CN107076129B - 用于电磁驱动的往复泵的控制的方法及其实施装置 - Google Patents

用于电磁驱动的往复泵的控制的方法及其实施装置 Download PDF

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Abstract

通过依据磁衔铁的位置通断供应给电磁铁的电压，电磁驱动的往复活塞的控制影响磁衔铁的速度。在处理中，并不测量磁衔铁的位置，而是从电磁铁的状态变量确定磁衔铁的位置。这可以如下被实现，处理器(11)从测量装置(13)测得的电压值和电流值计算电磁线圈(5)的电阻，从电压，电流和电磁线圈(5)的电阻计算电磁铁(2)中的磁通链的时间变化，从先前的磁通量和时间变化计算电磁铁(2)中的磁通链，从电磁铁(2)中的磁通链和流过电磁线圈(5)的电流来确定磁衔铁(7)的位置，并且依据磁衔铁(7)的位置，借助于通断装置(12)通断电磁线圈(5)上的电压。上述类型的往复式活塞泵及其电子控制用于在车辆和移动工作机械中泵送和/或计量燃料和试剂。

Description

用于电磁驱动的往复泵的控制的方法及其实施装置
技术领域
本发明涉及如权利要求1的前序部分的一种用于控制往复泵的方法，以及一种用于实施该方法的装置。
背景技术
电磁驱动的往复泵被用于输送及计量燃料和试剂。它们造价低廉，并且由于它们的脉冲式操作模式，所以如果改变脉冲频率，它们能够以可调整的输送量进行操作。
电磁驱动的往复泵由电磁铁和流体位移单元组成，工作流体被吸入流体位移单元并被排出和受压。在大多数情况下，电磁铁和位移单元通过常用组件不可分地连接在一起，并且如果选择贯流式电磁铁的结构形式，那么电磁铁和位移单元之间不需要杆密封。
这些活塞泵的通常的操作模式的一个缺点与通过电磁线圈馈送的电流有关，该馈送一直持续到磁衔铁运动结束，甚至持续更长的时间；在没有采取进一步的措施的情况下，如果要在所有操作条件下实现完整的行程，这是必需的。
上述电流馈送导致了对磁衔铁的强力冲击，以及相应的高噪声和低效率电磁驱动。
当电磁铁断电时，如果复位弹簧在不制动的情况下对磁衔铁进行复位，那么在磁衔铁返回静止位期间也会相应的产生强力冲击。
从专利文献中可知用于克服所述缺点的各种方法，但是这些方法在某些情况下非常昂贵并且在某些情况下不如人意。
文件DE 19982757B4描述了一种用于驱动燃料计量泵的方法，其中，测量了电和流体状态变量，并且使用测量值来改变电磁铁上的电压。
文件DE 102004002454B4描述了一种操作计量泵的方法，其中，在驱动间隔期间改变用于电源电压的调制的占空比。
文件DE 10127996A1描述了一种泵装置以及一种调节装置，其中，磁衔铁的位置从线圈电流的曲线的测量推导出来，并且根据该位置来通断电压，以在磁衔铁到达止动装置之前制动磁衔铁。
文件DE10033923A1描述了一种不使用传感器来确定电磁驱使系统的速度和位置的方法。这里，从由衔铁的运动所引起的电压和电流的变化来确定该位置。
文件DE 10020896A1描述了一种用于确定衔铁/阀位置的方法。这里，确定了激励线圈中的电流和潜在的电压降，由此确定了通过激励线圈的磁通量。然后位移位置通过表示通量和位置之间的关系的特性映射所确定。
已知方法均呈现出至少以下缺点：
-控制器和往复泵的周围条件的改变，特别是电源电压和线圈温度的改变并没有被充分检测并考虑，而这削弱了控制方法的质量；
-用于磁衔铁的行程的估计方法并不是基于驱动电磁铁的数学模型，而这意味着只能进行非常粗略的估计，特别是由于电磁铁的非线性特性；
-所用电磁铁的现有知识，能够通过合理努力在试验台上确定，但并没有被充分识别并考虑，这样的话，又削弱了控制方法的质量。
在(TU IImenau)M.Kallenbach博士的论文“具有高度非线性磁路的微电磁和微驱使装置的设计(”Entwurf von magnetischen Mini-und Mikroaktoren mit starknichtlinearem Magenetcreis(Design of magnetic mini-and micro-actuators withhighly non-linear magnetic circuits))”中，描述了一种基于电压和电流测量值及磁通链计算值来估计磁铁位置的方法，甚至对于非线性磁系统，也能对于磁铁的位置确定高度精确的值。没有描述对于往复泵的控制的方法的应用。
发明内容
本发明描述了一种电磁驱动往复泵的控制器，依据磁衔铁的位置，通过通断电磁铁上的电压，来影响磁衔铁的速度。本发明不测量磁衔铁的位置，而是从其他测量或者计算的电磁铁的状态变量来确定磁衔铁的位置。在进行预期操作之前，获取电磁铁的重要特性的知识，特别是非线性特性，并且以合适的形式存储在控制器中。
权利要求1及进一步权利要求的技术特征描述了上述目标的达成。两个从属权利要求更详细的描述了实施根据本发明的方法的装置。
本发明的方法基于驱动电磁铁的数学模型，其中电磁铁随时间的特性通过电压，线圈电流，线圈电阻，磁通链，磁衔铁速度及磁衔铁位移的状态变量来描述。这些状态变量在同时考虑时彼此相互独立，但是彼此动态的相互影响。
在电压和线圈电流通过测量装置被测量时，线圈电阻由电压和线圈电流计算得到。电磁铁的磁通链不能由其他的状态变量同时计算得到；只有磁通链的一阶时间导数可以由电压，线圈电流及线圈电阻同时计算得到。磁通链指的是概念上的直通式磁回路中所有局部磁感应强度在穿透区域上的积分。
磁通链优选的基于初始值和磁通链的一阶时间导数，通过数值积分计算得到，并且可以由足够强大的处理器实时进行，例如，在磁铁行程期间。
除了状态变量的数值积分，也可以使用基于简化线性模型计算这些状态变量的时间累积的其他数学方法；这需要较低的处理能力，但是不太精确，因为线性模型不能充分的表现电磁铁重要的非线性。
获知磁通链后，数值积分也可以计算磁衔铁的加速度，速度和行程。然而，磁衔铁的行程可以从预先确定、存储的表格中更精确更迅速地被读取，在表格中，磁衔铁的行程被输入作为线圈电流和磁通链的函数。此类表格显示了作为线圈电流的函数的磁通链对可变空隙的强烈但非线性的依赖性，因此对磁体行程强烈但非线性的依赖性。
的确，该表格的使用是估计方法，并因此而有误差，但是该表格考虑了电磁铁的特别的非线性特性，这些特性能够通过测试平台的测量，对于这些通用类型的电磁铁被记录，因此总体上显著提高了精确度。
如果对于不同的有效电压以及对于电磁线圈的电压变化的两个可能方向，在测试平台上进行测量，并且如果不同的表格从测量被准备和使用，那么磁衔铁行程的估计可以得到进一步的改善。铁的饱和，磁滞和涡电流的非线性影响因而包括在表格中，从而包括在估计方法中。
如果有必要，在磁通链的计算中，如果将磁衔铁和铁返回路径的初始磁化强度考虑作为数值积分的初始值，则磁通链的计算精确度可以得到进一步提高，其中初始磁化强度来自磁通链的时间累积的先前历史记录。
铁返回路径由磁极的承载磁通量的组件，外壳和轭部组成，连同磁衔铁因此形成了仅仅由磁衔铁和磁极之间空隙断开的近似闭合的回路。
利用磁衔铁的行程的知识，电磁线圈上的有效电压可以被控制器改变，例如通过通电或者断电或者通过合适的脉冲宽度调制或者脉冲长度调制，以这样的方法，在磁衔铁的工作运动和复位运动期间，在撞击各止动装置之前及时地制动磁衔铁。有效电压指的是与调制产生的电压具有相同效果的平均直流电压。
对于磁衔铁的复位行程，所述计算和估计方法也可以以少量变动被使用。
甚至在复位行程期间，依然有电流通过电磁线圈，因为线圈电感只允许电流缓慢衰减。所述电流可以被测量，并由此得到磁通链。
如果通过所述方法估计的磁衔铁行程到达适于制动复位行程运动的值，电子控制器将有效电压提高到产生合适制动的值。
对于相应的小电压和负电压变化确定的用于行程，线圈电流和磁通链的表格在磁衔铁行程的估计中被有利地使用。这允许磁性材料的非线性性能被适当的考虑进来。
总之，本发明特征在于，尽可能地使用电磁铁的现有知识，以基于线圈电流和电压的时间累积，进行磁衔铁行程的最精确的可能的估计。
所述类型的往复泵以及它们的电子控制器用于在车辆和移动工作机械中输送和/或计量燃料和试剂。
附图说明
图1显示了由往复泵和电子控制器组成的装置。
具体实施方式
图1的装置由往复泵(1)和电子控制器(10)组成，其中往复泵由电磁铁(2)以及装有弹簧(4)的位移单元(3)组成，电磁铁由电磁线圈(5)，铁返回路径(6)以及磁衔铁(7)构成。
电源(9)向该装置供电，其中电压可以在特定范围内变化，例9V和16V之间。
在电子控制器(10)中，通过通断装置(12)来通断电压，并且在测量装置(13)中测量有效电压及产生的电流。
电磁线圈由电子控制器(10)供给脉冲电源，所述电子控制器(10)还包含具有可编程存储器的处理器(11)。
该处理器(11)：
-从由测量装置(13)测得的电压和电流的值计算电磁线圈(5)的电阻；
-从电压，电流和电磁线圈(5)的电阻计算电磁铁(2)中磁通链的时间变化；
-从预先计算的或估计的磁通量和时间变化计算电磁铁(2)中的磁通链。
磁衔铁(7)的位置通过磁通链的计算值和通过电磁线圈(5)的电流的测量值确定。
根据磁衔铁(7)的位置，电磁线圈(5)上的电压通过通断装置(12)被通断。
使用处理器(11)中的估计过程，从至少一个表格确定磁衔铁的当前位置，该至少一个表格在控制器(10)的预期操作之前被计算，并与相关的电流值、磁通链值以及磁衔铁(7)的位置值一起存储在处理器(11)中。
磁通链的计算有利的改进之处在于，通过起始值，磁通链的计算考虑了磁衔铁(7)和铁返回路径(6)的初始磁化强度，该初始磁化强度来源于磁通链的时间累积的先前历史记录。
磁衔铁(7)的位置估计的进一步改进在于，利用电磁线圈(5)上不同的有效电压和电压变化，使用用于不同电压和电压变化的相应的预先确定的表格，该表格具有分别指定的电流值，磁通链值和磁衔铁(7)的位置。因此该估计方法包括了材料特性的非线性，磁滞和涡电流的影响。
通过使用实时进行的数值积分对电磁铁的电磁状态变量的计算，电磁铁(2)中的磁通链的确定在存储器可编程处理器(11)中被有利地执行。
基于磁衔铁(7)的位置，电磁线圈(5)上的电压，在电子控制器(10)中，通过通断装置(12)，在必要时被切断，或者切断并且接通数次，以使脉冲宽度调制或者脉冲长度调制意义下的有效电压具有时间平均值，与电源(9)的电压相比，时间平均值的影响被降低。
当磁衔铁(7)克服弹簧(4)的力向前运动时，磁衔铁的运动可以用这种方法制动到磁衔铁仅以非常低的剩余速度碰上其前限位器。
由于磁衔铁(7)通过弹簧(4)被复位，通过电磁线圈的电流由于线圈的电感仅非常缓慢的衰减。这里，通过电磁线圈的电流由测量装置(13)再次进行测量，并用于计算确定磁衔铁位置的磁通链，其中针对小电压和负电压变化的预先计算的表格，还包含线圈电流和磁通链，被选用于磁衔铁行程。
在此种操作中，电子控制器(10)中使用了有关磁衔铁的位置信息的操作，以基于磁衔铁的位置提高电磁线圈(5)上的有效平均电压，并由此制动磁衔铁的运动。
参考数字列表
1：往复泵
2：电磁铁
3：位移单元
4：弹簧
5：电磁线圈
6：铁返回路径
7：磁衔铁
9：电压源
10：电子控制器
11：存储器可编程处理器
12：通断装置
13：测量装置。

Claims (8)

1.一种用于往复泵(1)的控制的方法，其特征在于，所述往复泵(1)由电磁铁(2)和装有弹簧(4)的位移单元(3)组成，所述电磁铁(2)由电磁线圈(5)、铁返回路径(6)和磁衔铁(7)构成，所述方法借助于电子控制器(10)，所述电子控制器(10)包含存储器可编程处理器(11)、通断装置(12)和测量装置(13)，其中，所述处理器(11)：
从所述测量装置(13)测得的电压和电流的值计算所述电磁线圈(5)的电阻；
从所述电压，所述电流和所述电磁线圈(5)的所述电阻计算所述电磁铁(2)中的磁通链的时间变化；
从先前计算或估计的磁通量和所述时间变化计算所述电磁铁(2)中的所述磁通链；
使用由所述控制器(10)中的所述处理器(11)进行的估计过程，从表格确定所述磁衔铁(7)的现在位置，所述表格通过所述控制器(10)的预期操作之前的测量和/或计算被确定，并与相关的电流值、所述磁通链值和所述磁衔铁(7)的位置值一起被存储在所述处理器(11)中，其中所述磁衔铁(7)的位置估计改进之处在于，利用所述电磁线圈(5)上的不同有效电压，使用相应于电压和/或电压变化的预先确定的表格，所述表格具有分别指定的电流值、所述磁通链值和所述磁衔铁(7)的位置值；
依据所述磁衔铁(7)的所述位置，通过所述通断装置(12)影响所述电磁线圈(5)上的所述有效电压。
2.根据权利要求1所述的用于往复泵的控制的方法，其特征在于，所述磁通链的计算的改进之处在于，在所述磁通链的计算期间，在数值积分中，通过起始值，考虑了所述磁衔铁(7)和所述铁返回路径(6)的初始磁化强度，所述磁化强度来源于所述磁通链的时间累积的先前历史记录。
3.根据权利要求1或2所述的用于往复泵的控制的方法，其特征在于，由实时进行的所述电磁铁的电和磁的状态变量的数值积分进行所述电磁铁(2)中的所述磁通链的计算。
4.根据权利要求1所述的用于往复泵的控制的方法，其特征在于，借助所述通断装置(12)，依据所述磁衔铁(7)的位置，仅仅切断所述电磁线圈(5)上的有效电压，或者切断并且接通数次，以使经过通断影响的调制，与电压源(9)的电压相比，作为时间平均的影响被减少。
5.根据权利要求1所述的用于往复泵的控制的方法，其特征在于，在所述弹簧(4)复位所述磁衔铁(7)期间，由于线圈电感而缓慢衰减的通过所述电磁线圈的电流由所述测量装置(13)进行测量，并用于所述磁通链的所述计算以确定所述磁衔铁的位置，其中使用与所述电流值，所述磁通链值和所述磁衔铁(7)位置值的相关的预先计算的表格，所述表格根据有效电压和负电压变化被选取。
6.根据权利要求5所述的用于往复泵的控制的方法，其特征在于，在所述弹簧(4)复位所述磁衔铁(7)期间，与所述磁衔铁的位置相关的信息在所述电子控制器(10)中被使用，以便依据所述磁衔铁的所述位置提高所述电磁线圈(5)
上的有效电压，并因此制动所述磁衔铁的运动。
7.一种用于进行权利要求1至6中任一项所述的方法的装置，其特征在于，所述装置由往复泵(1)和电子控制器(10)组成，其中所述往复泵由电磁铁(2)和装有弹簧(4)的位移单元(3)组成，其中所述电磁铁(2)由电磁线圈(5)、铁返回路径(6)和磁衔铁(7)构成，其中所述电子控制器(10)包含存储器可编程处理器(11)、通断装置(12)和测量装置(13)，
其中，所述存储器可编程处理器(11)包含至少一个表格，所述表格在所述控制器(10)的预期操作之前被计算，并具有相关联的通过所述电磁线圈(5)的电流值、所述电磁铁(2)中的磁通链值和所述磁衔铁(7)的位置值，其中这个或这些表格允许所述处理器(11)在借助于所述测量装置(13)测得的多个电流测量值的基础上，通过估计过程确定所述磁衔铁(7)的所述位置。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，通过所述存储器可编程处理器(11)和所述通断装置(12)，所述电子控制器(10)依据相对于电压源(9)的电压的所述衔铁行程，降低了所述电磁线圈(5)上的平均有效电压，以使所述磁衔铁的速度曲线受所述处理器(11)中指定方式的影响，其中所述电压源(9)向所述通断装置(12)，也向所述测量装置(13)，此外还向所述电磁线圈(5)供应电力。
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