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電磁鐵驅(qū)動(dòng)

電磁鐵對外產(chǎn)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(xiàn)線性關(guān)系。如果忽略磁滯、磁飽和等非線性的特點(diǎn)，可以通過控制流經(jīng)電磁鐵的電流來控制它的電磁吸引力。

▲ 使用晶體管驅(qū)動(dòng)電磁鐵示意圖

本文通過理論分析和實(shí)驗(yàn)來研究，在單管驅(qū)動(dòng)電磁鐵的情況下：

流經(jīng)電磁鐵的電流與占空比之間的關(guān)系。
增加續(xù)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(shù)學(xué)關(guān)系和電路設(shè)計(jì)參數(shù)。

01 實(shí)驗(yàn)研究

先通過實(shí)驗(yàn)研究，獲得在一般情況下單管晶體管驅(qū)動(dòng)電磁鐵的占空比與流經(jīng)電流之間的關(guān)系，然后在后面進(jìn)行理論分析。

在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中的三極管。

▲ D882 中功率 NPN 三極管的主要參數(shù)

(2) 續(xù)流二極管

使用?20ETF06S^[3]?作為電路中的續(xù)流二極管。

▲ 快速恢復(fù)二極管 20ETF06S

使用萬用表測量 20ETF06S 的二極管前向?qū)妷簽椋?.351V。

▲ 電路中的兩個(gè)半導(dǎo)體器件 | D882 , 20ETF06S

(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(jī)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(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)K所產(chǎn)生的 PWM 以及 16-bitAD 轉(zhuǎn)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。

▲ 購買到的電磁鐵

基本參數(shù)：??電阻 R=16Ω；電感（1kHz）L=13.37mH。

2. 實(shí)驗(yàn)電路

使用?低價(jià)電阻箱 - 阻值測試^[8]?作為 R1，用于動(dòng)態(tài)調(diào)整 R1。在面包板上將實(shí)驗(yàn)電路搭建起來。

▲ 實(shí)驗(yàn)電路

選擇 VCC 為 12V 電壓。測量單片機(jī)發(fā)送的 PWM 波形以及 T1 集電極電壓波形如下，大體驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)電路工作正常。

▲ 單片機(jī)發(fā)送的 PWM 波形以及 T1 集電極電壓波形

3. 測試數(shù)據(jù)

(1) 測試購買的電磁鐵

設(shè)置 R1= 0 歐姆：

▲ HALL 輸出與 PWM 設(shè)置之間的關(guān)系

R1=10 歐姆

▲ HALL 輸出與 PWM 設(shè)置之間的關(guān)系

設(shè)置 R= 100 歐姆

▲ HALL 輸出與 PWM 設(shè)置之間的關(guān)系

▲ 不同的 R1 對應(yīng)的 PWM 與 HALL 取值之間的曲線

02 理論分析

1. 分析假設(shè)

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

2. 電流變化以及平均值

根據(jù)前面的假設(shè)，電流的變化曲線如下圖所示。

▲ 電感中的電流變化曲線

(1) 計(jì)算穩(wěn)態(tài)下電流波動(dòng)的峰值:

平均電流：

如果反饋續(xù)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(jīng)的電流與占空比之間就是線性關(guān)系。

3. 數(shù)值仿真結(jié)果

根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)中的條件，確定比較符合實(shí)際實(shí)驗(yàn)的一些參數(shù)：

工作電源：Vcc=12V

電感等效串聯(lián)直流電阻：RL=16Ω

電感電感量：L1=13.37mH

PWM 周期：T1=1/fpwm=29.26us

續(xù)流串聯(lián)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(guān)系

結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)和理論仿真分析，對于普通的電磁鐵使用單管驅(qū)動(dòng)時(shí)，在續(xù)流電阻接近為 0 的時(shí)候，流經(jīng)的電流大小與單管的占空比成正比。

通過在續(xù)流二極管增加串聯(lián)電阻，將會(huì)改變原來的線性關(guān)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(shí)候上升增加。

存在的疑問：那么為什么在有些設(shè)計(jì)中會(huì)在這兒增加串聯(lián)電阻？比如別人下面的設(shè)計(jì)中：

▲ 一種簡易的磁懸浮小玩意兒

參考資料

[1]線性霍爾:?https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107100857
[2]磁懸浮地球儀拆解:?https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107389196
[3]20ETF06S:?https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/99296/IRF/20ETF06S.html
[4]線性 HALL 3503:?https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/55096/ALLEGRO/3503.html
[5]集成兩路 MAX1169 的 STC8G1K08 模塊，帶有兩路 PWM 出:?https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107532306
[6]使用 STC8H1K28 控制微型磁懸浮:?https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107226078
[7]電磁鐵:?https://detail.tmall.com/item.htm?id=600997611114&spm=a1z09.2.0.0.34ba2e8dqvkxlu&_u=nnvskcdb822
[8]低價(jià)電阻箱 - 阻值測試:?https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107112157