分析电磁铁驱动中续流电阻

电磁铁驱动

电磁铁对外产生的磁场与流过的电流之间，在电磁铁没有饱和之前大体呈现线性关系。如果忽略磁滞、磁饱和等非线性的特点，可以通过控制流经电磁铁的电流来控制它的电磁吸引力。

▲ 使用晶体管驱动电磁铁示意图

本文通过理论分析和实验来研究，在单管驱动电磁铁的情况下：

流经电磁铁的电流与占空比之间的关系。

增加续流电阻 Rf 如何影响电磁铁与占空比之间的线性性。

通过这些分析，为后面使用电磁铁做控制建立下很好的数学关系和电路设计参数。

01 实验研究

先通过实验研究，获得在一般情况下单管晶体管驱动电磁铁的占空比与流经电流之间的关系，然后在后面进行理论分析。 在实验中，使用 线性霍尔[1] 器件来测量电磁铁的铁芯磁场来间接反映电流的大小。

1. 实验中的元器件

(1) 功率晶体管使用在 磁悬浮地球仪拆解[2] 中拆卸下的中功率 NPN 晶体管 D882 作为实验中的三极管。

▲ D882 中功率 NPN 三极管的主要参数

(2) 续流二极管使用 20ETF06S[3] 作为电路中的续流二极管。

▲ 快速恢复二极管 20ETF06S

使用万用表测量 20ETF06S 的二极管前向导通电压为：0.351V。

(3) 线性 HALL使用 线性 HALL 3503[4] 测量电磁铁的磁芯磁场。 (4) 单片机板使用 集成两路 MAX1169 的 STC8G1K08 模块，带有两路 PWM 输出[5] 中的单片机实验模块所产生的 PWM 以及 16-bitAD 转换器来测量 HALL 的输出。 (5) 电磁铁使用所使用的电磁铁包括以下几种。

在 磁悬浮地球仪拆解[2] 中的电磁铁和 HALL 框架;

在 使用 STC8H1K28 控制微型磁悬浮[6] 中的继电器的磁铁;

使用一款在 TB 购买的 电磁铁[7] 作为测量对象。

基本参数： 电阻 R=16Ω;电感(1kHz)L=13.37mH。

2. 实验电路

使用 低价电阻箱 - 阻值测试[8] 作为 R1，用于动态调整 R1。在面包板上将实验电路搭建起来。

▲ 实验电路

选择 VCC 为 12V 电压。测量单片机发送的 PWM 波形以及 T1 集电极电压波形如下，大体验证实验电路工作正常。

▲ 单片机发送的 PWM 波形以及 T1 集电极电压波形

3. 测试数据(1) 测试购买的电磁铁设置 R1= 0 欧姆：

▲ HALL 输出与 PWM 设置之间的关系

R1=10 欧姆

▲ HALL 输出与 PWM 设置之间的关系

设置 R= 100 欧姆

▲ HALL 输出与 PWM 设置之间的关系

▲ 不同的 R1 对应的 PWM 与 HALL 取值之间的曲线

02 理论分析

1. 分析假设

由于电路存在着很多非线性环节，它的分析根据电路不同的工作状态，所得到的结果也各有变化。下面先就一种比较简单的情况进行分析：

2. 电流变化以及平均值

根据前面的假设，电流的变化曲线如下图所示。

▲ 电感中的电流变化曲线

(1) 计算稳态下电流波动的峰值:

平均电流：

如果反馈续流电阻 R1= 0，那么施加在的电感上的电压平均值就与占空比成正比，流经的电流与占空比之间就是线性关系。

3. 数值仿真结果

根据前面实验中的条件，确定比较符合实际实验的一些参数：

工作电源：Vcc=12V

电感等效串联直流电阻：RL=16Ω

电感电感量：L1=13.37mH

PWM 周期：T1=1/fpwm=29.26us

续流串联电阻：R1 从 0 变化到 100 欧姆

▲ 对于不同的 R1 得到的占空比与电流之间的关系

结论

通过实验和理论仿真分析，对于普通的电磁铁使用单管驱动时，在续流电阻接近为 0 的时候，流经的电流大小与单管的占空比成正比。

通过在续流二极管增加串联电阻，将会改变原来的线性关系。使得电流在占空比比较小的情况下上升缓慢，在占空比比较大的时候上升增加。

存在的疑问：那么为什么在有些设计中会在这儿增加串联电阻?比如别人下面的设计中：

审核编辑：汤梓红