CN104154297A - 一种电磁阀阵列节能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁阀阵列节能控制系统，包括驱动器阵列、可变相位脉冲发生器、供电母线滤波器以及能量回收系统。可变相位脉冲发生器产生控制脉冲，通过驱动器阵列驱动电磁阀阵列中各电磁阀绕组的吸合与断开；可变相位脉冲发生器根据各电磁阀绕组的工作状态实时调整控制脉冲相位，实现对节能控制系统的移相滤波；当驱动器阵列关断时，能量回收系统将电磁阀阵列中储存的电磁能转换为电流反馈给电磁阀阵列；供电母线的电压经母线滤波器滤波后输出给电磁阀阵列。该系统节能效果明显，极大地提高了电磁阀的寿命和工作可靠性；同时该系统实现了实时移相滤波控制，降低了多个电磁阀同时工作时对于供电系统造成的影响，使系统具备良好的电磁兼容性。

Description

一种电磁阀阵列节能控制系统

技术领域

本发明涉及一种电磁阀阵列节能控制系统，属于电磁阀节能控制领域。

背景技术

电磁阀是自动化仪表中执行器内的一大分支，由于和其它执行器相比具有明显的特点，因此在农业、石油化工业、运输业、航天航空业、旅游业以及生活设施等各个方面均获得了广泛的应用。在航空航天领域内，电磁阀更是火箭(导弹)控制系统中执行机构不可或缺的部件之一，主要用于姿态动力装置控制等场合。用于姿控动力装置的电磁阀具有电感量大、串联电阻小等特点。目前的大多数设计中均采用开关控制，即将电源母线通过开关接到电磁阀上，当需要电磁阀开通时，则打开开关，当需要电磁阀关断时，则直接关闭开关。这种控制方法具有以下的缺点：1、电磁阀发热量大，由于电磁阀线圈的内阻很小，一般只有几欧姆到十几欧姆，因此当电压稳定后，电磁阀会流过1A～10A左右的电流，这会导致电磁阀线圈温度急剧升高，从而大大的缩短了电磁阀的寿命，并降低了可靠性，且会对设备其它温度敏感器件造成极大的影响。2、对于需要多个电磁阀同时工作的场合，由于每个电磁阀的功耗均达到了30～60w左右，因此这种情况对供电能源提出了极高的要求，且会造成能源的极大浪费。

目前并无专门的电磁阀节能控制方法。有时为了避免电磁阀工作时过热而造成损坏，设计上采用了在电磁阀绕组上串联限流电阻的方式来降低电磁阀功耗，从而抑制电磁阀过热。该方法间接的达到了节能的目的。但该方法节能效果不明显，存在器件(限流电阻)选取困难等缺点，最重要的是由于串联电阻上会流过与电磁阀绕组上一样的电流，该部分功耗将完全以热能的方式散发到设备中，从而造成设备整体温升过高。例如以绕组内阻为10Ω，工作标称电压为28V的电磁阀而言，如果需要将绕组电流降为原来的50％，则需要在线路中串入10Ω电阻。于是电磁阀绕组电流由2.8A降为1.4A，从而达到了降低电磁阀绕组功耗的目的。间接的也将整个系统的功耗降低了50％。但是外部串联电阻上的功耗将达到惊人的1.4²×10＝19.6W,且不论如此大功耗的电阻体积巨大、难以选取，如果系统中有20个此类电磁阀同时工作，则仅在电阻上消耗的功率即将近400W，再加上电磁阀的功率400W，总共将近1000W的功耗将完全以热量的方式散布在设备中。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种电磁阀阵列节能控制系统，该系统节能效果明显，极大地提高了电磁阀的寿命和工作可靠性；同时该系统实现了实时移相滤波控制，降低了多个电磁阀同时工作时对于供电系统造成的影响，使系统具备良好的电磁兼容性。

本发明的技术方案是：一种电磁阀阵列节能控制系统，包括可变相位脉冲发生器、供电母线滤波器、驱动器阵列以及能量回收系统；

可变相位脉冲发生器产生控制脉冲，通过驱动器阵列驱动电磁阀阵列中各电磁阀绕组的吸合与断开；电磁阀阵列将各电磁阀绕组的工作状态反馈到可变相位脉冲发生器，可变相位脉冲发生器根据反馈信息实时调整控制脉冲相位，实现对电磁阀阵列节能控制系统的移相滤波；当驱动器阵列关断时，能量回收系统接收电磁阀阵列中储存的电磁能，并将该电磁能转换为电流反馈给电磁阀阵列，使电磁阀阵列中的各电磁阀绕组保持正常吸合；供电母线的电压经母线滤波器滤波后输出给电磁阀阵列，为电磁阀阵列提供稳定的供电电源。

所述可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲满足以下条件：

(a)当可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲为固定占空比为50％的变频方波脉冲时，控制脉冲的频率f及占空比γ满足：

$f=\frac{R}{2L\×\ln \frac{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)}{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)-2\mathrm{\α}{I}_J}}$

γ＝50％

I_J∈[0～I_X/2]

(b)当可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲为占空比可变的矩形脉冲时，控制脉冲的频率f及占空比γ满足:

$f=\frac{1}{\frac{L}{R}\×[\ln \frac{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)}{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)-2\mathrm{\α}{I}_J)}+\ln \frac{(1+\mathrm{\α})}{(1-\mathrm{\α})}]}$

$\mathrm{\γ}=100\×\frac{\ln \frac{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)}{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)-2\mathrm{\α}{I}_J)}}{\ln \frac{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)}{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)-2\mathrm{\α}{I}_J}+\ln \frac{(1+\mathrm{\α})}{(1-\mathrm{\α})}}\%$

I_J∈[0～I_X]

其中L为电磁阀绕组线圈的电感量；R为电磁阀绕组线圈的内阻；α为电磁阀绕组处于节能工作状态时要求的电流纹波系数；I_X为电磁阀吸合所需要的电流值，VB_OUT为电磁阀绕组线圈供电母线电压；I_J为电磁阀绕组进入节能工作状态时线圈上电流的有效值。

所述驱动器阵列包括N路组成相同的驱动器；其中第k路驱动器包括信号驱动器N₁、光电耦和器U₁、电阻R₁、电阻R₂以及增强型MOS管M₁；

光电耦和器U₁是由发光管和光敏三极管封装在一起的集成电路；信号驱动器N₁的输入端接可变相位脉冲发生器输出的第k路控制脉冲，信号驱动器N₁的输出端接光电耦和器U₁中发光管的阴极，光电耦和器U₁中发光管的阳极接电源VDD；光电耦和器U₁中光敏三极管的集电极接电源VCC，发射极与电阻R₁一端相连；电阻R₁另一端一方面通过电阻R₂接地，另一方面与增强型MOS管M₁的栅极相连；增强型MOS管M₁的漏极为第k路驱动器的输出端，同时与电磁阀阵列中的第k路电磁阀绕组相连，增强型MOS管M₁的源极接地；

其中N等于电磁阀阵列中电磁阀绕组的个数，k∈[1,N]。

所述能量回收系统包括N路电路；其中第p路电路包括电磁阀阵列中的第p路电磁阀绕组、二极管D₁和电阻R₃；

二极管D₁阳极与驱动器阵列中第p路驱动器的输出端相连，二极管D₁阴极与电阻R₃的一端相连，电阻R₃的另一端与供电母线滤波器的输出端相连，第p路电磁阀绕组与二极管D₁与电阻R₃串联后的电路并联；

N等于电磁阀阵列中电磁阀绕组的个数，p∈[1,N]。

所述电阻R₃满足：

(1)当可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲为固定占空比为50％的变频方波脉冲时：

$R_3=2f\×L\×\ln \left(\frac{1+\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}\right)-R$

其中L为电磁阀绕组线圈的电感量；α为电磁阀绕组线圈上电流纹波系数；f为可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲频率；R为电磁阀绕组线圈的内阻；

(2)当采用占空比可变的矩形脉冲作为控制脉冲时：

R₃＝0。

所述供电母线滤波器包括电感L1和电容C1；电感L1一端与电源母线+B相连，另一端作为供电母线滤波器的输出端，另一端同时通过电容C1接地。

所述供电母线滤波器中电感L1和第二电容C1的取值分别为：

$L1=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2\mathrm{\πf}{I}_X}$

$C1=\frac{100I_X}{2\mathrm{\πf}{V}_{\mathrm{dc}}}$

其中V_dc为电磁阀绕组供电母线电压；I_X为电磁阀吸合所需要的电流值，等于电磁阀吸合所需要的电流值；f为可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲频率。

所述可变相位脉冲发生器根据反馈信息实时调整控制脉冲相位，实现对电磁阀阵列节能控制系统的移相滤波的实现方式为：

当有M个电磁阀同时工作时,可变相位脉冲发生器产生的各路控制脉冲的相位差Δφ满足：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{M}$

其中M为自然数。

本发明与现有技术相比的技术效果是：

(1)本发明根据电磁阀线圈特性选取相应的开关频率及占空比，并利用特殊的电路拓扑形式收集电磁阀线圈释放的能量并加以利用，节能至少75％以上。以上述中使电磁阀绕组电流降低50％为例，采用外部串联电阻的方式，整个系统节能50％，而采用本发明则节能达到75％。因此本发明节能效果更明显，不仅极大地降低了设备温升，提高了电磁阀的寿命和工作可靠性，并且极大的减轻了为电磁阀提供能源的压力以及对其它温度敏感器件的影响。

(2)本发明利用实时移相滤波控制技术将传导发射及辐射发射控制在标准要求范围内，从而避免了对其它设备的传导干扰和辐射干扰。

(3)本发明利用实时移相滤波控制技术，极大地降低了多个电磁阀同时工作时对于供电系统的造成的影响，使整个系统具备良好的电磁兼容性。

(4)采用本发明的控制方法，设备体积小，且可根据实际情况随意调节节能百分比。

附图说明

图1为本发明电磁阀阵列节能控制系统组成框图；

图2为控制脉冲工作状态示意图；

图3为本发明驱动器阵列中第k路驱动器原理图；

图4为本发明能量回收利用系统中第p路电路原理图；

图5为本发明母线滤波器原理图；

图6为本发明可变相位控制脉冲产生电路框图；

图7为本发明参考脉冲产生逻辑框图；

图8为本发明通道相位偏差单元计算逻辑；

图9为本发明第k路脉冲通道相位计算逻辑；

图10为本发明参考脉冲上升沿相位计数器和下降沿相位计数器；

图11为本发明第k路脉冲通道脉冲产生逻辑。

具体实施方式

电磁阀节能控制系统节能控制原理为：

(1)前提

根据常用电磁阀(螺旋管式电磁铁)的吸力公式

$F=62.8{\left(\mathrm{IW}\right)}^2[\frac{{\mathrm{\πr}}^2}{{\mathrm{\δ}}^2}+\frac{g}{u_0{(z/l_c)}^2}]\×{10}^{-8}---\left(1\right)$

可以看到，在电磁阀吸合后，只需微小的电流即可保持电磁阀的正常吸合状态。根据使用时对吸合力F的需要，可确定电磁阀吸合后的节能工作电流I。一般情况下吸合后的节能工作电流I取吸合时绕组稳态工作电流I_X的1/2～1/4。此即为节能控制的前提。

式中：I为电磁阀吸合后的节能工作电流(单位为A)；W为电磁阀绕组线圈匝数；r为铁芯半径(单位为cm)；δ为气隙长度(单位为cm)；g为单位长度漏磁导(H)；l_c为与铁芯平行的磁路高度(单位为cm)；u₀为真空导磁系数，0.4π×10^-8(单位为H/cm)；z为铁芯长度(单位为cm)。

(2)实现原理

电感(此处电磁阀绕组即等效为电感)在线圈通电时会储存能量(L为电磁阀绕组线圈的电感量，I₁为流过电磁阀绕组线圈的电流)。如果能实时的将线圈储存的电磁能转化为电磁阀吸合能量，则可以达到节能的目的。

本发明利用续流二极管达到了电磁阀储存能量的再利用，并利用脉冲控制方式实现电磁阀绕组能量储存—利用—再储存—再利用的循环利用模式。

由电感线圈充电公式： $i=I_X+(i_{0-}-I_X)\×e^{-\frac{t1}{{\mathrm{\τ}}_1}}$ 可以得到：

$i\≈i_{0-}+(I_X-i_{0-})\×\frac{t1}{{\mathrm{\τ}}_1}$ (要求τ₁＞＞t1)       (2)

由电感线圈放电公式：可以得到：

$i\≈i_{0+}-i_{0+}\×\frac{t2}{{\mathrm{\τ}}_2}$ (要求τ₂＞＞t2)        (3)

上式中，i为电感线圈电流的瞬时值；i₀₊为电磁阀绕组线圈放电周期初始电流值；i_0-为电磁阀绕组线圈充电周期初始电流值；t1为电磁阀绕组线圈电流充电时间(单位为s)；t2为电磁阀绕组线圈电流放电时间(单位为s)；τ₁为电磁阀绕组电流充电时间常数(单位为s)，该常数由电磁阀绕组的特性唯一决定；τ₂为电磁阀绕组电流放电时间常数(单位为s),该常数由电磁阀绕组的特性及能量回收利用电路共同决定。

当电磁阀绕组充放电达到平衡时： $i\≈i_{0+}-i_{0+}\×\frac{t2}{{\mathrm{\τ}}_2}=i_{0-},$ 显然当t1、t2＜＜τ₁时，可忽略不计，此时i_0-≈i₀₊≈I_J,此即为电磁阀节能工作电流，当考虑的影响时，即得到节能工作时的电流纹波系数α以及电磁阀绕组进入节能工作状态时线圈上电流的有效值I_J:

$\mathrm{\α}=\frac{i_{0+}-i_{0-}}{i_{0+}+i_{0-}}=\frac{i_{0+}-i_{0+}(1-\frac{t2}{{\mathrm{\τ}}_2})}{i_{0+}+i_{0+}(1-\frac{t2}{{\mathrm{\τ}}_2})}=\frac{t2}{2{\mathrm{\τ}}_2-t2}---\left(4\right)$

$I_J=\frac{i_{0+}+i_{0-}}{2}=\frac{2t1\×{\mathrm{\τ}}_2-t1\×t2}{2(t1\×{\mathrm{\τ}}_2+t2\×{\mathrm{\τ}}_1-t1\×t2)}{I}_X---\left(5\right)$

a、当采用占空比为50％的变频方波脉冲作为控制脉冲时，式(4)、(5)可简化为：

$\mathrm{\α}=\frac{T}{4{\mathrm{\τ}}_2-T}\≈\frac{T}{4{\mathrm{\τ}}_2}$ (当T＜＜τ₂时)            (6)

$I_J=\frac{4\×{\mathrm{\τ}}_2-T}{4({\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2)-2T}{I}_X\≈\frac{{\mathrm{\τ}}_2}{{\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2}{I}_X$ (当T＜＜τ₂时)       (7)

式中T为占空比为50％的变频方波脉冲周期，其余符号含义见上文。

由式(6)、(7)可以看出通过调整电磁阀绕组放电时间常数(即调整电阻R₃的值可以达到调整电磁阀节能电流I_J的大小；当放电时间常数确定后，通过调整控制脉冲周期(即调整增强型MOS管M₁开关频率)可控制电磁阀绕组上电流的纹波系数。

b、当采用采占空比可变的矩形波脉冲作为控制脉冲时，式(4)、(5)可简化为：

$\mathrm{\α}=\frac{t2}{2\mathrm{\τ}-t2}\≈\frac{t2}{2\mathrm{\τ}}$ (当t2＜＜τ时)          (8)

$I_J=\frac{2t1\×\mathrm{\τ}-t1\×t2}{2(t1\×\mathrm{\τ}+t2\×\mathrm{\τ}-t1\×t2)}{I}_X\≈\frac{t1}{t1+t2}{I}_X=\frac{t1}{T}{I}_X$ (当t₁、t₂＜＜τ时)(9)

此种控制方法中，电阻R₃的阻值为零，于是电磁阀绕组的充、放电时间常数 ${\mathrm{\τ}}_1={\mathrm{\τ}}_2=\mathrm{\τ}=\frac{L}{R}.$

由式(8)、(9)可以看出通过调整电磁阀绕组放电时间(即增强型MOS管M₁关断时间)即可控制电磁阀绕组上电流的纹波系数；通过调整控制脉冲占空比即可调整电磁阀节能工作电流I_J的大小。

但是，还存在另外一个问题，以采用占空比为50％的可变频率方波控制脉冲为例，结合图3、4、5可知，当电磁阀阵列处于节能工作状态时，每个电磁阀控制单元将周期性的从母线电源上吸取的电流大小为：

$i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{I}_J\×(1-\mathrm{\α})+K\×t& t=0~T/2\\ 0& t=T/2~T\end{array}\right.---\left(10\right)$

当电磁阀阵列中有N个电磁阀绕组同时工作且控制脉冲同相位时，则供电母线的周期性电流为：

公式中各符号含义见上文,其中T为占空比为50％的变频方波脉冲周期。

显然，如果不采取任何措施时，供电母线上产生的脉冲电流至少为I_J×(1-α+α×T)(N＝1)，忽略极小项α和α×T，则其脉冲电流约为I_J,且随着同时工作电磁阀的增多而线性增大为NI_J，这将对同一母线上其他设备造成巨大传导干扰，并向外辐射出强烈的电磁波。因此，在电磁阀节能控制系统设计时还要考虑电磁阀节能控制系统的移相滤波。

基于上述原理，本发明提出的电磁阀阵列节能控制系统包括可变相位脉冲发生器、供电母线滤波器、驱动器阵列以及能量回收利用系统四部分，其中可变相位脉冲发生器和能量回收系统结合电磁阀阵列共同构成了移相滤波器。移相滤波器充分利用了分时导通原理，使宏观上同时处于节能工作状态的各个电磁阀绕组线圈在微观上分时处于导通及关断状态，这样保证了因各电磁阀绕组通断造成的母线电流波动始终处于互相抵消而不是互相叠加的状态，从而达到了滤波的目的。如图1所示。

可变相位脉冲发生器产生N路控制脉冲，通过驱动器阵列中的N路驱动电路驱动电磁阀阵列中N路电磁阀绕组的吸合与断开；电磁阀阵列将各电磁阀绕组的工作状态反馈到可变相位脉冲发生器，可变相位脉冲发生器根据反馈信息实时调整每一路的控制脉冲相位，实现对电磁阀阵列节能控制系统的移相滤波；当驱动器关断时，能量回收系统接收电磁阀阵列中储存的电磁能，并将该电磁能转换为电流反馈给电磁阀阵列，使电磁阀阵列中的各电磁阀绕组保持正常吸合；供电母线的电压经母线滤波器滤波后输出给电磁阀阵列，为电磁阀阵列提供稳定的供电电源。N为自然数。

可变相位控制脉冲发生器可由DSP、单片机或FPGA来实现。本实施例中可变相位控制脉冲发生器采用FPGA实现，主要由以下逻辑单元组成：参考脉冲产生逻辑、各通道脉冲相位计算逻辑以及各通道脉冲产生逻辑。

控制脉冲根据电磁阀的工作状态分为非工作状态、初始工作状态以及节能工作状态。如图2所示：

当电磁阀处于非工作状态时，控制脉冲输出保持低电平，其时间长度T1根据工作需要而定。

当电磁阀处于初始工作状态时，控制脉冲输出保持高电平，其时间长度

$T2=[4~8]\frac{L}{R}$

其中L为电磁阀绕组线圈的电感量；R为电磁阀绕组线圈的内阻。

当电磁阀处于节能工作状态时，控制脉冲的频率f和占空比γ如下面所述，其时间长度T3根据工作需要而定。

当电磁阀处于节能工作状态时，可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲的频率f及占空比γ满足：

(a)当可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲为固定占空比为50％的变频方波脉冲时：

$f=\frac{R}{2L\×\ln \frac{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)}{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)-2\mathrm{\α}{I}_J}}$

γ＝50％

I_J∈[0～I_X/2]

(b)当可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲为占空比可变的矩形脉冲时:

$f=\frac{1}{\frac{L}{R}\×[\ln \frac{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)}{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)-2\mathrm{\α}{I}_J)}+\ln \frac{(1+\mathrm{\α})}{(1-\mathrm{\α})}]}$

$\mathrm{\γ}=100\×\frac{\ln \frac{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)}{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)-2\mathrm{\α}{I}_J)}}{\ln \frac{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)}{(1-\mathrm{\α})\×(I_X-I_J)-2\mathrm{\α}{I}_J}+\ln \frac{(1+\mathrm{\α})}{(1-\mathrm{\α})}}\%$

I_J∈[0～I_X]

其中L为电磁阀绕组线圈的电感量；R为电磁阀绕组线圈的内阻；α为电磁阀绕组线圈处于节能工作状态时要求的电流纹波系数；I_X为电磁阀吸合所需要的电流值，VB_OUT为电磁阀绕组线圈供电母线电压，该电压为电磁阀工作标称电压；I_J为电磁阀绕组进入节能工作状态时线圈上电流的有效值,可根据需要在区间中选择。

电磁阀绕组在节能工作状态时工作电流有效值IJ的确定：

通常电磁阀绕组在节能工作状态时工作电流有效值I_J取吸合电流 $\frac{1}{4}{I}_X~\frac{1}{2}{I}_X.$

当时，节能75％。当时，节能87.5％。

如图3所示，驱动器阵列包括N路组成相同的驱动器，其中第k路驱动器均包括信号驱动器N₁、光电耦和器U₁、电阻R₁、电阻R₂以及增强型MOS管M₁；

光电耦和器U₁是由发光管和光敏三极管封装在一起的集成电路；信号驱动器N₁的输入端接可变相位脉冲发生器输出的第k路控制脉冲，信号驱动器N₁的输出端接光电耦和器U₁中发光管的阴极，光电耦和器U₁中发光管的阳极接电源VDD；光电耦和器U₁中光敏三极管的集电极接电源VCC，发射极与电阻R₁一端相连；电阻R₁另一端一方面通过电阻R₂接地，另一方面与增强型MOS管M₁的栅极相连；增强型MOS管M₁的漏极与电磁阀阵列中的第k路电磁阀绕组相连，源极接地；其中N等于电磁阀阵列中电磁阀绕组的个数，k∈[1,N]。

驱动器阵列中的光电耦合器为可选器件，当系统对控制电源与驱动电源有隔离要求时，该器件是必须的，反之，则信号驱动器N₁可通过串联电阻R₁直接与增强型MOS管M₁的栅极相连。

如图4所示，能量回收系统包括N路电路；其中第p路电路包括电磁阀阵列中的第p路电磁阀绕组、二极管D₁和电阻R₃；

二极管D₁和电阻R₃串联后与第p路电磁阀绕组并联。二极管D₁阳极与第p路电磁阀绕组一端相连后与驱动器阵列中第p路驱动器的增强型MOS管M₁的漏极相连，电阻R₃与第p路电磁阀绕组的另一端相连后与供电母线滤波器的输出相连。p∈[1,N]。

(1)当可变相位脉冲发生器产生的每一路控制脉冲为固定占空比为50％的变频方波脉冲时：

$R_3=2f\×L\×\ln \left(\frac{1+\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}\right)-R$

其中L为电磁阀绕组线圈的电感量；α为电磁阀绕组处于节能工作状态时要求的电流纹波系数；f为可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲频率；R为电磁阀绕组线圈的内阻；

(2)当采用占空比可变的矩形脉冲作为控制脉冲时：

R₃＝0。

如图5所示，供电母线滤波器包括电感L1和电容C1。电感L1一端与电源母线+B相连，另一端一方面作为供电母线滤波器的输出端，另一方面与电容C1串联，电容C1的另一端接电源地。

供电母线滤波器中电感L1和电容C1的取值分别为：

$L1=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2\mathrm{\πf}{I}_X}$

$C1=\frac{100I_X}{2\mathrm{\πf}{V}_{\mathrm{dc}}}$

其中V_dc为电磁阀绕组供电母线电压；f为可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲频率。

可变相位脉冲发生器电路框图如图6所示，由图7所示参考脉冲产生逻辑、图8所示各通道脉冲相位计算逻辑以及各通道脉冲产生逻辑组成。

参考脉冲产生逻辑根据输入的脉冲周期低电平宽度参数pwm_low_width和脉冲周期参数pwm_period来产生参考脉冲pulse_ref，该pulse_ref脉冲周期为pwm_period个时钟周期，且每个脉冲周期内处于低电平状态的时间宽度为pwm_low_width个时钟周期。在图7所示参考脉冲产生逻辑中，寄存器1用于寄存参考脉冲周期的当前计数值。当ref_counter>＝pwm_period–1条件成立时，寄存器1寄存输出0，否则，寄存器1寄存输出ref_counter+1，从而实现参考脉冲周期的计数功能，计数范围为[0,pwm_period–1]。当ref_counter>＝pwm_low_width条件成立时，寄存器2寄存输出1；否则，寄存器2寄存输出0，从而产生pwm参考脉冲pulse_ref。

各通道脉冲相位计算逻辑由图8所示通道相位偏差单元计算逻辑以及图9随时脉冲相位计算逻辑组成。

在图8所示的通道相位偏差单元计算逻辑中，加法器1对输入信号channel_sel[N:1]进行按位求和计算，输出channel_sel按位求和值channel_sel_sum。除法器1执行对被除数pwm_period进行除以channel_sel_sum的操作，除法器输出通道相位偏差phase_adj。

在图9所示的通道相位计算逻辑中，以第k路脉冲为例说明自动调整相位计算过程：加法器2对输入信号channel_sel[k-1:1]进行按位求和计算，计算出第k路脉冲通道在全部使能脉冲通道的编号channel_sel_idx_k，乘法器执行对channel_sel_idx_k执行乘以通道相位偏差phase_adj的操作，从而计算出第k路脉冲通道的自动调整相位channel_phase[k]。

各通道控制脉冲产生逻辑，由图10所示各通道共享的参考脉冲上升沿相位计数器和下降沿相位计数器以及图11所示各通道独立的脉冲产生逻辑组成。

各通道控制脉冲产生逻辑依据参考脉冲pulse_ref、各通道脉冲自动调整相位channel_phase[N:1]以及通道脉冲产生使能控制channel_sel[N:1]来产生各通道控制脉冲输出pwm_pulse[N:1]。

在图10所示各通道共享的参考脉冲上升沿相位计数器和下降沿相位计数器中，寄存器3对参考脉冲进行延迟一拍处理，并输出信号pulse_ref_dly。通过非门1、与门1、非门2和与门2提取参考脉冲的上升沿时刻以及下降沿时刻，并分别用于对累加器1和累加器2的同步复位端口驱动。累加器1和累加器2在各自复位端口有效时，执行累加器清零操作，否则，在每个时钟上升沿处执行加1操作，并输出相应计数值rise_edge_cnt和fall_edge_cnt。

各通道独立的脉冲产生逻辑是相同的，下面以就图11，第k路脉冲为例，说明脉冲产生过程。定时器1实现第k路电磁阀开启时间定时，定时时间长度由所选电磁阀的工作参数决定。当channel_sel[k]为0时，寄存器3驱动输出的第k路通道脉冲输出pwm_pulse[k]值为0，否则，寄存器3输入由二选一复用器5的Q端驱动，二选一复用器5选择端由switch_on_cnt_k<T2逻辑控制，当电磁阀开启定时器当前值小于预定工作参数T2时，pwm_pulse[i]寄存输出‘1’。当电磁阀开启定时器当前值大于或等于预定工作参数时，若channel_phase[k]＝fall_edge_cnt条件成立时，pwm_pulse[i]寄存输出‘0’；若channel_phase[k]＝rise_edge_cnt条件成立时，pwm_pulse[i]寄存输出‘1’；若上述两个条件均不成立时，pwm_pulse[k]输出保持不变。

本发明为了减少多个电磁阀同时工作的影响，电磁阀阵列将各电磁阀绕组的工作状态反馈到可变相位脉冲发生器，可变相位脉冲发生器根据反馈信息实时调整控制脉冲相位，实现对电磁阀阵列节能控制系统的移相滤波(实时移相滤波控制技术)即相位均分、实时移相控制技术避免了上述问题的产生。

(1)当有2P(P为不小于1的正整数)个电磁阀同时工作时,各路控制脉冲的相位差满足：

$\mathrm{\&Delta;\&phi;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{P}$

进行移相后，母线电流变为：

$i_1=\underset{m=1}{\overset{2N}{\mathrm{\&Sigma;}}}i{\left(t\right)}_n=P\&times;I_J\&times;(1-\mathrm{\&alpha;})+\frac{(P-1)}{4}K\&times;T+\mathrm{NK}\&times;t,t=0~T/2P---\left(12\right)$

式(12)中：P×I_J×(1-α)和均为直流量，唯一的交流量为PK×t，当t＝0时，该项为零，当t取最大值时，该项为2I_J×α。当电磁阀阵列中有2P个电磁阀同时工作时，母线电流纹波最大仅为2I_J×α(该电流与P的取值无关)，与单路电磁阀绕组上纹波电流峰峰值大小相等，但其频率随着电磁阀开通的数量的增加而线性增加，这大大降低了电磁阀供电母线低通滤波器的设计难度。另外我们在设计控制脉冲发生器过程中，将电磁阀绕组电流纹波作为设计输入要求之一，一般要求纹波系数α＝0.001～0.01之间。以一般电磁阀绕组工作电流为2A计算，经过移相滤波后，母线上的电流波动仅为4mA～40mA。其插入损耗可表示为显然采用移相滤波技术后，随着电磁阀阵列中同时工作电磁阀的数量增加，其插入损耗越大，滤波效果越好。

(2)当有2P+1(P为不小于1的正整数)个电磁阀同时工作时,各路控制脉冲的相位差满足：

$\mathrm{\&Delta;\&phi;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{2P+1}---\left(13\right)$

由于是奇数个电磁阀同时工作，因此存在电流由PI_J变化为(P+1)I_J的电流波动，即母线上存在的脉冲电流约为I_J，其周期为而采取移相滤波前的脉冲电流为(2P+1)I_J。显然随着参与工作的电磁阀数量增加，该滤波措施越有效(显然单个电磁阀工作是P＝0的一种特殊工作情况，此时母线脉冲电流约为I_J，其周期为T)。显然该脉冲电流频率随着电磁阀开通的数量的增加而线性增加。这大大降低了电磁阀母线低通滤波器的设计难度。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种电磁阀阵列节能控制系统，其特征在于：包括可变相位脉冲发生器、供电母线滤波器、驱动器阵列以及能量回收系统；

可变相位脉冲发生器产生控制脉冲，通过驱动器阵列驱动电磁阀阵列中各电磁阀绕组的吸合与断开；电磁阀阵列将各电磁阀绕组的工作状态反馈到可变相位脉冲发生器，可变相位脉冲发生器根据反馈信息实时调整控制脉冲相位，实现对电磁阀阵列节能控制系统的移相滤波；当驱动器阵列关断时，能量回收系统接收电磁阀阵列中储存的电磁能，并将该电磁能转换为电流反馈给电磁阀阵列，使电磁阀阵列中的各电磁阀绕组保持正常吸合；供电母线的电压经母线滤波器滤波后输出给电磁阀阵列，为电磁阀阵列提供稳定的供电电源。

2.根据权利要求1所述的一种电磁阀阵列节能控制系统，其特征在于：所述可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲满足以下条件：

(a)当可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲为固定占空比为50％的变频方波脉冲时，控制脉冲的频率f及占空比γ满足：

$f=\frac{R}{2L\&times;\ln \frac{(1-\mathrm{\&alpha;})\&times;(I_X-I_J)}{(1-\mathrm{\&alpha;})\&times;(I_X-I_J)-2\mathrm{\&alpha;}{I}_J}}$

γ＝50％

I_J∈[0～I_X/2]

(b)当可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲为占空比可变的矩形脉冲时，控制脉冲的频率f及占空比γ满足:

$f=\frac{1}{\frac{L}{R}\&times;[\ln \frac{(1-\mathrm{\&alpha;})\&times;(I_X-I_J)}{(1-\mathrm{\&alpha;})\&times;(I_X-I_J)-2\mathrm{\&alpha;}{I}_J)}+\ln \frac{(1+\mathrm{\&alpha;})}{(1-\mathrm{\&alpha;})}]}$

$\mathrm{\&gamma;}=100\&times;\frac{\ln \frac{(1-\mathrm{\&alpha;})\&times;(I_X-I_J)}{(1-\mathrm{\&alpha;})\&times;(I_X-I_J)-2\mathrm{\&alpha;}{I}_J)}}{\ln \frac{(1-\mathrm{\&alpha;})\&times;(I_X-I_J)}{(1-\mathrm{\&alpha;})\&times;(I_X-I_J)-2\mathrm{\&alpha;}{I}_J}+\ln \frac{(1+\mathrm{\&alpha;})}{(1-\mathrm{\&alpha;})}}\%$

I_J∈[0～I_X]

其中L为电磁阀绕组线圈的电感量；R为电磁阀绕组线圈的内阻；α为电磁阀绕组处于节能工作状态时要求的电流纹波系数；I_X为电磁阀吸合所需要的电流值，VB_OUT为电磁阀绕组线圈供电母线电压；I_J为电磁阀绕组进入节能工作状态时线圈上电流的有效值。

3.根据权利要求1所述的一种电磁阀阵列节能控制系统，其特征在于：所述驱动器阵列包括N路组成相同的驱动器；其中第k路驱动器包括信号驱动器N₁、光电耦和器U₁、电阻R₁、电阻R₂以及增强型MOS管M₁；

光电耦和器U₁是由发光管和光敏三极管封装在一起的集成电路；信号驱动器N₁的输入端接可变相位脉冲发生器输出的第k路控制脉冲，信号驱动器N₁的输出端接光电耦和器U₁中发光管的阴极，光电耦和器U₁中发光管的阳极接电源VDD；光电耦和器U₁中光敏三极管的集电极接电源VCC，发射极与电阻R₁一端相连；电阻R₁另一端一方面通过电阻R₂接地，另一方面与增强型MOS管M₁的栅极相连；增强型MOS管M₁的漏极为第k路驱动器的输出端，同时与电磁阀阵列中的第k路电磁阀绕组相连，增强型MOS管M₁的源极接地；

其中N等于电磁阀阵列中电磁阀绕组的个数，k∈[1,N]。

4.根据权利要求3所述的一种电磁阀阵列节能控制系统，其特征在于：所述能量回收系统包括N路电路；其中第p路电路包括电磁阀阵列中的第p路电磁阀绕组、二极管D₁和电阻R₃；

二极管D₁阳极与驱动器阵列中第p路驱动器的输出端相连，二极管D₁阴极与电阻R₃的一端相连，电阻R₃的另一端与供电母线滤波器的输出端相连，第p路电磁阀绕组与二极管D₁与电阻R₃串联后的电路并联；

N等于电磁阀阵列中电磁阀绕组的个数，p∈[1,N]。

5.根据权利要求4所述的一种电磁阀阵列节能控制系统，其特征在于：所述电阻R₃满足：

(1)当可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲为固定占空比为50％的变频方波脉冲时：

$R_3=2f\&times;L\&times;\ln \left(\frac{1+\mathrm{\&alpha;}}{1-\mathrm{\&alpha;}}\right)-R$

其中L为电磁阀绕组线圈的电感量；α为电磁阀绕组线圈上电流纹波系数；f为可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲频率；R为电磁阀绕组线圈的内阻；

(2)当采用占空比可变的矩形脉冲作为控制脉冲时：

R₃＝0。

6.根据权利要求1所述的一种电磁阀阵列节能控制系统，其特征在于：所述供电母线滤波器包括电感L1和电容C1；电感L1一端与电源母线+B相连，另一端作为供电母线滤波器的输出端，另一端同时通过电容C1接地。

7.根据权利要求6所述的一种电磁阀阵列节能控制系统，其特征在于：所述供电母线滤波器中电感L1和第二电容C1的取值分别为：

$L1=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2\mathrm{\&pi;f}{I}_X}$

$C1=\frac{100I_X}{2\mathrm{\&pi;f}{V}_{\mathrm{dc}}}$

其中V_dc为电磁阀绕组供电母线电压；I_X为电磁阀吸合所需要的电流值，等于电磁阀吸合所需要的电流值；f为可变相位脉冲发生器产生的控制脉冲频率。

8.根据权利要求1所述的一种电磁阀阵列节能控制系统，其特征在于：所述可变相位脉冲发生器根据反馈信息实时调整控制脉冲相位，实现对电磁阀阵列节能控制系统的移相滤波的实现方式为：

当有M个电磁阀同时工作时,可变相位脉冲发生器产生的各路控制脉冲的相位差Δφ满足：

$\mathrm{\&Delta;\&phi;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{M}$

其中M为自然数。