CN102934179A - 包含位置控制部件的电磁致动器及使用这种致动器的方法 - Google Patents

Abstract

一种具有处理单元（2）的电磁致动器（100），该处理单元（2）设计成作用于在致动线圈（3）的端子上生成控制电压（U_pwm）的控制部件（20）上。该处理单元（2）包含存储供压时段（t_on）期间的第一导数（di₁/dt_on）的第一存储部件（M1）；存储非供压时段（t_off)期间的第二导数（di₂/dt_off）的第二存储部件（M2）；以及计算部件（23）。所述计算部件（23）相继地取决于电源总线电压（U_bus）、第一和第二导数（di₁/dt_on，di₂/dt_off）确定第一计算系数（A）；和基于操作位置（x）、第一计算系数（A）和电流（I）之间的第一相关性确定操作位置（x）。

Description

包含位置控制部件的电磁致动器及使用这种致动器的方法

技术领域

本发明涉及具有处理单元的电磁致动器，该处理单元设计成作用在生成PWM型的调幅控制电压的控制部件上。该致动器包含与控制部件连接的至少一个致动线圈、测量流入致动线圈中的电流的部件和计算电流的微分值的微分部件。

本发明还涉及确定如上所述的电磁致动器的操作位置的方法。

背景技术

知道电磁致动器的某些操作参数使所述致动器的最佳操作能够得到保证。电磁致动器的操作与它的使用条件有关。某些外部条件尤其取决于要致动的装备单元的性质和/或数量、和/或使用致动器的温度条件和/或所述致动器的供压范围。其他内部条件尤其取决于致动器的老化状态。当在使用过程中能够改变操作条件时，知道闭合和/或打开速度可能是有用的。然后，知道可动衔铁的位置和/或速度使励磁线圈中的电流的值能够得到调整，以便使可动部分对固定部分的冲击力最小，和/或优化在闭合阶段或保持阶段消耗的电流的数量。

某些解决方案的关键在于使用使致动器的操作参数的值能够被知道的附加传感器。例如，某些解决方案使用位置和/或速度传感器。但是，考虑到可用的空间很小以及与例如高温有关的或多或少恶劣环境，传感器的使用有时是复杂的。

文献FR2745913描述了一种不使用附加传感器地测量电磁铁的可动铁芯的位置的方法。位置测量是通过测量电压和流入这个电磁铁的励磁线圈中的电流进行的。但是，在这种方法中，假设了当磁路处在打开位置上和处在闭合位置上时磁路的电感是恒定的，即，尤其假设了磁路在闭合位置上是饱和的。但是，在接触器或接触器-电路断路器型的许多开关单元中，磁路在闭合位置上是不完全饱和的，以便充分利用磁路的性能。因此，闭合位置上的电感不是恒定的，而是随流入励磁线圈中的电流大幅度地变化。这就是为什么这样的方法那么不适用的原因。

如文献FR2835061、US5424637所述的其他解决方案也描述了不使用附加传感器地测量电磁铁的可动衔铁的位置的方法。这些解决方案使用电压和励磁线圈中的电流的测量值来确定可动衔铁的位置。

文献US5424637描述了通过充分使用电学、机械和磁学（力）方程估计位置的方法。那样必须知道系统的所有电学、机械和磁学参数。但是，未考虑到尤其与磨损有关的机械参数的修正，这降低了估计的精度。

文献US5481187使操作位置能够根据磁通关于电流的微分（D(flux)Di）计算出来。但是，由于磁通的变化也取决于饱和程度，因此只使用此公式难以精确确定位置。

文献EP1069284、FR2835061描述了通过电感值确定电磁铁的衔铁的位置的方法。关键在于按照如下公式进行电感的计算：

$L=\frac{\∫U-\mathrm{RI}}{I}$

然后位置表能够提供一方面电流I和电感L的计算或测量值与另一方面衔铁的位置之间的相关性。这种方法尽管在理论上是令人满意的，但存在几方面缺点。事实上取决于积分运算的电感L的计算在每次程序循环时都使某种累积误差增大。例如，电感值的5%误差在计算位置时可以导致20到30%的误差。但是，当将像PWM型那样的调幅电压供应给线圈时，在这种情况下存在控制电压的生成与测量系统之间的失配。PWM型的传统调制在包含在20到40KHz之间的频率上进行。与这样的频率相对应的循环时间包含在50μs到25μs之间。那样1%的精度意味着小于1微秒的测量。常用于这种类型的应用的处理单元的工作频率是大约100μs。因此，考虑到处理单元的工作时间周期远大于PWM调制的循环时间的事实，那样难以在这些条件下对施加于线圈的电压进行精确测量。为了缓解后一个问题，必须使用包含更快微控制器的处理单元，但一般说来，对于这种类型的应用太昂贵了。在计算时使用线圈的电阻值使得可以定期地进行这个参数的测量。事实上温度对后者的影响很大。

发明内容

因此，本发明的目的是弥补现有技术的不足，并提出了包含精确位置控制部件的电磁致动器。

按照本发明的电磁致动器的处理单元包含致动线圈的供压时段期间电流的第一微分值的第一存储部件、和所述线圈的非供压时段期间电流的第二微分值的第二存储部件。该处理单元包含计算部件，以相继地取决于电源总线电压、和电流的第一和第二微分值确定第一计算系数，和根据操作位置、第一计算系数和电流的值之间的第一相关性确定电磁致动器的操作位置。

按照一个优选实施例，该第一和第二存储部件与控制部件连接，以便使第一和第二微分值的存储操作分别与致动线圈的供压时段和非供压时段同步。

操作位置、第一计算系数和电流的值之间的第一相关性优选地通过建立特定方程来表示。

操作位置、第一计算系数和电流的值之间的第一相关性通过按照第一计算系数和电流值给出操作位置的第一表面曲线来表示。

该处理单元优选地包含以一个或多个方程的形式存储第一曲线的存储部件。

该处理单元优选地包含以数据表的形式存储第一曲线的存储部件，该数据表包含致动器的操作位置、第一计算系数和电流的多个值。

按照本发明的一种发展模式，该处理单元包含从参考电流和/或参考电压中测量致动线圈的总电阻的部件。该单元进一步包含根据第一计算系数、线圈的总电阻、第二微分值和电流确定第二计算系数的计算部件；和从操作速度、第二计算系数、和在恒定电流上电感关于运动的偏微分值之间的第二相关性中确定电磁致动器的操作速度的计算部件。

恒定电流上电感关于操作位置的偏微分与操作位置和电流之间的第二相关性通过第二表面曲线来表示。

该处理单元优选地包含以数据表的形式存储第二曲线的存储部件，该数据表包含给出恒定电流上电感关于操作位置的偏微分相对操作位置和电流之间的对应关系的多个操作点。

按照本发明的方法在于测量流入致动线圈中的电流，计算电流的微分值，存储致动线圈的供压时段期间电流的第一微分值，存储所述线圈的非供压时段期间电流的第二微分值，确定取决于电源总线电压、和电流的第一和第二微分值的第一计算系数，以及从操作位置、第一计算系数和电流的值之间的第一相关性中确定电磁致动器的操作位置。

按照本发明的一种发展模式，该方法在于从参考电流和/或参考电压中测量致动线圈的总电阻，确定取决于第一计算系数、线圈的总电阻、第二微分值和电流的第二计算系数，以及从操作速度、第二计算系数、和在恒定电流上电感关于运动的偏微分值之间的第二相关性中确定电磁致动器的操作速度。

附图说明

本发明的其他优点和特征可以从只是为了非限制性示范的目的给出和表示在附图中的本发明特定实施例的如下描述中更清楚地看出，在附图中：

图1代表按照本发明实施例的电磁致动器的示意图；

图2代表按照图1的电磁致动器的处理部件的图形；

图3示出了代表电磁致动器的空气隙与所述致动器的第一计算系数和线圈中的电流之间的关系的第一表面曲线；以及

图4示出了代表恒定电流上电感关于操作位置的偏微分与操作位置和电流之间的关系的第二表面曲线。

具体实施方式

按照第一优选实施例，电磁致动器100包含设计成作用在至少一个致动线圈3上的处理部件2。作为如图1所表示的示范性实施例，电磁致动器100包含具有固定磁轭11和可动衔铁12的磁路1。可动衔铁12被装配在固定磁轭11中。可动衔铁12和固定磁轭11因此形成存在可变空气隙的可变形磁路。所述可动衔铁12可在打开位置K1与闭合位置K2之间移动。

将DC电源总线电压U_bus供应给处理部件。处理部件2包含生成PWM型的调幅控制电压U_PWM的控制部件20。作为一个示范性实施例，控制部件20经由控制晶体管T1与致动线圈3连接。控制晶体管T1经由它的基极接受电压脉冲发生器21的命令。作为一个示范性实施例，脉冲发生器21在称为供给时段T_on的时段期间发送供应给致动线圈3的一系列脉冲。供给时段T_on与称为非供给时段T_off的时段交替。供给时段T_on与非供给时段T_off之间的循环频率等于40kHz。相应循环时间等于25μs。

处理部件2进一步包含测量流入致动线圈3中的电流I的部件。该测量部件尤其可以包含与致动线圈3串联的分路器24。授权连续测量电流的分路器24与连续计算电流I的微分值di/dt的微分部件25连接。

按照本发明的一个优选实施例，处理单元2包含电流I的微分值di/dt的存储部件M1、M2。

第一存储部件M1被设计成存储致动线圈3的供压时段t_on期间电流I的第一微分值di₁/dt_on。第二存储部件M2被设计成存储所述致动线圈3的非供压时段t_off期间电流的第二微分值di₂/dt_off。

第一和第二存储部件M1、M2与控制部件20连接，且它们各自的操作与PWM型的脉冲发生器21同步。换句话说，在时间T记录的每个第一微分值di₁/dt_on接着被在时间T+T_off记录的另一个第一值取代，且在时间T记录的每个第二微分值di₂/dt_off接着被在时间T+T_on记录的另一个第二值取代。因此第一和第二微分值di₁/dt_on、di₂/dt_off的第一和第二存储部件分别与致动线圈3的供压和非供压时段t_on、t_off同步。

处理部件2包含取决于电源总线电压U_bus和电流的第一和第二微分值di₁/dt_on、di₂/dt_off确定第一计算系数A的计算部件23。第一计算系数A从如下方程（1）中计算：

（1） $A=\frac{U_{\mathrm{bus}}}{\frac{{\mathrm{di}}_1}{{\mathrm{dt}}_{\mathrm{on}}}-\frac{{\mathrm{di}}_2}{{\mathrm{dt}}_{\mathrm{off}}}},$

其中U_bus是处理部件2的电源总线电压。

这个第一计算系数A被周期性地，尤其按照处理部件2的工作频率确定。为了示范目的，处理部件包含具有微处理器μC的计算部件23，该微处理器μC具有等于10kHz的工作频率，即，等于100μs的相应循环时间。

处理部件2包含从操作位置x、第一计算系数A和电流I的值之间的第一相关性中确定电磁致动器100的操作位置x。操作位置x、第一计算系数A和电流I的值之间的第一相关性通过如图3所表示给出操作位置x与第一计算系数A和电流I的值之间的关系的第一表面曲线10表示。

处理单元2包含以数据表的形式存储第一表面曲线10的存储部件22，该数据表包含致动器的操作位置x、第一计算系数A和电流I的值的多个值。

第一计算系数A事实上是直接取决于电感L和电流I的变量。第一计算系数A的值事实上可以以如下方程（2）的形式表达：

（2） $A={L+I.\frac{\∂L}{\∂i}|}_x.$

已知电感L和在恒定操作位置x上电感L关于电流I的偏微分取决于致动器的操作位置x和线圈的电流I，因此第一计算系数A是取决于操作位置x和电流I的变量。

为了确定第一计算系数A的值、操作位置x和电流I之间的对应关系，有两种方法可以计算操作点的表格。

第一方法在于使用尤其像通过有限元方法建模那样的计算机建模软件。这种方法意味着要完全知道致动器的设计参数，尤其不同部分的几何形状、和它们像磁导率那样的磁性。这种解决方案使得可以针对给定操作点（空气隙和线圈电流）获取磁学（感应、磁通）、机械（力）和电学（电感）变量。从这些变量中，可以重构电感的偏微分与电流和/或操作位置x的变化之间的关系。如下表1所表示，那样可以获得给出第一计算系数A、操作位置x和电流I之间的对应关系的操作点的表格。

通过搜索点和内插，那样可以计算给出第一计算系数A、电流I和操作位置x之间的对应关系的操作点的表格。如下表2所表示，操作位置值x与第一计算系数A和电流I的值相联系：

按照第一方法的一个改进实施例，操作位置x、第一计算系数A和电流I的值之间的第一相关性通过建立特定方程来表示。这些方程是从“内插”上述表格的计算软件中获得的。处理单元2那样可以包含以一个或多个方程的形式存储第一曲线10的存储部件22。

第二方法在于使用尤其基于磁阻图的分析的解析方法。这种解决方案需要对将操作位置与电流和电感相联系的方程作相当复杂的定义。电磁型的致动器事实上的确存在许多泄漏和饱和现象。

处理部件2包含取决于第一计算系数A、线圈的总电阻R、第二微分值di₂/dt_off和电流I确定第二计算系数B的计算部件23。第二计算系数B从如下方程（3）中计算：

（3） $B=\frac{-\mathrm{RI}-A.\frac{{\mathrm{di}}_2}{{\mathrm{dt}}_{\mathrm{off}}}}{I},$

其中R是从参考电流Iref和/或参考电压Uref中计算的致动线圈3的电阻。

这个第二计算系数B被周期性地，尤其按照处理部件2的工作频率确定。

处理部件2包含从操作速度V、第二计算系数B、和在恒定电流上电感关于操作位置x的偏微分之间的第二相关性中确定电磁致动器100的操作速度V的计算部件23。

恒定电流上电感L关于操作位置x的偏微分与操作位置x和电流之间的相关性通过如图4所表示的第二表面曲线9来表示。

该处理单元2包含以数据表的形式存储第二表面曲线9的存储部件22，该数据表包含恒定电流上电感L关于操作位置x的偏微分与操作位置x和电流I的多个值。

第二计算系数B事实上是测量值，是直接取决于速度V和恒定电流上电感L关于操作位置x的偏微分的变量。第二计算系数B可以写成如下方程（4）的形式：

（4） $B=\frac{{\frac{\∂L}{\∂x}|}_I}{v}.$

在上面的方程（4）中，可以计算速度V的值。该速度可以表达成如下方程（5）的形式：

（5） $v=\frac{{\frac{\∂L}{\∂x}|}_I}{B}.$

一种方法在于使用尤其像通过有限元方法建模那样的计算机建模软件。这种方法意味着要完全知道致动器的设计参数，尤其不同部分的几何形状、和它们像磁导率那样的磁性。这种解决方案使得可以针对给定操作点（空气隙和线圈电流）获取磁学（感应、磁通）、机械（力）和电学（电感）变量。从这些变量中，可以重构电感的偏微分与电流和/或操作位置x的变化之间的关系。如下表3所表示，那样可以获得给出恒定电流上电感L关于运动的偏微分与位置x和电流I之间的对应关系的操作点的表格。

当已知恒定电流上电感L关于操作位置x的偏微分的值和第二计算系数B的值时，可以从方程（5）中确定速度值。

按照本发明的一个实施例，与处理单元2连接和受处理单元2控制的控制部件20向致动线圈3输送将致动器钳位在计算操作位置x和/或速度V上的电流。

本发明还涉及如上所述按照本发明的实施例确定电磁致动器100的操作位置x的方法。

按照第一操作模式，该方法在于：

-测量流入致动线圈3中的电流I；

-计算电流I的微分值di/dt；

-存储致动线圈3的供压时段t_on期间电流的第一微分值di₁/dt_on；

-存储所述线圈的非供压时段t_off期间电流的第二微分值di₂/dt_off；

-确定取决于电源总线电压U_bus、以及第一和第二电流微分值di₁/dt_on、di₂/dt_off的第一计算系数A；以及

-从操作位置x、第一计算系数A和电流I的值之间的第一相关性中确定电磁致动器100的操作位置x。

按照一种具体操作模式，该方法在于：

-从参考电流Iref和/或参考电压Uref中测量致动线圈3的总电阻R；

-取决于第一计算系数A、线圈的总电阻R、第二微分值di₂/dt_off和电流I确定第二计算系数B；以及

-从操作速度V、第二计算系数B、和在恒定电流上电感L关于运动x的偏微分值之间的第二相关性中确定电磁致动器100的操作速度V。

Claims (11)

1.一种具有处理单元（2）的电磁致动器（100），该处理单元（2）设计成作用在生成PWM型的调幅控制电压（U_pwm）的控制部件（21）上，该致动器包含：

-与控制部件（20）连接的至少一个致动线圈（3）；

-测量流入致动线圈（3）中的电流（I）的部件；

-计算电流（I）的微分值（di/dt）的微分部件（25）；

该致动器的特征在于，该处理单元（2）包含：

-致动线圈（3）的供压时段（t_on）期间电流的第一微分值（di₁/dt_on）的第一存储部件（M1）；

-所述线圈（3）的非供压时段（t_off）期间电流的第二微分值（di₂/dt_off）的第二存储部件（M2）；

计算部件（23），用于相继地：

-取决于电源总线电压（U_bus）、和电流的第一和第二微分值（di₁/dt_on，di₂/dt_off）确定第一计算系数（A）；和

-从操作位置（x）、第一计算系数（A）和电流（I）的值之间的第一相关性中确定电磁致动器（100）的操作位置（x）。

2.按照权利要求1所述的电磁致动器，其特征在于，该第一和第二存储部件（M1、M2）与控制部件（20）连接，以便使第一和第二微分值（di₁/dt_on，di₂/dt_off）的存储操作分别与致动线圈（3）的供压时段（t_on）和非供压时段（t_off）同步。

3.按照权利要求1或2所述的电磁致动器，其特征在于，操作位置（x）、第一计算系数（A）和电流（I）的值之间的第一相关性通过建立特定方程来表示。

4.按照权利要求1或2所述的电磁致动器，其特征在于，操作位置（x）、第一计算系数（A）和电流（I）的值之间的第一相关性通过第一表面曲线（10）来表示，所述第一表面曲线（10）给出了操作位置（x）与第一计算系数（A）和电流（I）的值之间的关系。

5.按照权利要求4所述的电磁致动器，其特征在于，该处理单元（2）包含以一个或多个方程的形式存储第一曲线（10）的存储部件（22）。

6.按照权利要求4所述的电磁致动器，其特征在于，该处理单元（2）包含以数据表的形式存储第一曲线（10）的存储部件（22），该数据表包含致动器的操作位置（x）、第一计算系数（A）和电流（I）的值的多个值。

7.按照前面权利要求的任何一项所述的电磁致动器，其特征在于，该处理单元包含：

-从参考电流（Iref）和/或参考电压（Uref）中测量致动线圈（3）的总电阻（R）的部件；

-计算部件（23），用于相继地：

-取决于第一计算系数（A）、线圈的总电阻（R）、第二微分值（di₂/dt_off）和电流（I）确定第二计算系数（B）；和

-从操作速度（V）、第二计算系数（B）、和在恒定电流上电感（L）关于运动（x）的偏微分值之间的第二相关性中确定电磁致动器（100）的操作速度（V）。

8.按照权利要求7所述的电磁致动器，其特征在于，恒定电流上电感关于操作位置（x）的偏微分与操作位置（x）和电流（I）之间的第二相关性通过第二表面曲线（9）来表示。

9.按照权利要求8所述的电磁致动器，其特征在于，该处理单元（2）包含以数据表的形式存储第二表面曲线（9）的存储部件（22），该数据表包含给出恒定电流上电感（L）关于操作位置（x）的偏微分与操作位置（x）和电流（I）之间的对应关系的多个操作点。

10.一种确定按照前面权利要求所述的电磁致动器（100）的操作位置（x）的方法，该致动器包含：

-设计成作用在生成PWM型的调幅控制电压（U_pwm）的控制部件（20）上的处理单元（2）；

-与控制部件（21）连接的至少一个致动线圈（3）；

-测量流入致动线圈（3）中的电流（I）的部件（24）；以及

-计算电流的微分值（di/dt）的微分部件（25），

该方法的特征在于包含：

-测量流入致动线圈（3）中的电流（I）；

-计算电流（I）的微分值（di/dt）；

-存储致动线圈（3）的供压时段（t_on）期间的第一微分值（di₁/dt_on）；

-存储所述线圈的非供压时段（t_off）期间的第二微分值（di₂/dt_off）；

-确定取决于电源总线电压（U_bus）、以及第一和第二电流微分值（di₁/dt_on，di₂/dt_off）的第一计算系数（A）；

-从操作位置（x）、第一计算系数（A）和电流（I）的值之间的第一相关性中确定电磁致动器（100）的操作位置（x）。

11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于包含：

-从参考电流（Iref）和/或参考电压（Uref）中测量致动线圈（3）的总电阻（R）；

-取决于第一计算系数（A）、线圈的总电阻（R）、第二微分值（di₂/dt_off）和电流（I）确定第二计算系数（B）；以及

-从操作速度（V）、第二计算系数（B）、和在恒定电流上电感（L）关于运动（x）的偏微分值之间的第二相关性中确定电磁致动器（100）的操作速度（V）。

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