CN101379573A - 螺线管驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种螺线管驱动电路(100)，其包括从螺线管(104)捕获能量或向螺线管(104)释放能量的升压能量储存装置(1)，例如电容器。开关(S1，S2)控制升压装置(C1)、螺线管(104)以及电源(102)之间的连接。这使得螺线管的响应时间可基于升压装置以及螺线管的特性可变。通过提供两种不同的螺线管电流上升和衰减速率以及通过捕获和再度使用螺线管中储存的能量，本发明的驱动电路增强了螺线管的响应并提高了效率。

Description

螺线管驱动电路

技术领域

本发明涉及螺线管驱动电路，特别涉及这样的螺线管驱动电路:其捕获并存储随后在电路中再度使用的能量。

背景技术

为了快速螺线管致动，希望尽可能快地增大和减小通过螺线管的电感电流。对于传统的驱动器电路(即高侧和低侧驱动器)中，电感电流的上升和下降速率由施加到螺线管线圈电感-电阻时间常数L/R的电压决定，L＝螺线管线圈的电感值，R＝线圈的电阻值。

存在对这样的改进螺线管驱动器的需要:其改进了螺线管的致动速度、可控性以及能量效率。也存在对具有增强的可控性和致动时间的螺线管操作短管阀的需要。

发明内容

本发明被指向一种螺线管驱动电路，其包括从螺线管吸收能量以及向螺线管释放能量的升压能量储存装置。开关装置控制升压装置、螺线管以及电源之间的连接。这使得对电路的电压激励能够基于升压装置以及螺线管的特性可变，并因此使得螺线管的响应时间能够基于升压装置以及螺线管的特性可变。通过提供两种不同的螺线管上升和衰减速率并通过捕获和再度使用螺线管中储存的能量，本发明的驱动电路增强了螺线管响应，提高了效率。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的驱动电路的示例性原理图；

图2为一流程图，其示出了根据本发明一实施例的螺线管电流控制过程；

图3为根据本发明另一实施例的驱动电路的示例性原理图；

图4为本发明再一实施例的示例性原理图；

图5为本发明又一实施例的示例性原理图；

图6为一流程图，其示出了根据本发明又一实施例的螺线管电流控制过程。

具体实施方式

根据本发明的电路包括向螺线管供给升压能量的升压能量储存装置，例如电容器。这一附加电路提供了比传统高或低侧驱动电路更快的螺线管电流上升和衰减速率。具体而言，本发明的电路的电流上升和下降时间不是由L/R时间常数决定。作为替代的是，这些时间由电容器完全放电至螺线管线圈电感或从电感吸收能量所需要的时间决定。时间常数t₁小于或等于大约1.57×(L×C)^1/2秒，其中，L＝螺线管线圈的电感值，C＝能量储存装置的电容值。注意，尽管下面的例子中假定能量储存装置是电容器，在不脱离本发明的范围的情况下也可使用其它装置。

通过能量储存装置提供的升高的电压为螺线管提供了更快的初始上升速率和更快的结束下降速率，造成在螺线管致动开始和结束时的更为迅速的螺线管响应。通过使用高的电容器电压以及在电容器完全放电到V_电池之前停止放电，可获得小于t₁＝1.57×(L×C)^1/2秒的响应时间。因此，取决于所希望的响应速度，放电可以是部分的，也可以是完全的。这允许螺线管线圈电感中的电流更快地上升，而不受传统的L/R时间常数的限制。开关时间也可由螺线管电流以及电容器电压来决定。

电路中的螺线管可以采用脉冲宽度调制(PWM)来驱动，允许螺线管中的电流被控制在小于由螺线管104规定的最终DC值V/R(供给电压除以螺线管电阻)的水平。结果，电路100足够灵活地用较慢的L/R时间常数运行，促进了PWM的运行。电路100的改变不同速度的螺线管电流上升和衰减时间的能力提供了提高的螺线管驱动控制。

图1为根据本发明一实施例的电路100的简化原理图。图2示出了采用这里介绍的电路的多种实施例控制螺线管电流的过程。

参照图1，电路100包括提供能量以驱动螺线管线圈104的电源102，例如电池或电源。电路100还包括:升压能量储存装置C1，例如升压电容器或其它装置；两个开关S1、S2；两个二极管D1、D2，其引导电流通过电路100。开关S1、S2可以为任何类型，例如半导体开关，例如金属氧化物场效应管(MOSFET)、场效应管(FET)、双极型结型晶体管(BJT)、可控硅整流器(SCR)或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。开关S1、S2由开关控制器150中的控制逻辑进行控制，控制器150可以是通过时滞开关或其它任何合适的控制策略来控制电路100中的多种运行模式的模拟电路或控制器。

在此实施例中，其中一个二极管D1的阴极连接在第一开关S1和螺线管104之间，二极管D1的阳极连接至电源102的正端。这种配置因此允许螺线管104的部分放电以提供迅速的致动。图1还示出了电路运行的不同阶段的电流路径，其将在下面详细阐释。

参照图1和2，在初始运行状态过程中，两个开关S1、S2都处于断开状态(块201)。假设在这种状态下能量被储存在升压电容器C1中。当开关S1、S2闭合时，电流从升压电容器C1流经两个开关S1、S2以及螺线管104，如图1所示，作为电流路径1(块202)。由于电流流动，升压电容器C1以由升压电容器C1的大小和螺线管104的大小所决定的速率放电，直至升压电容器C1的电压达到电池电压。电容器C1的大小是基于L/R的值以及所希望的电路响应速度选择的，且改变电容器C1的大小改变了电路100的运行。

例如，如果电容器C1和螺线管104都很小，当电容器C1达到电池电压时其将会完全放电。由于电容器电压和电池电压处于相似的水平，电流水平的变化将会越接近目标电流越慢。

然而，如果电容器C1大且螺线管104小，电容器C1将会仅仅部分放电并仍然高于电池电压。较大的电容器C1通过将电容器电压保持在较高水平而使电路100中较快的响应时间成为可能。结果，电路100将会以更快的速率达到目标电流。

在这一点上，控制器150指示第一开关S1断开，使得第一二极管D1开始传导电流(块203)。流经螺线管104的电流以较慢的速率上升并流过电流路径2。注意，这一阶段是视情况可选的；如果希望获得较快的电流上升时间，升压电容器C1可被充电至较高的水平，从而使得电容器电压保持在高水平并在其完全放电之前达到电池电压，允许以更快的速率达到目标电流水平。

当螺线管104中的电流已经达到最终希望的水平时，第二、较低开关S2断开且第一开关S1闭合(块204)。螺线管104电感中的磁场“崩溃(collapse)”，使得电感电流通过螺线管104循环，以保持螺线管104的磁场。这又使得电流根据电流路径3流经作为控向二极管的第二二极管D2。在这一点上，由于电路100中的阻性损耗，电流水平以较低的速率逐渐下降。当电流下降至所希望的第二较低水平时，控制器150闭合第二开关S2并断开第一开关S1，使得第一二极管传导来自电池102的供应电流并引导电流重新根据电流路径2流动，以增大螺线管的电流水平(块205)。这一点发生时的水平可由控制器150基于例如系统对电流纹波、开关损耗、噪音发生等等的承受能力来进行选择和控制。

因此，螺线管104中的电流能够得到控制以进行PWM运行。在一个实施例中，控制器150通过彼此异相地交替断开和闭合开关S1、S2来以较慢的速率获得PWM操作，使得螺线管电流在电流路径2(从电池102对螺线管104充电)和电流路径3(从螺线管到电容器C1再循环电流)之间切换(块206)。

为了提高运行效率，在螺线管104被致动之后，本发明的电路100可以恢复或重新使用储存在螺线管104的电感中的磁场能量。能量被捕获在升压电容器C1中并在下一个螺线管致动期间被重新使用。这种能量捕获可在螺线管电流迅速下降至零时进行。具体而言，希望具有根据第一、更快的时间常数t1的电流水平响应。为了做到这点，控制器150断开两个开关S1、S2，以便吸引电流从螺线管104经过电流路径4和二极管D1、D2流入升压电容器C1(块207)。升压电容器C1将会充电至高于电池102的电压的电压水平；确切的水平由螺线管104的电感值、在放电期间流经螺线管104的电流量以及电容值控制。

注意，由于电池102位于电路100中的螺线管的放电路径中，电池102也有助于升压电容器C1的再度充电。结果，取决于具体的电路构造，本发明的电路100第一快速速率和第二慢速速率进行电流上升和衰减。这改进了响应时间以及螺线管运行的控制。此外，电路构造还通过使用螺线管放电期间所捕获的能量改进了效率。

如上所述，能够通过改变能量储存装置C1的储存容量来改变图1中电路100的运行。如果图1中的电路100中使用了更大的电容器C1，由于增大的电容器储存容量，可以获得甚至更快的致动时间。在这种情况下的电容器C1达到高于电池102的电压的电压，且对于螺线管104作为升压电源运行。这种增大的储存容量允许电容器C1仅仅部分而不是完全放电，以几乎恒定的电压下并以比图1中的电路更快的速率向螺线管104供给电流，直至螺线管电流达到所希望的水平。

使用更大的电容器C1还允许将来自螺线管104放电能量再度捕获到升压电容器C1中。然而，在这种情况下，断开两个开关S1、S2以将螺线管电流迅速降为零迫使螺线管电压增大至V_螺线管＝V_电容器+I×R-V_电池。由于电容器C1的初始电压因电容器C1的部分放电而高于电池电压，故而，这种增大使得螺线管104以比图1中的电路更快的速率将其磁场能转移至升压电容器C1。

图3示出了本发明的电路100的另一可能的实施例。如上面描述的，本发明的电路100可以使用从螺线管放电恢复的磁场能量以增大随后的运行周期中的螺线管104的致动速度。然而，实际上，由于阻性损耗、涡流损耗以及铁损，能够从螺线管104回收并储存在升压电容器C1中的能量常常小于运行实际需要的能量。结果，来在每次螺线管致动之后需要将额外的能量供给升压电容器C1，以便保持高的致动速度。

为了实现这一点，图3中电路100包括耦合至开关控制器150的比较器250。电路100的大体运行与上面关于图2介绍的一致，只是加入了图2中以虚线标记的附加步骤。在此实施例中，在螺线管104被致动之前，比较器250首先检查升压电容器C1两端之间的电压是否小于所希望的升压电压(块254)。如果是，表示从之前的螺线管致动放出的能量不足以对于运行充分地增大螺线管的致动速度。

为了增大储存在升压电容器C1中的能量，开关控制器150断开并闭合第二开关S2。闭合第二开关S2使得更大的电流从电池102经过电流路径2流至螺线管104，而打开第二开关S2则使得由于螺线管104中的崩溃磁场产生的电流经由电流路径4流入用于储能的升压电容器C1。控制器150继续断开和闭合第二开关S2以便对升压电容器C1充电，直至比较器250向控制器150指示电容器电压已经达到所希望的升压电压值(块256)。在这一点上，控制器150断开第二开关S2，且图2中的过程如上面描述地继续。结果，本实施例允许螺线管104作为用于电容器C1的有效电压升高电源运行。

图4示出了根据本发明又一实施例的电路100。电路100被设计为当电容器为螺线管104提供电流时电容器完全放电。和上面描述的实施例一样，本发明的电路100具有这样的时间常数:其由升压电容器C1向螺线管104释放能量或从螺线管104吸收能量所需的时间决定，而不是严格按照L/R时间常数。此实施例与图1所示实施例的不同之处在于在电流路径3中放置了附加二极管D3以及将二极管D1的位置移动到开关S1之上的位置，二极管D3在螺线管104中的磁场崩溃时传导电流。该电路将电容器C1隔离在螺线管104两端之间而不是像图1中一样将其放置为与电池102串联。这产生了在线圈关断期间具有更快响应的电路100。

图4中的电路100以图2中在上面描述的方式运行。在此实施例中，升压电容器C1充电至基于螺线管104所储存的能量的电压水平减去二极管D2和D3上的电压降。注意，在此实施例中，由于二极管D1的新位置阻止了螺线管104反复充电和放电以提高此电路100中电容器C1的电压，升压电容器C1能够达到的电压水平低于图1中升压电容器C1能够达到的电压。

图5示出了本发明的电路100的又一实施例。此实施例与图4所示实施例类似，除了其包括附加开关S3和去磁储存装置C2以外，开关S3被布置为与附加二极管D3并联，去磁储存装置C2例如为另一电容器，其被布置为与附加二极管D3串联。这产生了两个附加的电流路径，其将在下面详细介绍。图6为一流程图，其示出了图5中的电路的运行。注意，二极管D3和开关S3可以合并在一个装置——比如MOSFET——之中。

参照图5和6，电路100在其运行周期开始时使所有三个开关S1、S2和S3断开(块300)。假设在此阶段，能量升压电容器C1和去磁电容器C2都被充电到标称运行值。

于是，第三开关S3刚好在螺线管104将被致动之前闭合，使得电流从去磁电容器C2经由电流路径6流过螺线管104(块302)。在一实施例中，此步骤对螺线管104去磁。例如，去磁可通过施加通过螺线管的、取决于去磁电容器C2的大小而或为脉冲或为衰减正弦的电流来进行。如果去磁电容器C2大(例如高于升压电容器C1值的10％)，则第三开关S3将会闭合短的一段时间(例如几十微秒)以进行脉冲去磁。如果去磁电容器C2小(例如升压电容器C1值的1％到10％的数量级)，则开关S3将闭合较长的时间周期(例如几毫秒)以进行衰减正弦去磁。注意，在正弦去磁期间，去磁电容器C2将在此步骤中以通过电流路径5和6的减小的幅值和交替的极性完全充电和放电(块302)。

在螺线管104被去磁之后，第三开关S3断开且开关S1和S2闭合以开始螺线管致动(块304)，使得电流从升压电容器C1经由电流路径1流过两个闭合开关S1、S2以及螺线管104。与上面描述的几个实施例类似，此实施例中的升压电容器C1具有远远高于电池102的电压的电压以及足够的容量，从而在以几乎恒定的电压向螺线管104供给电流直至螺线管电流达到所希望水平的同时仅轻微放电。一旦这一点发生，第一开关S1断开，如上面在之前的实施例中描述的一样，以较慢的速率经由电流路径2使电流流过二极管D1(块306)。

图7的过程中其余的步骤308、310、312和314与图2的块204、205、206和207相同。注意，当第一和第二开关S1和S2在过程结束断开以便将螺线管电流迅速降低至零时，螺线管电压升高至(V_{升压电容器}+V_{去磁电容器})+(I×R)-V_电池(块314)。这使得电感将其磁场能量转移到去磁电容器C2和升压电容器C1上。去磁电容器C2变化为大约等于V_{升压电容器}-V_电池的电压。由于电池102在放电路径中，电池102也有助于对两个电容器C1、C2充电。

上面的电路可用于任何使用螺线管阀的场合。例如，通过对短管和端盖去磁以使短管能够移动到另一位置，驱动器电路可用于增强短管阀的可控性。本领域技术人员将会认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的电路可用于其它场合。

通过在驱动电路中引入电感器-电容器能量转移原理，本发明提高了由电路驱动的螺线管的致动速度，并提供了可选择的时间常数以改进PWM能力。此外，本发明的电路中捕获和再度使用储存能量提高了电路的能量效率。根据发明的原理运行的短管阀具有降低的致动时间和增强的可控性。本领域技术人员将会理解，本发明的电路的开关时间能够基于螺线管的响应或系统其他部分的响应(例如短管响应、压力上升速率(pressure raterise)、系统下游的行为等等)得到控制和改变。

上面的描述是示例性的而不是由其中的限制限定。在上面讲解的启发下可作出对本发明的多种修改和变型。已经公开了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将会明了，可在本发明的范围内进行某些修改。因而、此，应当明了，在所附权利要求的范围内，本发明可以以具体介绍以外的方式实现。出于此原因，应当研读所附权利要求以决定本发明的真实范围和内容。

Claims (26)

1.一种驱动电路(100)，其包含:

螺线管(104)；

储存能量的升压装置(C1)；以及

至少一个开关(S1，S2，S3)，其通过在第一状态中从所述升压装置向所述螺线管引导能量以及在第二状态中从所述螺线管向所述升压装置引导能量，控制经过所述螺线管和所述升压装置的电流，

其中，所述螺线管的电流上升速率和电流下降速率中的至少一个由所述螺线管和所述升压装置控制。

2.权利要求1所述的驱动电路，其中，所述升压装置是电容器。

3.权利要求1所述的驱动电路，其中，所述升压装置具有这样的储存大小:其小于或等于所述螺线管完全充电的能量储存要求，以允许所述升压装置的完全放电。

4.权利要求1所述的驱动电路，其中，所述升压装置具有这样的储存大小:其大于用于所述螺线管完全充电的能量储存要求，以允许所述升压装置的部分放电。

5.权利要求1所述的驱动电路，其中，所述至少一个开关是半导体开关。

6.权利要求1所述的驱动电路，其还包含:

比较器(250)，其对所希望的升压电压和所述升压装置两端之间的电压进行比较；以及

开关控制器(150)，如果所述比较器指示所述升压装置两端之间的电压低于所述所希望的升压电压，所述开关控制器控制所述至少一个开关，以便使所述螺线管向所述升压装置放电。

7.权利要求1所述的驱动电路，其还包含用于对所述螺线管进行去磁的去磁装置(C2)。

8.权利要求7所述的驱动电路，其中，所述去磁装置是具有提供脉冲去磁的值的电容器。

9.权利要求7所述的驱动电路，其中，所述去磁装置是具有提供衰减正弦去磁的值的电容器。

10.一种驱动电路(100)，其包含:

螺线管(104)；

电源(102)；

储存能量的升压装置(C1)；

第一开关(S1)和第二开关(S2)，其通过在第一状态中从所述升压装置向所述螺线管放出能量以及在第二状态中从所述螺线管向所述升压装置引导能量，控制经过所述螺线管和所述升压装置的电流，

开关控制器(150)，其控制第一开关和第二开关的操作；

第一电流控向装置(D1)和第二电流控向装置(D2)，其基于第一开关和第二开关的状态有选择地引导电流通过所述螺线管、所述电源以及所述升压装置；

其中，所述螺线管的电流上升速率和电流下降速率中的至少一个由所述螺线管和所述升压装置以第一速率以及慢于所述第一速率的第二速率进行控制。

11.权利要求10所述的驱动电路，其中，

第一和第二开关被布置为与所述螺线管串联，

所述第二开关和所述螺线管被布置为与所述电源并联，且

所述第二开关被布置为与所述升压装置并联。

12.权利要求10所述的驱动电路，其中，所述第一电流控向装置被布置为与所述电源串联，所述第二电流转向装置被布置为串联在所述第二开关和所述升压装置之间。

13.权利要求10所述的驱动电路，其还包含:

比较器(250)，其将所希望的升压电压与所述升压装置两端之间的电压进行比较；以及

开关控制器(150)，如果所述升压装置两端之间的电压低于所述所希望的升压电压，所述开关控制器控制所述第一与第二开关中的至少一个来对所述升压装置进行充电。

14.权利要求10所述的驱动电路，其还包含被布置为与所述螺线管以及所述第二开关并联的第三电流控向装置(D3)。

15.权利要求10所述的驱动电路，其还包含:

被布置为与所述螺线管并联的第三电流控向装置(D3)；

耦合至所述第三电流控向装置的去磁装置(C2)；以及

被布置为与所述第三电流控向装置并联的第三开关(S3)。

16.一种运行驱动电路的方法，所述驱动电路具有螺线管、电源、储存能量的升压装置以及控制经过所述螺线管的电流的至少一个开关，所述方法包括:

通过以第一速率从所述升压装置向所述螺线管释放电流来对所述螺线管进行充电(202，304)，以及

以慢于所述第一速率的第二速率从所述电源对述螺线管进行充电(203，306)；

对所述螺线管进行放电(207，314)；以及

通过在所述升压装置中捕获放电步骤期间来自所述螺线管的能量，在放电步骤期间对所述升压装置进行充电(256)。

17.权利要求16所述的方法，其还包含在减小步骤之前重复对所述螺线管进行充电和对所述螺线管进行放电的步骤。

18.权利要求16所述的方法，其还包含:

将所述升压装置两端之间的电压与所希望的升压电压进行比较(254)；以及

如果所述升压装置两端之间的电压低于所述所希望的升压电压，用所述电源对所述升压装置进行充电(256)。

19.权利要求16所述的方法，其中，所述电路还包含去磁装置，且其中，所述方法还包含在对所述螺线管进行充电的步骤之前从所述去磁装置向所述螺线管释放电流(302)。

20.权利要求19所述的方法，其中，从所述去磁装置释放电流的步骤进行脉冲去磁。

21.权利要求19所述的方法，其中，从所述去磁装置释放电流的步骤进行衰减正弦去磁。

22.一种驱动电路，其包含:

螺线管(104)；

储存能量的升压装置(C1)，其中，所述螺线管的电流上升速率和电流下降速率中的至少一个以第一速率以及不同于所述第一速率的第二速率发生；

控制器(150)，其根据多个运行模式控制通过所述螺线管和所述升压装置的电流，其中，

在第一运行模式中，电流以第一速率从所述升压装置流到所述螺线管；

在第二运行模式中，电流以第二速率在所述螺线管和所述升压装置之间交替流动。

23.权利要求22所述的驱动电路，其还包含多个开关(S1，S2)，其中，所述控制器决定进行第一和第二运行模式的至少一个开关时间。

24.权利要求22所述的驱动电路，其中，所述控制器根据螺线管电流、升压装置电压、螺线管响应或外部系统响应中的至少一个来控制电流。

25.权利要求22所述的驱动电路，其还包含比较器(250)，所述比较器将所述升压装置两端之间的电压与所需要的升压电压进行比较，其中，如果所述升压装置两端之间的电压低于所述所希望的升压电压，所述控制器从所述螺线管向所述升压装置引导电流。

26.权利要求22所述的驱动电路，其还包含去磁装置(C2)，其中，所述控制器从所述螺线管向所述去磁装置引导电流，以便从所述螺线管向所述去磁装置转移磁场能量。

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