電磁鐵驅動

電磁鐵對外產生的磁場與流過的電流之間，在電磁鐵沒有飽和之前大體呈現線性關系。如果忽略磁滯、磁飽和等非線性的特點，可以通過控制流經電磁鐵的電流來控制它的電磁吸引力。

▲ 使用晶體管驅動電磁鐵示意圖

本文通過理論分析和實驗來研究，在單管驅動電磁鐵的情況下：

流經電磁鐵的電流與占空比之間的關系。

增加續流電阻 Rf 如何影響電磁鐵與占空比之間的線性性。

通過這些分析，為后面使用電磁鐵做控制建立下很好的數學關系和電路設計參數。

01 實驗研究

先通過實驗研究，獲得在一般情況下單管晶體管驅動電磁鐵的占空比與流經電流之間的關系，然后在后面進行理論分析。 在實驗中，使用 線性霍爾[1] 器件來測量電磁鐵的鐵芯磁場來間接反映電流的大小。

1. 實驗中的元器件

(1) 功率晶體管使用在 磁懸浮地球儀拆解[2] 中拆卸下的中功率 NPN 晶體管 D882 作為實驗中的三極管。

▲ D882 中功率 NPN 三極管的主要參數

(2) 續流二極管使用 20ETF06S[3] 作為電路中的續流二極管。

▲ 快速恢復二極管 20ETF06S

使用萬用表測量 20ETF06S 的二極管前向導通電壓為：0.351V。

(3) 線性 HALL使用 線性 HALL 3503[4] 測量電磁鐵的磁芯磁場。 (4) 單片機板使用 集成兩路 MAX1169 的 STC8G1K08 模塊，帶有兩路 PWM 輸出[5] 中的單片機實驗模塊所產生的 PWM 以及 16-bitAD 轉換器來測量 HALL 的輸出。 (5) 電磁鐵使用所使用的電磁鐵包括以下幾種。

在 磁懸浮地球儀拆解[2] 中的電磁鐵和 HALL 框架;

在 使用 STC8H1K28 控制微型磁懸浮[6] 中的繼電器的磁鐵;

使用一款在 TB 購買的 電磁鐵[7] 作為測量對象。

基本參數： 電阻 R=16Ω;電感(1kHz)L=13.37mH。

2. 實驗電路

使用 低價電阻箱 - 阻值測試[8] 作為 R1，用于動態調整 R1。在面包板上將實驗電路搭建起來。

▲ 實驗電路

選擇 VCC 為 12V 電壓。測量單片機發送的 PWM 波形以及 T1 集電極電壓波形如下，大體驗證實驗電路工作正常。

▲ 單片機發送的 PWM 波形以及 T1 集電極電壓波形

3. 測試數據(1) 測試購買的電磁鐵設置 R1= 0 歐姆：

▲ HALL 輸出與 PWM 設置之間的關系

R1=10 歐姆

▲ HALL 輸出與 PWM 設置之間的關系

設置 R= 100 歐姆

▲ HALL 輸出與 PWM 設置之間的關系

▲ 不同的 R1 對應的 PWM 與 HALL 取值之間的曲線

02 理論分析

1. 分析假設

由于電路存在著很多非線性環節，它的分析根據電路不同的工作狀態，所得到的結果也各有變化。下面先就一種比較簡單的情況進行分析：

2. 電流變化以及平均值

根據前面的假設，電流的變化曲線如下圖所示。

▲ 電感中的電流變化曲線

(1) 計算穩態下電流波動的峰值:

平均電流：

如果反饋續流電阻 R1= 0，那么施加在的電感上的電壓平均值就與占空比成正比，流經的電流與占空比之間就是線性關系。

3. 數值仿真結果

根據前面實驗中的條件，確定比較符合實際實驗的一些參數：

工作電源：Vcc=12V

電感等效串聯直流電阻：RL=16Ω

電感電感量：L1=13.37mH

PWM 周期：T1=1/fpwm=29.26us

續流串聯電阻：R1 從 0 變化到 100 歐姆

▲ 對于不同的 R1 得到的占空比與電流之間的關系

結論

通過實驗和理論仿真分析，對于普通的電磁鐵使用單管驅動時，在續流電阻接近為 0 的時候，流經的電流大小與單管的占空比成正比。

通過在續流二極管增加串聯電阻，將會改變原來的線性關系。使得電流在占空比比較小的情況下上升緩慢，在占空比比較大的時候上升增加。

存在的疑問：那么為什么在有些設計中會在這兒增加串聯電阻?比如別人下面的設計中：

審核編輯：湯梓紅