CN100408400C - 利用致动器测量流体压力的方法和仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用致动器测量流体压力的方法和仪器。一种用于确定作用在致动器上的流体压力或压差的方法和仪器，其中，利用电磁可控的致动器(4)进行压力测量，并利用控制电路来控制阀致动器装置的位置或作用于阀致动元件上的力。

Description

利用致动器测量流体压力的方法和仪器

技术领域

本发明涉及一种用于确定流体压力或致动器上存在的压差的方法。

背景技术

EP 1 282 544 A1中公开：在机动车制动系统的ABS控制单元中以及具有附加功能例如ESP等的所谓驱动动力控制器中，使用压力传感器测量车轮制动器中的液压，上述压力传感器包括测量隔膜，从测量隔膜的变形可推断出存在的压差。

在大规模集成电子制动控制单元中附加设置压力传感器对所需的安装空间和控制单元的制造成本产生较大的不利影响。

发明内容

已经发现，通过这样一种用于确定流体压力或致动器上存在的压差的方法可克服上述缺点，其中，使用可适用于调节或控制液压的执行器(Aktor)-尤其是液压阀-来进行压力测量，所述方法的特征在于，采用电磁可驱动的致动器以进行压力测量，该致动器包括电磁装置，其中，通过致动励磁线圈可以移动机械致动元件，该致动器还包括用于打开和关闭致动器的阀致动器装置，其中，致动元件在阀致动器装置上施加机械力，以打开和/或关闭致动器，以及控制电路用于控制阀致动器装置的位置或磁力，其中优选地通过测量作用在致动元件上的磁力来电测量作用在阀致动器装置上的液压力，并由此确定流体管路中的压力和/或致动器中的压差。

使用执行器作为压力传感器是可行的，因为该装置致动执行器的机械部分的磁性部分受控于控制电路，该控制电路尤其是控制作用在机械部分上的力。这样就可以使用致动器而不用附加的压力传感器来进行压力测量。

术语“致动器”涉及用于调节流体流动的阀和滑阀。优选地，所使用的致动器是阀。优选的流体除了空气外还可以是任意适当的液压流体，尤其是与制动器一起应用的常规制动流体。

有利地，致动器具有完全打开和完全关闭的位置。根据致动器的类型-常开(SO-V)或常闭(SG-V)，阀致动器装置(例如阀挺杆)根据复位元件的动作采用这些位置中的一个。适当的复位元件优选是弹簧，该弹簧具有限定的力/行程特征曲线，根据本方法可通过线性方程近似该曲线。如下文所述，当作用在阀致动器装置上的力平衡的情况下，可以从可测的磁力中计算出致动器的开启冲程(阀致动器装置的位置)。

所述致动器包括电磁装置，其中，利用励磁线圈的致动可以移动机械致动元件。所述机械致动元件优选包括轴向可移动的、可磁化的衔铁，通过励磁线圈的磁场可以移动该衔铁。更具体地，该衔铁设置在阀罩内侧。

有利地可通过对感应电压的积分来确定根据本发明的方法控制的磁力或致动器的开启冲程。正如已经提到的，如果已知力/行程关系，则可对复位元件应用已知的力/行程方程来计算开启冲程中的磁力。

在磁路中致动器优选设有一个或多个附加的测量元件以确定磁通量，其中附加的测量元件尤其是测量线圈。

在新一代的液压控制单元中使用所谓的模拟开关阀。在本发明的方法中有利地使用的模拟开关阀是电流驱动的电磁阀，该电磁阀不仅设计用于完全打开或闭合，而且通过特定的电流调节操作和结构设计，使其具有模拟控制特性。

本发明的方法有利地使用于电动液压装置中，以用于机动车的制动控制。

将致动器的开启冲程调节到预定值有利于准确测量压力。为此，必须首先知道在不加压情况下相应的励磁电流。在这一方面应该注意，产品系列中的各个致动器将存在显著的差异，使得不易于以所需的精度等级来调节期望的电流。因此为阀使用例如与本方法相应的单独的特征曲线是适当的，这使得可以补偿至少机械公差，例如变化的弹簧弹力F_Feder和空气间隙的不同磁阻。

为此，可以使用已有的特征曲线或根据下列方法确定的特征曲线(无压力校准)。除了特征曲线，还可以使用特别是存储在运算单元内的参数或特征域。有利地，为了确定特征曲线优选执行下面称为无压力校准的程序，其中，建立一个或多个与致动器相关的特征曲线、特征域或致动器的参数KG_ind，从而利用这些参数限定流量G、励磁线圈中的电流强度I和存在的压差ΔP之间的关系。

优选在考虑致动器的开启冲程l和/或弹簧弹力F_Feder和/或磁阻的情况下执行校准操作。

有利地，在测量程序中考虑致动器的单独的磁性和机械参数KG_ind，这些参数在各特征曲线中主要用于表示由制造引起的偏差。致动器的较少由于制造而引起偏差的参数可通过附加的通用参数KG_all对产品系列进行一次性的确定并可永久存储在电子控制单元中。然后从单独的和通用的参数中可以计算出致动器的特征曲线并从而为致动器计算出响应压差的所需的驱动电流。

根据校准方法的一个有利的实施例，对磁路的总磁阻进行测量。普遍适用的是，使用与相应磁路的线圈的圈数N相关的电感L代替磁阻作为等效的物理量以相应的方式来实施本发明的方法。特别地，确定在完全打开和/或完全闭合的致动器位置的磁阻。在特别优选的方式中，在校准时确定最大的挺杆冲程和/或弹簧弹力。

优选地，致动器包括一个或多个附加的测量元件、尤其是测量线圈。测量线圈可以独立于驱动线圈进行电连接。但是根据优选实施例也可将测量线圈与驱动线圈串联地电连接。这样做是有利的，因为只需向外引出三条致动线路。

可以利用根据本发明的另一实施例设置在致动器区域内的测量元件来确定致动器的内部物理参数，并且在计算压力时考虑这些参数。

优选地，除了线圈之外所有对磁场有响应的传感器(例如霍耳传感器、MR传感器)原则上都可用作测量元件，只要其适合于感应有效的磁通量。然而由于能以低成本生产线圈，所以使用线圈尤其有利。

在确定的压差下，基于平衡方程F_Feder+F_hydraulik＝F_magn确定的所谓保持电流不对应于打开阀实际需要的具有足够精度等级的开启电流，这是因为开启电流由于流动效应总是比计算出的保持电流低一些。已显示，在保持电流特征曲线I_Halte(ΔP)的所需的压差范围中加入恒定的负电流补偿I_korr ^const可优选地确定更加精确的开启电流特征曲线

根据校准方法的一个优选实施例，以阀的阀开启电流代替保持电流作为基准。为此，特别利用修正项修正阀开启电流，在最简单的情况下该修正项是一恒定的电流补偿。除了所谓的开启电流修正之外，还可以并且优选地设置另一修正项，该修正项也考虑磁铁磁路对电流响应的影响。除了上述的磁修正之外，考虑到欧姆励磁线圈电阻，还可进行热量修正。

优选利用脉宽调制的电流(PWM)来致动驱动致动器的励磁线圈，并特别通过PWM致动的占空比确定线圈电阻。特别优选地，在计算各个单独的致动器中的参数KG_ind时考虑线圈电阻，以提高精度。

优选地，根据本方法确定致动器的磁路中感应电压的积分，以获得磁通量或磁力。根据本发明的方法的另一独立的实施例，利用具有特别直接的设计的所谓电子矩形波形成电路分别测量对线圈抽头或测量线圈抽头的积分。本方法涉及利用电测量仪器通过分析或调整作用在致动器的励磁线圈上感应的电压U_ind来确定至少一个感应致动器中的磁通量-可利用驱动器电致动，通过测量仪器或感应致动器或执行器元件的电子致动装置将应用于线圈的电压保持为基本恒定的值，并确定当接通或断开时流经感应元件和测量仪器的电流感应出电压的时间t₁。

附图说明

由从属权利要求和下面结合附图对实施例的说明中可得出其它优选的实施例。

在附图中：

图1是压力控制阀的液压元件的示意图；

图2是用于调节恒定的挺杆位置的控制电路的基本电路图；

图3是用于解释在阀内最窄位置的主要几何形状的示意图；以及

图4示出机动车制动控制设备的示意图。

具体实施方式

在图1中，阀挺杆1通过电磁装置(未示出)沿箭头7的方向轴向移动，以便将挺杆表面5密封地导入阀座3内。安装在阀座3上的弹簧2的力沿箭头8的方向(F_Feder)作用在阀挺杆1上。电磁装置沿箭头9的方向产生力分量F_magn。在通向制动轮缸的制动回路的范围内，压力表示成p₃。制动系统的产生压力的主缸(未示出)中的压力为p₁。箭头10表示作用在挺杆1上的液压力F_p的方向。

图1中的示意图用于解释在估计液压力时需考虑的影响因素。作用于阀挺杆上的力一方面是流动力F_Str，另一方面是压力F_p，所述流动力由于在最窄的截面A₂处的高速和所引起的导致阀沿F_Str axial的方向关闭的负压p₂而产生，所述压力由于流体压迫在挺杆上而产生并导致阀打开(在的p₁≥p₃情况下)。从Bernoulli方程推导出的常规公式可应用于流动力：

$Q={\mathrm{\α}}_D{A}_2\sqrt{2\frac{\left(\mathrm{\Δp}\right)}{\mathrm{\ρ}}}$

其中Q是体积流量，A₂是在最窄截面处的流通面积，α_D是流系数，Δp＝p₁-p₃是压差，ρ是制动流体的密度。

为简化起见，假设流量系数α_D≈[0.58...0.7]相对于开启冲程x相对恒定。

在忽略流动力的不稳定部分的情况下，流动力可表示为：

F_Str＝ρυ₂Q

其中υ₂是最窄位置处的流动速度。此外，Q＝A₂υ₂。从中得出流动力为：

F_Str＝2A₂α² _DΔp

只有该力的轴向分量作用在挺杆上。利用阀轴线和在最窄截面区域中的流量之间的夹角ε，轴向作用的流动力可定义为：

F_{Str_axial}＝F_str cosε

如图3中画出的模

型所示，利用正截锥形的外表面可以相当准确地定义最窄处的所谓的冲程隔膜的面积。满足下面的关系式：

其中l＝x sinε。

由于流经打开的阀的流体，所以产生附加的压力F_p，在p₃＜p₁的情况下该力的指向与流动力F_Str相反，但是在p₃＞p₁的情况下该力的指向与流动力F_Str相同。

压力与压力差成比例：

F_P＝α_korr＊A₁＊Δp

修正系数α_korr≤1表示压力朝向挺杆边缘减小。

弹力可通过公式表示

F_Feder＝D＊x。

从上述作用在挺杆上的力的平衡得出下列挺杆运动的微分方程：

$F_P-F_{\mathrm{Sir}\_\mathrm{axial}}=F_{\mathrm{magn}}-F_{\mathrm{Feder}}+m_{\mathrm{Si}\stackrel{\·\·}{o}\mathrm{\βel}+\mathrm{Anker}}\stackrel{\·\·}{x}$

图2示出用于根据本发明的挺杆冲程控制的可能的电路排布。X_soll表示挺杆位置的额定值。通过存储在控制器的内存中的参数定义X_soll的初始值。控制器12保持挺杆冲程x恒定。因此加速度为零。可以根据磁力来解微分方程并相应地带入各个力：

通过使用常数a和b还可更简单地表达该方程：

F_magn＝a＊Δp+b，

在该电路排布中，常数a和b仅依赖于几何形状、弹性常数和恒定调节的挺杆位置。

从磁力与磁通量的关系中能够得出磁通量：

$\mathrm{\Φ}=\sqrt{2{\mathrm{\μ}}_0{A}_{\mathrm{Anker}}(a*\mathrm{\Δp}+b)}$

根据下面说明的可选的计算方法还可进一步提高所确定压力的精度。

因此通过下文说明的利用对感应电压积分来测量磁通量可定性地确定越过阀的压差。

此外还应注意，为了计算精确的定量关系还需考虑下述的影响因素：

-在图1中标出的截面A₁可理解为第一流动隔膜，由此可将模型描述为两个隔膜的串联设置。然后可基于该模型计算出平均通流。

-在计算压降的修正项时可考虑所述第一隔膜A₁的压降。

为进一步说明本发明，简要说明下列数学关系式：

从

$F_{\mathrm{magn}}=\frac{1}{2*{\mathrm{\μ}}_0*A_{\mathrm{Anker}}}*{\mathrm{\Φ}}^2,$

可得出磁力，其中μ₀是磁导率常数(空气)、A_Anker是衔铁面积，Φ是磁通量。

按照下列公式计算磁通量：

$\mathrm{\Φ}=\frac{\mathrm{\Θ}}{R_{m,\mathrm{gesamt}}}$ 其中Θ＝I＊N，

其中I是线圈电流，N是阀线圈的圈数，R_m ^gesamt是阀中磁路的总磁阻。

此外满足：

$U_{\mathrm{ind}}=-N*\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}$ 以及 $\mathrm{\Φ}=-\frac{1}{N}\underset{0}{\overset{i}{\∫}}{U}_{\mathrm{ind}}\mathrm{dt}.$

图4示出用于客车制动器的电动液压控制装置，该装置包括具有微控制器系统的控制器壳体13(ECU)和连接到该壳体的阀组14(HCU)。在安装控制装置时，励磁线圈15滑过结合图1说明过的包括阀的阀罩16。控制器还包括用于以脉宽调制方式为每个阀分别调节并测量各个励磁线圈的电流I的控制电路。为此控制器13包括用于每个阀的可分别激励的PWM驱动器。测量仪器(未示出)设置在励磁线圈的接线端17上并用于测量感应电压U_ind(t)。

当断开励磁电流I时，阀线圈15中的磁通量Φ发生变化，这可通过线圈中感应电压U_ind的变化来测量。为此在测量仪器(未示出)中对感应电压U_ind的变化进行时间积分，并将该积分传送给控制器13的微控制器。该信号与由阀线圈产生的磁通量Φ成比例，从中能够根据上面给出的公式计算出压力。

上述说明涉及常开的阀。所述方法也可类似应用于常闭的阀。

Claims (11)

1. 用于确定流体压力或致动器上存在的压差的方法，其特征在于，采用电磁可驱动的致动器(4)以进行压力测量，该致动器

-包括电磁装置，其中，通过致动励磁线圈可以移动机械致动元件，以及

-包括用于打开和关闭致动器的阀致动器装置，

其中，致动元件在阀致动器装置(1)上施加机械力，以打开和/或关闭致动器，

以及控制电路用于控制阀致动器装置的位置或磁力，其中通过测量作用在致动元件上的磁力来电测量作用在阀致动器装置上的液压力，并由此确定流体管路中的压力和/或致动器中的压差。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述致动器安装在液压制动控制装置中，除了用作传感器元件外，该元件还用作执行压力控制的执行器元件。

3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，设置复位元件(2)以在励磁线圈未被激励时打开或关闭闭合元件，并且设置阀座(3)，用于打开或关闭致动器的闭合元件接合在该阀座中。

4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用事先确定的单个参数、特征曲线或特征域来确定用于定位阀致动器装置的电流。

5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述单个参数、特征曲线或特征域通过校准程序来确定，所述校准程序测量无压的状态下的所述致动器。

6. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定开启冲程l和/或弹簧弹力F_Feder和/或致动器的磁阻，以确定与致动器相关的参数、特征曲线或特征域。

7. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，执行校准程序，其中，除了在测量程序中获得的与致动器相关的参数KG_ind之外，还考虑与产品系列相关的通用参数KG_all。

8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在校准程序中在致动器完全打开和/或完全闭合的位置确定挺杆力和/或磁阻R_M。

9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从磁通量确定磁力。

10. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对励磁线圈由于电流改变而感应的电压进行测量并对其进行积分。

11. 包括至少一个用于控制压力的致动器的电动液压压力控制装置，其特征在于，采用设置成用于压力控制的致动器来测量压力，其中在所述压力控制装置中执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法。

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