CN105805392B - 一种提升高速开关电磁阀响应速度的pwm控制方法 - Google Patents

一种提升高速开关电磁阀响应速度的pwm控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种提升高速开关电磁阀响应速度的PWM控制方法，其特征在于：在高速开关电磁阀作为开关功能使用时，设置高速开关电磁阀的开关控制过程为三个阶段，包括：第一阶段：高速开关电磁阀处于开启状态至全开状态；第二阶段：高速开关电磁阀处于全开状态；第三阶段：高速开关电磁阀处于全开状态至关闭状态；并在不同阶段设置不同的PWM控制信号的频率和占空比。本发明可有效减小高速开关电磁阀的开启时延和关闭时延，提高高速开关电磁阀的响应速度，减小高速开关电磁阀维持阶段的电流，降低高速开关电磁阀的功耗。

Description

一种提升高速开关电磁阀响应速度的PWM控制方法
技术领域
本发明涉及一种高速开关电磁阀的驱动方法，具体地说是一种提升高速开关电磁阀响应速度的PWM控制方法。
背景技术
高速开关电磁阀的基本工作原理是基于外部输入脉宽调制(Pulse WidthModulation,PWM)控制信号控制阀内的电磁铁产生或消除电磁吸力，以带动阀芯进行往返运动的同时，使得阀口处于开或关状态，从而实现了阀口处液流的通断控制。
高速开关电磁阀的最重要特性是其切换阀口开关状态的高速响应能力，高速开关电磁阀的开启时间和关闭时间是反映其开关响应速度的重要指标，高速开关电磁阀的开启时间包括启动滞后时间和开启运动时间，关闭时间包括关闭滞后时间和关闭运动时间。
由于高速开关电磁阀中的线圈在通电后存在线圈电感，阻止开启阶段的电流上升和关闭阶段的电流下降过程，而高速开关电磁阀结构的参数主要包括线圈电阻、线圈匝数、弹簧刚度、初始工作气隙、阀芯质量、阀芯最大行程，对这些结构参数的适当调整可以适当缩短开启时间，但相应的关闭时间也延长，而且，对高速开关电磁阀的总开启时间效果改善甚微，还需要对高速开关电磁阀的设计参数进行修改，因此，实用性不强。
因而，提升高速开关电磁阀的响应速度，最简捷有效的方法是从高速开关电磁阀的PWM控制信号参数考虑，通过改变PWM控制信号的参数来提升高速开关电磁阀的响应速度。PWM控制信号参数包括电压、频率和占空比；相关研究表明，增大PWM控制信号的电压，虽然可以缩短总开启时间，却也较大幅度地延长了总关闭时间，而对于PWM控制信号的频率和占空比对高速开关阀响应速度的影响，目前相关研究很少。
发明内容
本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，提出一种提升高速开关电磁阀响应速度的PWM控制方法，以期能有效缩短高速开关电磁阀的开启时延和关闭时延，提高高速开关电磁阀的响应速度，减小高速开关电磁阀维持阶段的电流，从而降低高速开关电磁阀的功耗。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种提升高速开关电磁阀响应速度的PWM控制方法的特点是：在所述高速开关电磁阀作为开关功能使用时，设置所述高速开关电磁阀的开关控制过程为三个阶段，包括：
第一阶段：所述高速开关电磁阀处于开启状态至全开状态；
第二阶段：所述高速开关电磁阀处于全开状态；
第三阶段：所述高速开关电磁阀处于全开状态至关闭状态；
在所述第一阶段时，设置所述高速开关电磁阀的PWM控制信号的频率为开启频率fH，同时，设置所述高速开关电磁阀的占空比为开启占空比λH；
在所述第二阶段时，设置所述高速开关电磁阀的PWM控制信号的频率为维持频率fM；同时，设置所述高速开关电磁阀的占空比为维持占空比λM；
在所述第三阶段时，设置所述高速开关电磁阀的PWM控制信号的频率为关闭频率fL，同时，设置所述高速开关电磁阀的占空比为关闭占空比λL。
本发明所述PWM控制方法的特点也在于：
所述开启频率fH为0HZ，所述开启占空比λH为100％；
所述维持频率fM为所述高速开关电磁阀在正常工作频率范围内的最大频率值，所述维持占空比λM是通过压力增减试验方法确定其取值范围；
所述关闭频率fL为0HZ，所述关闭占空比λL为0。
所述压力增减试验方法是按如下步骤进行：
步骤1、将所述高速开关电磁阀接入电磁阀液压试验台系统，在所述高速开关电磁阀处于全开状态时，设置所述PWM控制信号的频率为所述维持频率fM，设置所述PWM控制信号的占空比为所述开启占空比λH；
步骤2、逐步减小所述PWM控制信号的占空比，并记录所述高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力变化情况，当所述高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始减小时，标记压力开始减小时刻所对应的PWM控制信号的占空比为λX1，并停止减小操作；
步骤3、逐步增大所述PWM控制信号的占空比，并记录所述高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力变化情况，当所述高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力维持不变时，标记压力开始维持时刻所对应的PWM控制信号的占空比为λX2，并停止增大操作；
步骤4、设定所述维持占空比λM的取值范围为(λX1,λX2]。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明通过调整PWM控制信号参数中的频率和占空比来提升高速开关电磁阀的开启阶段的响应速度，在高速开关电磁阀的第一阶段，PWM控制信号采用开启频率和开启占空比，产生了大电流以保证高速开关电磁阀快速打开，减小了高速开关电磁阀的开启时延，且不增大高速开关电磁阀的关闭时延。
2、本发明通过调整PWM控制信号参数中的频率和占空比来提升高速开关电磁阀的关闭阶段的响应速度并降低全开阶段的功耗，在高速开关电磁阀的第二阶段，PWM控制信号采用维持频率以降低维持电流、维持电磁力的波动幅度以及维持占空比，减小了高速开关电磁阀的关闭时延；采用维持占空比，产生了小电流以维持高速开关电磁阀的完全打开状态，降低了高速开关电磁阀的功耗和关闭时延。
3、本发明通过调整PWM控制信号参数中的频率和占空比来提升高速开关电磁阀的关闭阶段的响应速度，在高速开关电磁阀的第三阶段，PWM控制信号采用关闭频率和关闭占空比，切断了电流输出以保证高速开关电磁阀快速关闭，减小了高速开关电磁阀的关闭时延。
4、本发明通过调整PWM控制信号的参数实现了对高速开关电磁阀响应速度的提高和功耗的降低，无需改变高速开关电磁阀的结构设计参数，可操作性强，且适合不同类型和参数的高速开关电磁阀，适用范围广。
5、本发明通过调整PWM控制信号参数中的频率和占空比来提升高速开关电磁阀的响应速度，是提升高速开关电磁阀响应速度的最简捷有效方法，有效避免了通过提高电压来实现提高速开关电磁阀的响应速度，降低了高速开关电磁阀的硬件驱动电路成本，使驱动电路的功耗更低，适用于不同电压标准的系统，适应性更强。
附图说明
图1为本发明PWM控制信号图；
图2为用于本发明的电磁阀测试试验系统结构图；
图3为用于本发明的确定维持占空比λM取值范围的压力增减试验过程图。
图中标号：1液压泵；2PWM信号发生器；3电磁阀接口；4压力传感器；5计算机。
具体实施方式
本实施例中，一种提升高速开关电磁阀响应速度的控制方法，在高速开关电磁阀的开启阶段，采用频率为开启频率，占空比为开启占比的PWM控制信号快速打开高速开关电磁阀，减小了高速开关电磁阀的开启时延；在高速开关电磁阀的完全打开阶段，采用频率为维持频率，占空比为维持占比的PWM控制信号维持高速开关电磁阀的完全打开状态，降低了高速开关电磁阀的维持占空比、维持电流、维持电磁力的波动幅度，减小了高速开关电磁阀的功耗和关闭时延；在高速开关电磁阀的关闭阶段，采用频率为关闭频率，占空比为关闭占比的PWM控制信号快速关闭高速开关电磁阀，减小了高速开关电磁阀的关闭时延。
参阅图1，PWM控制信号的电压幅值V0为高速开关电磁阀所在系统的标准电压，在汽车上使用的高速开关电磁阀一般为直流12V电压驱动，工程车辆和商用车一般为直流24V电压驱动，本发明中PWM控制信号的电压幅值采用高速开关电磁阀所在系统的标准电压，无需通过升压电路产生高压，可有效降低高速开关电磁阀硬件驱动电路的成本。具体的说：
一种提升高速开关电磁阀响应速度的PWM控制方法，在高速开关电磁阀作为开关功能使用时，设置高速开关电磁阀的开关控制过程为三个阶段，包括：
第一阶段：高速开关电磁阀处于开启状态至全开状态，如图1中所示的t1-t2阶段，高速开关电磁阀在t1时刻开始开启，在t2时刻完全打开，也称之为高速开关电磁阀的开启阶段；
第二阶段：高速开关电磁阀处于全开状态，如图1中所示的t2-t3阶段，高速开关电磁阀在t2时刻完成开启后，处于完全打开状态直至t3时刻开始关闭，也称之为高速开关电磁阀的维持阶段；
第三阶段：高速开关电磁阀处于全开状态至关闭状态，如图1中所示的t3-t4阶段，高速开关电磁阀在t3时刻开始关闭，在t4时刻完全关闭，也称之为高速开关电磁阀的关闭阶段；
在第一阶段时，设置高速开关电磁阀的PWM控制信号的频率为开启频率fH，同时，设置高速开关电磁阀的占空比为开启占空比λH；
在第二阶段时，设置高速开关电磁阀的PWM控制信号的频率为维持频率fM；同时，设置高速开关电磁阀的占空比为维持占空比λM；
在第三阶段时，设置高速开关电磁阀的PWM控制信号的频率为关闭频率fL，同时，设置高速开关电磁阀的占空比为关闭占空比λL。
具体实施中，在高速开关电磁阀的开启阶段，高速开关电磁阀在t1时刻开始开启，PWM控制信号的开启频率fH为0HZ，开启占空比λH为100％，产生大电流以保证高速开关电磁阀快速打开，减小高速开关电磁阀的开启时延，在t2时刻完成启动；
在高速开关电磁阀的维持阶段，高速开关电磁阀在t2时刻完成开启后处于完全打开状态直至t3时刻开始关闭，在这一阶段，在维持高速开关电磁阀全开状态的前提下，应尽量地减小驱动维持电流以降低功耗，还应考虑如何减小高速开关电磁阀的关闭时延。
高速开关电磁阀存在工作的临界频率，一般约为200HZ，当PWM控制信号的频率小于或远小于临界频率时，高速开关电磁阀易出现周期性开启和关闭动态特性，高速开关电磁阀已很难在惯性作用下维持全开状态，需要的维持电磁力、维持电流、PWM控制信号的维持占空比均大幅增加，不利于高速开关电磁阀在完全开启阶段对PWM控制信号维持占空比的控制，因此PWM信号的驱动频率应大于高速开关电磁阀的临界频率。
由高速开关电磁阀的特性可知，当PWM控制信号的频率大于高速开关电磁阀工作的临界频率，且小于最大工作频率时，通过提高PWM控制信号的频率可以降低维持电流以及维持电磁力波动幅度，高速开关电磁阀在惯性作用下越容易维持全开状态，需要的维持电磁力减小，则需要的维持电流下降，PWM控制信号维持占空比下降，高速开关电磁阀关闭时延减小。
由于高速开关电磁阀都有一定的工作频率范围，选取PWM控制信号的维持频率fM为高速开关电磁阀在正常工作频率范围内的最大频率值，以降低维持电流、维持电磁力的波动幅度以及维持占空比λM，减小高速开关电磁阀的关闭时延，提升高速开关电磁阀的响应速度。
PWM控制信号的维持占空比λM是通过压力增减试验方法确定其取值范围；
通过采用维持占空比λM代替开启占空比λH，以小电流来维持高速开关电磁阀的完全打开状态，可降低高速开关电磁阀的功耗；而PWM控制信号的占空比从维持占空比λM减小至关闭占空比λL比开启占空比λH减小至关闭占空比λL所需时间要短，因而也在一定程度上降低了高速开关电磁阀的关闭时延。
高速开关电磁阀的关闭阶段，高速开关电磁阀在t3时刻开始关闭，在t4时刻完全关闭，为了减小关闭时延，需要迅速切断电流输出以保证高速开关电磁阀快速关闭，选取PWM控制信号的关闭频率fL为0HZ，关闭占空比λL为0。
PWM控制信号的占空比变化范围从维持占空比λM到关闭占空比λL，即：λM-λL，PWM控制信号的占空比变化范围从开启占空比λH到关闭占空比λL，即：λH-λL，由于λM-λL远小于λH-λL，PWM控制信号的占空比从维持占空比减小至关闭占空比过程中，高速开关电磁阀完成关闭所需要克服的电磁线圈的电感和反向电动势远小于PWM控制信号的占空比从开启占空比减小至关闭占空比过程，因而PWM控制信号的占空比从开启占空比减小至关闭占空比所用的时间远小于从维持占空比减小至关闭占空比所用的时间，有效地减小了高速开关电磁阀的关闭时延。
具体实施中，压力增减试验方法是按如下步骤进行：
步骤1、将高速开关电磁阀接入电磁阀液压试验台系统，在高速开关电磁阀处于全开状态时，由于高速开关电磁阀工作在正常工作频率范围内时，PWM控制信号的频率越大，维持高速开关电磁阀保持全开状态所需的维持占空比越小，设置PWM控制信号的频率为维持频率fM，以确保所确定的PWM控制信号的维持占空比λM最小，减小高速开关电磁阀的维持电流，降低高速开关电磁阀的功耗，设置PWM控制信号的占空比为开启占空比λH，以避免由于PWM控制信号的占空比设置过低而丢失PWM控制信号的维持占空比λM数据，提高压力增减方法的准确率；
步骤2、逐步减小PWM控制信号的占空比，并记录高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力变化情况，当高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始减小时，标记压力开始减小时刻所对应的PWM控制信号的占空比为λX1，并停止减小操作，此时高速开关电磁阀开始出现部分关闭，无法保持全开状态；
步骤3、逐步增大PWM控制信号的占空比，并记录高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力变化情况，当高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力维持不变时，标记压力开始维持时刻所对应的PWM控制信号的占空比为λX2，并停止增大操作，此时高速开关电磁阀开始进入全开状态；
步骤4、设定维持占空比λM的取值范围为(λX1,λX2]。
实施例：本实施例使用本发明的控制方法对某型号高速开关电磁阀进行驱动控制，该型号高速开关电磁阀参数如下：工作频率范围为200HZ～1KHZ，额定工作电压为12V，线圈匝数为526匝，动衔铁直径为9mm，初始气隙为2.2mm，非工作气隙为0.2mm。阀芯最大位移为1.0mm，运动质量为0.0045kg，线圈电阻为6欧姆，弹簧预压缩量为2.0mm，弹簧刚度为1300N·m-1，黏性阻尼系数为1.4N·m·s-1，液动力系数为0.005×2E6N·m-1，真空磁导率为4πE-7H·m-1，遮盖度为0.5mm。
如图2所示的电磁阀液压试验系统，其中1为液压泵，用于产生液压压力，2为PWM信号发生器，用于产生不同频率和占空比的PWM控制信号，3为电磁阀接口，用于接入高速开关电磁阀，4为压力传感器，用于检测液压系统的压力，5为计算机，用于记录压力传感器的压力变化过程，将该高速开关电磁阀接入电磁阀液压试验系统中的电磁阀接口2，设置液压泵产生2Mpa的液压压力。
首先测试高速开关电磁阀在正常PWM控制信号参数下的开启和关闭过程中的响应时间，采用PWM控制信号的频率为200HZ，占空比为90％，电压幅值为12V完成高速开关电磁阀的开启和维持，采用PWM控制信号的占空比为0完成高速开关电磁阀的关闭，计算机5记录高速开关电磁阀的压力变化和时间，得到高速开关电磁阀的开启时间为3.1ms，关闭时间为1.7ms，总的响应时间为3.1ms+1.7ms＝4.8ms。
下面按照本发明的PWM控制信号的设置方法进行高速开关电磁阀的开启、维持和关闭操作试验。
在第一阶段，即高速开关电磁阀的开启阶段，设置PWM信号发生器使之产生幅值为12V，开启频率fH为0HZ，开启占空比λH为100％的PWM控制信号，产生大电流完成高速开关电磁阀的迅速开启，计算机5记录试验系统的压力变化和开启时间，开启时间为2.9ms；
在第二阶段，即高速开关电磁阀的维持阶段，设置PWM信号发生器使之产生幅值为12V，频率分别为200HZ、500HZ、800HZ和1KHZ，占空比为100％的PWM控制信号，通过不断调整PWM控制信号的占空比，得到不同PWM控制信号频率下的维持占空比λM范围分别为：(79％,81％]、(62％,63％]、(58％,60％]和(53％,56％]。
以PWM控制信号频率为1KHZ为例说明该频率下的维持占空比范围确定过程，如图3所示，PWM控制信号的占空比从100％开始，此时高速开关电磁阀处于完全打开状态，电磁阀液压试验台系统的压力为2Mpa，以1％为单位(可根据不同电磁阀参数确定占空比减小的单位)逐步减小PWM控制信号的占空比，并通过计算机5记录高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力变化情况，当高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始减小时，标记压力开始减小时刻tx1所对应的PWM控制信号的占空比为53％，并停止减小操作，此时高速开关电磁阀开始出现部分关闭，无法保持全开状态；
以1％为单位逐步增大PWM控制信号的占空比，并通过计算机5记录高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力变化情况，当高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力维持不变时，标记压力开始维持时刻tx2所对应的PWM控制信号的占空比为56％，并停止增大操作，此时高速开关电磁阀才开始进入全开状态；
则设定维持占空比λM的取值范围为(53％,56％]，为提高高速开关电磁阀维持阶段的稳定性，选取维持占空比λM为56％。
由此可知，在高速开关电磁阀的正常工作频率范围内，PWM控制信号频率越大，所对应的维持占空比越小，相应的高速开关电磁阀电流越小，功耗越低，故选取PWM控制信号的维持频率fM为高速开关电磁阀在正常工作频率范围内的最大频率值，由于高速开关电磁阀的工作频率范围为200HZ～1KHZ，则选取维持频率fM为1KHZ。
则在PWM控制信号的维持频率fM为1KHZ时，所对应的PWM控制信号的维持占空比λM的取值范围为(53％,56％]，保证高速开关电磁阀以小电流、低功耗维持全开状态。
在第三阶段，即高速开关电磁阀的关闭阶段，设置PWM信号发生器使之产生幅值为12V，关闭频率fL为0HZ，关闭占空比λL为0的PWM控制信号，完成高速开关电磁阀快速关闭，由于PWM控制信号频率分别为200HZ、500HZ、800HZ和1KHZ对应的维持占空比范围λM分别为(79％,81％]、(62％,63％]、(58％,60％]和(53％,56％]，选取维持占空比λM分别为81％、63％、60％和56％，计算机5记录维持占空比λM分别为81％、63％、60％和56％的高速开关电磁阀关闭过程中试验系统的压力变化和关闭时间，关闭时间分别为1.65ms、1.44ms、1.3ms和1.2ms。
采用本发明的PWM信号控制方法驱动高速开关电磁阀完成开启、维持和关闭，开启时间为2.9ms，关闭时间为1.2ms，总的响应时间为2.9ms+1.2ms＝4.1ms，均小于正常PWM控制信号方法驱动的高速开关电磁阀的开启时间(3.1ms)和关闭时间(1.7ms)；且采用本发明的PWM信号控制方法驱动的高速开关电磁阀的维持占空比(56％)小于正常PWM控制信号方法驱动的高速开关电磁阀的维持占空比(90％)，降低了高速开关电磁阀的维持电流和功耗。
因而，本发明的PWM信号的控制方法可以有效优化高速开关电磁阀的开关特性，减小了开启时延和关闭时延，提高了高速开关电磁阀的响应速度，减小了高速开关电磁阀维持阶段的电流，降低了高速开关电磁阀的功耗。

Claims (1)

1.一种提升高速开关电磁阀响应速度的PWM控制方法，其特征在于：在所述高速开关电磁阀作为开关功能使用时，设置所述高速开关电磁阀的开关控制过程为三个阶段，包括：
第一阶段：所述高速开关电磁阀处于开启状态至全开状态；
第二阶段：所述高速开关电磁阀处于全开状态；
第三阶段：所述高速开关电磁阀处于全开状态至关闭状态；
在所述第一阶段时，设置所述高速开关电磁阀的PWM控制信号的频率为开启频率fH，同时，设置所述高速开关电磁阀的占空比为开启占空比λH；所述开启频率fH为0HZ，所述开启占空比λH为100％；
在所述第二阶段时，设置所述高速开关电磁阀的PWM控制信号的频率为维持频率fM；同时，设置所述高速开关电磁阀的占空比为维持占空比λM；所述维持频率fM为所述高速开关电磁阀在正常工作频率范围内的最大频率值，所述维持占空比λM是通过压力增减试验方法确定其取值范围；
所述压力增减试验方法是按如下步骤进行：
步骤1、将所述高速开关电磁阀接入电磁阀液压试验台系统，在所述高速开关电磁阀处于全开状态时，设置所述PWM控制信号的频率为所述维持频率fM，设置所述PWM控制信号的占空比为所述开启占空比λH；
步骤2、逐步减小所述PWM控制信号的占空比，并记录所述高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力变化情况，当所述高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始减小时，标记压力开始减小时刻所对应的PWM控制信号的占空比为λX1，并停止减小操作；
步骤3、逐步增大所述PWM控制信号的占空比，并记录所述高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力变化情况，当所述高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力维持不变时，标记压力开始维持时刻所对应的PWM控制信号的占空比为λX2，并停止增大操作；
步骤4、设定所述维持占空比λM的取值范围为(λX1,λX2)；
在所述第三阶段时，设置所述高速开关电磁阀的PWM控制信号的频率为关闭频率fL，同时，设置所述高速开关电磁阀的占空比为关闭占空比λL；所述关闭频率fL为0HZ，所述关闭占空比λL为0。
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