摘要：本文在国外和国内电磁气门驱动机构研究的基础上，从汽车传统的气门领域的发展情况着手，结合最新的汽车气门领域的发展情况，特别是电磁气门驱动的优势和发展状况，结合现有的电磁气门的工作原理和结构设计的优点设计，并根据相关的控制理论，重新设计了电磁气门的驱动电路，重新选择相对应的材料来设计各个模块，并对电磁气门驱动电路的性能试验提出了方法，为今后的进一步研究和开发打下坚实基础。

　　关键词：电磁气门；驱动电路设计；性能试验

　　中图分类号:G712文献标识码:A文章编号：1005-1422（2014）07-0176-03

一、电磁气门电磁阀对功率驱动电路的要求

　　在电磁气门的能量输入方式中，功率驱动模块起到决定性的作用，它对电磁气门的工作过程有很大影响。为了实现电磁阀的高速响应性和强电磁作用力，驱动功率电路应满足以下要求：（1）在电磁气门的初始阶段（开启时刻），应该能保证气门能在弹簧的作用下迅速开启。（2）在电磁气门从开启向关闭的运动过程中，功率驱动模块应以尽可能高的速度为上电磁铁提供能量，使其产生足够大的电磁作用力，缩短响应时间，从而满足电磁阀的快速响应特性。（3）在电磁气门的闭合阶段，工作间隙很小，此时电磁线圈只要通入较小的保持电流便能产生足够大电磁吸力。同时，小的电流也能减小线圈发热，降低能量消耗。

　　从功率驱动电路的要求可以看到，电磁气门机构的驱动电路应有如下特性：（1）电路中电流应该有快速的动态响应特性；（2）电流应该可调；（3）有过电流保护功能。

二、电磁气门的驱动电路图设计方案的确定

　　在电磁气门驱动（EMVA）控制系统的研究方面，目前比较成熟的功率驱动类型有三种，即增压式、调压式和电容式。

　　1.增压式驱动方式是使用增压电路提供远高于车用电压12V的电压来驱动电磁铁的线圈，能够满足电磁阀的快速响应特性。但其电路设计比较复杂，能耗较高。

　　2.调压式驱动方式分为线性调压式和脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）调压式驱动。线性调压式采用12V车用电压，经过对电压进行线性调节得到合理的驱动电流。PWM（脉宽调制）调压式在目前控制系统中应用较多，相对于线性调压它具有电路简单、节约能耗等优点。

　　3.电容式驱动方式是通过对高压电容放电，从而提供给电磁线圈瞬间高变化速率电流使控制阀迅到工作位置，工作气隙减小到只需很低的电流便能维持正常工作时，由12V车用电瓶电压提供此维持电流。

　　三种驱动类型各有特色，又相互有交叉应用之处，通过比较，采用ＰＷＭ（脉宽调制）调压式驱动模块。

　　为了保证功率驱动电路的正常工作，需要对驱动电路选取功率开关元件。对于ＰＷＭ（脉宽调制）驱动模块，目前应用在这种驱动模块的功率开关元件主要有达林顿晶体管(DT)、功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)，它们各有自己的特点：

　　1.达林顿晶体管(DT)是电流驱动型器件，它将两只或更多只晶体管的集电极连在一起，而将第一只晶体管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基极，依次连接而成，最后引出E、B、C三个电极。达林顿晶体管有很高的放大系数，能够提高驱动能力，获得大电流输出。

　　2.功率场效应晶体管(MOSFET)是电压驱动型器件，开关损耗几乎为零，工作频率高，可以并联使用，没有二次击穿问题，使用方便，容易驱动，但其额定电流一般小于80A。

　　3.绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)是一种复合功率器件，有高功率和易驱动的双重优点，但是其价格昂贵，开关速度比较低。

　　综合以上因素，对ＰＷＭ（脉宽调制）调压式驱动模块，决定采用功率场效应晶体管(MOSFET)，因为其价格便宜且所用电路简单，虽然额定电流一般小于80A但能满足电磁气门驱动20A的要求。

三、电磁气门的功率保护电路的设计

　　目前常见电磁气门的功率保护电路有以下三种：

　　1.稳压二极管保护电路：在感性元件的两端对接一个稳压二极管和一个普通二极管。当电磁线圈断电后，产生的反向电动势快速升高使稳压管击穿而导通，能量在稳压管中消耗掉。

　　2.二极管保护电路：这种方式很常见，即在感性元件的两端连接一个普通二极管，利用感性元件的内阻将感性元件所储存的磁场能量消耗掉。

　　3.二极管电阻保护电路：即在感性元件的两端接上一个普通二极管和一个电阻。这种方式消耗电感元件所储存的磁场能量速度比较快。

　　综合分析以上三种保护电路，根据所选的驱动模块，采用二极管电阻保护电路。其电路结构如图1所示：

图1二极管-电阻保护电路

四、抗干扰设计

　　电子控制系统必须具有很高的可靠性和抗干扰性能，才能保证它的正常工作。因此在设计控制系统时，必须采取一些必要的措施。针对干扰进入控制系统的途径，相应制定出以下防护措施：

1.空间电磁干扰豹防护措施

　　SI发动机点火系统在工作时产生高压脉冲，同时向空间辐射电磁波，其特点是能量大、频带宽，这种干扰严重影响发动机控制系统的正常运行。本文主要采取屏蔽措施来抑制电磁波的干扰，具体做法是：传输信号线采用带金属屏蔽层的双绞线。

2.过程通道干扰的防护措施

　　过程通道是指计算机与外设的输入输出通道，包括数据采集系统及驱动电路。

3.供电系统干扰的防护措施

　　电源噪声干扰和接地干扰是供电系统干扰的两个主要来源。为了抑制电源噪声，在电路板上电源输入端加接滤波电容，在电源线和地线之间分段跨接去耦电容。电源电路分级加上各阶次的电容，以滤掉各频率的毛刺电压干扰。接地干扰是由于多点接地时，两接地点的电位不为零，并存在一个电位差，此电位差与电路的输入输出电压耦合而形成干扰，或者由于两个电路经公共地线接地时，两个电路的电流不同而产生干扰。

五、电磁气门电路图的设计以及实验结果

　　1.电路图的设计

　　根据前面的材料选择，经过综合分析设计出如图2所示的电路图模块和图3所示的电磁气门驱动电路逻辑图：

图2电路图模块

图3电磁气门驱动电路逻辑图

　　图3中驱动信号1为U1，驱动信号2为U2，控制信号为PWM波(具体见图4)。

图4电磁气门驱动电路的整体设计

采用窜行通信端口，从PC机将各个PWM波的频率，占空比及相互间的时序关系等信息传递到单片机，在单片机定时模块和PWM模块的配合下，由单片机发出四路PWM信号，经逻辑电路组合形成两路控制脉冲U1U2，分别控制下、上电磁铁。

图5单片机模块

　　2.实验结果

　　将自行设计开发的EMVA安装在模拟缸头上进行试验,该试验台由EMVA、功率驱动模块、电控单元（ECU）、PC机、传感器及示波器组成。如图6所示：

图6

经试验研究得到驱动信号与控制信号的形成的时序图形如图7。

图7驱动信号形成的时序图

　　控制信号和脉冲信号通过逻辑电路产生两路控制脉冲:驱动信号1和驱动信号2，分别用来驱动下电磁铁和上电磁铁。下电磁铁和上电磁铁受到驱动信号1和驱动信号2的驱动后，分别在下电磁线圈和上电磁线圈中形成驱动电流1和驱动电流2，控制气门的开启和关闭。通过调节脉冲信号的通电时间t1、t2、t3、t4及t3段PWM波的周期和占空比d来实现。t1表示峰值电压的通电时间,对应于驱动电流的上升阶段，决定了电磁力是否可以克服弹簧力和机械阻力以便迅速、准确地打开或关闭气门。t2表示峰值电压的切断时间，峰值电压切断后，线圈瞬时产生很高的反电动势,线圈电流不可能突变为零，在驱动电路中采用续流二极管法使线圈电流快速泄流，但又不希望其降为零，将其控制在所需的保持电流附近，t2的选择对衔铁落座影响很大。t3为ＰＷＭ脉冲通电时间，对应于保持电流阶段，决定ＰＷＭ脉冲的因素为周期T和占空比d，占空比d对驱动电流的影响更大，d过大则保持电流过大，加大衔铁的落座速度和系统的能量消耗，d过小则保持电流过小，电磁力无法克服弹簧力和机械阻力使气门无法保持在位置，而在弹簧力作用下反向运动。t4为PWM断电时间，此阶段驱动电流降为零，气门不受电磁力，在弹簧力作用下作有阻尼自由振动。

　　单片机通过传感器接口电路检测转速和负荷信号并修正后，通过查询预先存储的MAP图，得到相应的气门定时和气门升程，并由此得到电磁阀的控制电流，然后输出一个脉冲信号以适当的电流驱动电磁阀，是气门开闭，从而实现气门的驱动控制在驱动脉冲信号2主脉冲的上升沿，功率场效应晶体管导通，上电磁阀线圈内的电流按指数规律上升，上升到某一定值（一般为15-20A），衔铁吸合，线圈内的电流按另一种指数规律上升。主脉冲的下降沿到来时，线圈内的电流按指数规律下降，当下降到电磁线圈能保持吸合状态的保持电流时，PWM保持波的上升沿工作，接着电磁线圈中的电流在PWM波的作用下围绕保持电流上下波动，衔铁与上电磁阀铁芯吸合，气门处于关闭状态。直到PWM波结束，电磁力逐渐减小当电磁力无法克服弹簧反力时，衔铁在弹簧反力的作用下向下电磁阀方向运动，在适当时刻，给下电磁阀施加驱动脉冲信号1，在电磁力和弹簧力的共同作用下，使衔铁与下电磁阀吸合，然后利用PWM的保持波使衔铁处于吸合状态，此时气门全开状态，一个循环完成。

　　　　参考文献：

　　［1］赵雨东等.电磁气门驱动设计及其电磁铁静吸力特性试验［J］.内燃机学报，2002（4）.

　　［2］汪波等.发动机电磁气门驱动开环控制系统设计与试验［J］.汽车技术，2002（7）.

　　［3］李莉.电磁驱动气门机构的设计开发和试验研究［D］.浙江大学，2004.

　　［4］李莉，王希珍，严兆大等.电磁驱动气门机构控制策略初探［J］.汽车工程，2004（4）.

　　［5］赵鹏.电磁可变气门研究［D］.重庆交通大学，2007.