦襪機(jī)控制系統(tǒng)底層設(shè)計(jì)[D].西安：西安工程大學(xué)，2013：21-23.

[2]劉興俊.基于FPGA的電磁閥控制設(shè)計(jì)與研究[J].電子器件，2016，39（2）：392-393.

[3]騰政勝.555定時(shí)器的典型應(yīng)用及OrCAD/PSpice仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，（7）：18

1-184.

[4]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.

[責(zé)任編輯：張濤]endprint