论文总字数：24783字

摘 要

电磁阀是自动化领域中常见的执行器件。在柴油机的高压共轨系统中，需要用到高性能的高速电磁阀。为测试和验证高速电磁阀的性能，本文设计了高速电磁阀测试平台的控制系统。

本文首先介绍了高速电磁阀的工作特性和工作原理，分析了高速电磁阀常见的驱动技术，讨论了高速电磁阀的驱动方案。经过分析，采用了Xilinx公司开发的Artix-7 FPGA芯片完成了这个控制电路的软件和硬件的设计，最后基于依元素公司的EGO1开发板进行了实物验证。

本文设计的程序可以根据所按的按钮的情况，输出所需的PWM脉宽调制电流。在程序编译通过之后，根据具体的开发板I/O接口分配引脚，完成整体的程序设计。在设计完成以后，建立了独立的仿真测试模块，对各个模块分别进行了测试。在测试成功之后，利用Vivado开发软件，生成相应的比特流文件，将文件下载到EGO1开发板上，进行了实物验证。最终，在示波器上看到了预期中的可调节的PWM调制电流。

关键词：高速电磁阀，FPGA，PWM

Abstract

Solenoid valve is a common actuator in the field of automation. In the high-pressure common rail system of diesel engine, high-performance high-speed solenoid valves are needed. In order to test and verify the performance of high-speed solenoid valve, the control system of high-speed solenoid valve test platform is designed in this paper.

Firstly, the working characteristics and working principle of high-speed solenoid valve are introduced, the drive circuit technology of high-speed solenoid valve is analyzed, and the driving scheme of high-speed solenoid valve is discussed. After analysis, the design of software and hardware of the control circuit is completed by using Artix-7 FPGA chip developed by Xilinx Company. Finally, the actual verification is carried out based on the EGO1 development board of E-Element Company.

The program designed in this paper can output the required PWM pulse width modulation current according to the push button. After compiling the program, pins are allocated according to the specific development board I/O interface to complete the overall program design. After the design is completed, an independent simulation test module is established, and each module is tested separately. After successful testing, Vivado is used to generate the corresponding bit stream files, which are downloaded to the EGO1 development board for physical verification. Finally, the expected adjustable PWM modulation current is seen on the oscilloscope.

KEY WORDS: High speed solenoid valve, FPGA, PWM

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 项目背景 1

1.1.1 电磁阀概述 1

1.1.2 汽车发动机中的电磁阀 1

1.2 国内外高速电磁阀研究概况 2

1.2.1 国外高速电磁阀研究概况 2

1.2.2 国内高速电磁阀研究概况 2

1.3 课题要求 3

1.4 本文研究内容 3

第二章 电磁阀控制系统设计方案 4

2.1 电磁阀电流特性 4

2.2 电磁阀驱动原理 4

2.3 控制器选择 6

2.3.1 专用集成电路 6

2.3.2 单片微控制器 7

2.3.3 DSP芯片 8

2.3.4 现场可编程门阵列 9

2.3.5 嵌入式开发处理器的选择 9

2.4 本章小结 10

第三章 电磁阀驱动电路设计 11

3.1 驱动电路开发板 11

3.2 基于Artix-7的电路结构设计 12

3.3 本章小结 14

第四章 基于Xilinx Artix-7 FPGA的软件设计 15

4.1 程序开发环境 15

4.2 编程语言 15

4.3 顶层模块设计 15

4.4 按键检测模块设计 17

4.5 电流等级计算模块 18

4.6 脉宽发生模块 22

4.7 显示模块 23

4.8 引脚约束文件 26

4.9 仿真与实验成果及分析 26

4.9.1 显示模块仿真设计 26

4.9.2 脉宽调制模块仿真测试 28

4.9.3 实验及分析 30

4.10 本章小结 31

结论 32

参考文献 33

致 谢 35

绪论

1.1 项目背景

1.1.1 电磁阀概述

大多数电磁阀由电磁部件和阀体组成。电磁部件包括固定铁芯、动铁芯、线圈等部件；阀体部分包括滑阀芯、滑阀套、弹簧底座等部件。^[1]在使用过程中，电磁阀的线圈随着要求断电或通电，产生的电磁力会使得阀门打开或者关断，达到开关的目的。具有结构紧凑、体积小、重量轻、密封良好、维护简便、可靠性高等优点。

利用电磁阀，可以方便地控制气体或者液体的方向，现如今，电磁阀在各个领域应用广泛。^[2]在石油化学行业，电磁阀可以适用于该领域中各种不同的气体、液体之间的开关控制，在安全保护系统中，电磁阀是必不可少的一部分；在船舶工业中电磁阀应用于各类装置，在船舶上的液压系统和空气调节系统中，电磁阀起到了巨大的作用^[3]；甚至在园林业，也有人正在利用电磁阀设计节水灌溉系统，希望利用这样的设备来帮助园林工人减小劳动强度；在汽车行业，电磁阀是电子控制燃油喷射技术、汽车制动防抱死系统（ABS）和电控液压驱动气门系统的核心装置，也是行业研究的重点。

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