CN108980441B - 基于pwm的比例电磁阀驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及比例电磁阀的控制方法，为解决现有比例电磁阀的PWM控制驱动电流闭环调节上升时间长、调节缓慢、不能快速响应的问题；提供一种基于PWM的比例电磁阀驱动方法，获取比例电磁阀的阻抗值R，检测比例电磁阀上加载的驱动电压P，检测目标电流是否发生变化，若目标电流Ix发生变化，计算预估占空比D＝K*R*Ix/P，控制器以预估的占空比D向比例电磁阀输出PWM信号；检测流经比例电磁阀的实际电流Ic并与目标电流Ix比较，采用闭环控制调节占空比直到实际电流Ic与目标电流Ix的差值小于等于误差值。在本发明中，这种控制方法省去了大部分控制的上升时间，又实现了控制的快速性，大大缩短了调节时间。

Description

基于PWM的比例电磁阀驱动方法

技术领域

本发明涉及一种比例电磁阀驱动方法，更具体地说，涉及一种基于PWM的比例电磁阀驱动方法。

背景技术

比例电磁阀广泛使用在工程机械液压控制技术领域,工程机械使用的比例电磁阀感抗较大，抗冲击性较好，一般通过PID电流闭环控制，即控制器发出PWM信号给比例电磁阀，再将其电流采集回来比较是否达到期望电流，如果没有则继续调节，直到实际采样电流和期望电流在误差范围内。由于工程机械采用大部分液压控制，滞后环节较大，对控制的要求各有不同。有的用PID控制就可以满足要求，有的却要快速响应，否则会出现机器抖动的情况。普通电流闭环调节方法上升时间较长，调节缓慢，不适合于快速响应的应用场合。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有比例电磁阀的PWM控制驱动电流闭环调节上升时间长、调节缓慢、不能快速响应的问题而提供一种调节快速、能快速响应的比例电磁阀驱动方法。

本发明为实现其目的的技术方案是这样的：提供一种基于PWM的比例电磁阀驱动方法，其特征在于获取比例电磁阀的阻抗值R，检测比例电磁阀上加载的驱动电压P，检测目标电流是否发生变化，若目标电流Ix发生变化，计算预估占空比D:D＝K*R*Ix/P，K为预设系数，根据比例电磁阀响应的快慢速度要求而定，通常响应速度快，系数K则越大，当计算获得的预估占空比D大于100％时，则预估占空比取值等于100％，若计算的占空比小于等于100％，则预估占空比取实际计算值。控制器以预估占空比D向比例电磁阀输出PWM信号；检测流经比例电磁阀的实际电流Ic并与目标电流Ix比较，采用闭环控制调节占空比直到实际电流Ic与目标电流Ix的差值小于等于误差值。在本发明中，依据变化后的目标电流和比例电磁阀的阻抗，预估对应目标电流的占空比，控制器在电流控制调整时最开始直接输出与预估占空比对应的PWM信号控制比例电磁阀，再通过闭环控制精确调整流经比例电磁阀的实际电流，使其与目标电流一致，这种控制方法省去了大部分控制的上升时间，又实现了控制的快速性，大大缩短了调节时间。

进一步地，上述基于PWM的比例电磁阀驱动方法中，包括控制器上电后的首次电流控制，在所述首次电流控制中，控制器上电后通过初始化程序获取比例电磁阀的预估阻抗值R0作为首次电流控制时计算预估占空比D时的比例电磁阀的阻抗值R，控制器检测比例电磁阀上加载的驱动电压P，检测目标电流是否发生变化，若目标电流Ix发生变化，计算预估占空比D:D＝K*R0*Ix/P，当计算的预估占空比D大于等于100％时预估占空比D取值为100％，若计算的占空比小于等于100％，则预估占空比取实际计算值。控制器以预估的占空比D向比例电磁阀输出PWM信号；检测流经比例电磁阀的实际电流Ic并与目标电流Ix比较，采用闭环控制调节占空比直到实际电流Ic与目标电流Ix的差值小于等于误差值。在首次电流控制中，通过控制器应用程序初始化设置获取比例电磁阀的阻抗值，虽然该阻抗值与比例电磁阀的实际阻抗存在一定误差，但该误差不会很大，因此控制器根据该预估的阻抗值计算在控制电流时最开始的占空比并输出PWM信号控制比例电磁阀,也能省去了大部分控制的上升时间，又实现了控制的快速性，大大缩短了调节时间。

进一步地，上述基于PWM的比例电磁阀驱动方法中，每次电流控制完成后若流经比例电磁阀的实际电流Ic小于最小有效值时不更新比例电磁阀的阻抗值R；每次电流控制完成后若流经比例电磁阀的实际电流Ic大于等于最小有效值时计算更新比例电磁阀的阻抗值R，计算更新比例电磁阀的阻抗值R的方法是利用电流控制完成后的占空比D、加载在比例电磁阀上的驱动电压P和流经比例电磁阀的实际电流Ic计算比例电磁阀的实际阻抗值作为更新后的比例电磁阀的阻抗值R：R＝D*P/Ic。在本发明中最小有效值是流经比例电磁阀的实际电流并驱动比例电磁阀是否动作的临界值，当流经比例电磁阀的实际电流小于最小有效值时，比例电磁阀不会作出由初始状态向其他状态变化的动作；或者比例电磁阀由其他状态向初始状态变化的动作；当流经比例电磁阀的实际电流大于等于最小有效值时，比例电磁阀会作出由初始状态或其他状态向与该实际电流对应的状态变化的动作。

进一步地，上述基于PWM的比例电磁阀驱动方法中，还包括首次电流控制之后的后续电流控制；在后续电流控制中，将更新的比例电磁阀的阻抗值R作为本次电流控制时计算预估占空比D时的比例电磁阀的阻抗值，控制器检测比例电磁阀上加载的驱动电压P，检测目标电流是否发生变化，若目标电流Ix发生变化，计算预估占空比D:D＝K*R*Ix/P，当计算的预估占空比D大于等于100％时预估占空比D取值为100％，若计算的占空比小于等于100％，则预估占空比取实际计算值。控制器以预估的占空比D向比例电磁阀输出PWM信号；检测流经比例电磁阀的实际电流Ic并与目标电流Ix比较，采用闭环控制调节占空比直到实际电流Ic与目标电流Ix的差值小于等于误差值。

进一步地，上述基于PWM的比例电磁阀驱动方法中，在于在每次电流控制中，控制器以预估的占空比D向比例电磁阀输出PWM信号并保持预定时长后再采用闭环控制调节占空比直到实际电流Ic与目标电流Ix的差值小于等于误差值。

本发明与现有技术相比，本发明控制方法省去了大部分控制的上升时间，又实现了控制的快速性，大大缩短了调节时间。同时本发明在每次电流控制时均采用闭环控制，使流经比例电磁阀的实际电流与控制需求的目标电流一致。

附图说明

图1是本发明比例电磁阀驱动方法的流程图。

图2是本发明控制方法与传动PID算法控制调整电流的比较示意图。

图3是PWM信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明具体实施方案。

如图3所示，控制器控制比例电磁阀通常采用PWM(脉冲宽度调整)调整电流。也即控制器以一定频率输出矩形波的电压，其中在一个周期内，周期为T，高电平时间为Tx，那么占空比为D＝Tx/T，在周期T内的平均电流I＝P*D/R，P为加载在比例电磁阀两端的驱动电压，R则为比例电磁阀的阻抗。比例电磁阀的阻抗会随频率(1/T)和液压油温变化，但是波动不会太大，最大波动20％(不同的阀阻抗值波动都会不同)，因此通过公式I＝P*D/R的计算出的电流不会太准。PWM信号即控制器可以输出的信号，也称为脉宽调制信号(Pulse widthmodulation)，脉冲宽度即图3中的Tx(一般T是不变的)。脉宽调制，即调节脉冲的宽度，使它符合控制的要求。控制器可以调节脉冲的宽度。比例电磁阀上加载的驱动电压P也即控制器输出矩形波电压的高电平电压。

本发明中的比例电磁阀驱动方法过程如图1所示，在控制器上电以后，控制器通过应用程序初始化设置便读取比例电磁阀的预估阻抗值R0，预估阻抗值R0由设计人员根据比例电磁阀的设计参数人为地设定，由于比例电磁阀的阻抗值随频率和温度变化，因此此时预估阻抗值与比例电磁阀的实际阻抗值存在差异，但该差值并不会太大。

控制器检测比例电磁阀上加载的驱动电压P，比例电磁阀上加载的驱动电压P也称为系统电压，工程机械上加载在电磁阀上的电压会变化，通常在24～32V，该电压可以被控制器获得，并且每隔一段时间(例如几十毫秒)就更新一次。

控制器同时检测目标电流是否发生变化，目标电流可以是操纵机器的操作人员通过与控制器连接的操作装置输入，比如操作者通过旋钮或按钮输入希望某个时刻希望比例阀流过的电流；目标电流还可以是控制器在控制控制程序运行过程中通过获取其他参数计算而自动确定的比例电磁阀所需流过的电流值。当控制器上电初始化时，此时尚未对比例电磁阀进行控制，流经比例电磁阀的电流为零，即流经比例电磁阀的电流不能驱动比例电磁阀的阀芯作出有效的移动动作。当控制器检测到目标电流发生变化时，也即希望比例电磁阀流经的电流能够对比例电磁阀的阀芯作出预定的移动时，控制器计算预估占空比D:D＝K*R*Ix/P，其中K为预设系数，根据比例电磁阀响应的快慢速度要求而定，通常响应速度快，系数K则越大，R＝R0,Ix为变化后的目标电流，P为目标电流变化时的系统电压(也即加载在比例电磁阀上的电压)，当计算获得的预估占空比D大于100％时，则预估占空比取值等于100％，若计算的占空比小于等于100％，则预估占空比取实际计算值，控制器以预估的占空比D向比例电磁阀输出PWM信号并维持预定时长(人为设定)；控制器检测流经比例电磁阀的实际电流Ic并与目标电流Ix比较，采用闭环控制调节占空比并向比例电磁阀输出PWM信号控制比例电磁阀，直到实际电流Ic与目标电流Ix的差值小于等于误差值，完成首次电流控制调整，并维持闭环控制最终确定的占空比向比例电磁阀输出PWM信号控制比例电磁阀，直到目标电流再次发生变化。闭环控制可以是PID算法控制。

在首次电流控制调整完成后，控制器根据首次电流控制调整完成后的占空比D、加载在比例电磁阀上的驱动电压P和流经比例电磁阀的实际电流Ic计算比例电磁阀的实际阻抗值，作为更新后的比例电磁阀的阻抗值R：R＝D*P/Ic。并在首次电流控制调整完成后的后续电流控制步骤中，利用该更新后的比例电磁阀的阻抗值R、变化后的目标电流Ix和比例电磁阀上加载的电压计算预估占空比D:D＝K*R*Ix/P，当计算获得的预估占空比D大于100％时，则预估占空比取值等于100％，若计算的占空比小于等于100％，则预估占空比取实际计算值，控制器以预估的占空比D向比例电磁阀输出PWM信号并维持预定时长；控制器检测流经比例电磁阀的实际电流Ic并与目标电流Ix比较，采用闭环控制调节占空比并向比例电磁阀输出PWM信号控制比例电磁阀，直到实际电流Ic与目标电流Ix的差值小于等于误差值，完成本次后续电流控制调整，并维持闭环控制最终确定的占空比向比例电磁阀输出PWM信号控制比例电磁阀，直到目标电流再次发生变化。

在后续电流控制调整过程中，目标电流可能升高，也可能由于控制的需要重新变为零值，当目标电流变为零值时，则不对比例电磁阀的实际阻抗值进行更新，在目标电流变为零值之后的下一次后续电流控制过程中，仍使用目标电流变为零值之前更新的比例电磁阀的实际阻抗值计算本次后续电流控制过程中的预估占空比D。

本发明依据变化后的目标电流和比例电磁阀的阻抗，预估对应目标电流的占空比，控制器在电流控制调整时最开始直接输出与预估占空比对应的PWM信号控制比例电磁阀，再通过闭环控制精确调整流经比例电磁阀的实际电流，使其与目标电流一致，这种控制方法省去了大部分控制的上升时间，如图2所示，通过本发明比例电磁阀驱动方法，流经比例电磁阀的电流能够迅速与目标电流一致，其花费的时间Tn要小于普通电流闭环调节所花费的时间To，实现了控制的快速性，大大缩短了调节时间。

Claims (5)

1.一种基于PWM的比例电磁阀驱动方法，其特征在于获取比例电磁阀的阻抗值R,检测比例电磁阀上加载的驱动电压P，检测目标电流是否发生变化，若目标电流Ix发生变化，计算预估占空比D:D＝K*R*Ix/P，K为预设系数，当计算的预估占空比D大于等于100％时预估占空比D取值为100％，控制器以预估占空比D向比例电磁阀输出PWM信号；检测流经比例电磁阀的实际电流Ic并与目标电流Ix比较，采用闭环控制调节占空比直到实际电流Ic与目标电流Ix的差值小于等于误差值。

2.根据权利要求1所述的基于PWM的比例电磁阀驱动方法，其特征在于包括控制器上电后的首次电流控制，在所述首次电流控制中，控制器上电后通过初始化程序获取比例电磁阀的预估阻抗值R0作为首次电流控制时计算预估占空比D时的比例电磁阀的阻抗值R，控制器检测比例电磁阀上加载的驱动电压P，检测目标电流是否发生变化，若目标电流Ix发生变化，计算预估占空比D:D＝K*R0*Ix/P，当计算的预估占空比D大于等于100％时预估占空比D取值为100％，控制器以预估占空比D向比例电磁阀输出PWM信号；检测流经比例电磁阀的实际电流Ic并与目标电流Ix比较，采用闭环控制调节占空比直到实际电流Ic与目标电流Ix的差值小于等于误差值。

3.根据权利要求1或2所述的基于PWM的比例电磁阀驱动方法，其特征在于每次电流控制完成后若流经比例电磁阀的实际电流Ic小于最小有效值时不更新比例电磁阀的阻抗值R；每次电流控制完成后若流经比例电磁阀的实际电流Ic大于等于最小有效值时计算更新比例电磁阀的阻抗值R，计算更新比例电磁阀的阻抗值R的方法是利用电流控制完成后的占空比D、加载在比例电磁阀上的驱动电压P和流经比例电磁阀的实际电流Ic计算比例电磁阀的实际阻抗值作为更新后的比例电磁阀的阻抗值R：R＝D*P/Ic。

4.根据权利要求3所述的基于PWM的比例电磁阀驱动方法，其特征在于还包括首次电流控制之后的后续电流控制；在后续电流控制中，将更新的比例电磁阀的阻抗值R作为本次电流控制时计算预估占空比D时的比例电磁阀的阻抗值，控制器检测比例电磁阀上加载的驱动电压P，检测目标电流是否发生变化，若目标电流Ix发生变化，计算预估占空比D:D＝K*R*Ix/P，当计算的预估占空比D大于等于100％时预估占空比D取值为100％，控制器以预估的占空比D向比例电磁阀输出PWM信号；检测流经比例电磁阀的实际电流Ic并与目标电流Ix比较，采用闭环控制调节占空比直到实际电流Ic与目标电流Ix的差值小于等于误差值。

5.根据权利要求1所述的基于PWM的比例电磁阀驱动方法，其特征在于在每次电流控制中，控制器以预估占空比D向比例电磁阀输出PWM信号并保持预定时长后再采用闭环控制调节占空比直到实际电流Ic与目标电流Ix的差值小于等于误差值。

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