CN110094565B - 一种减少高速开关电磁阀关闭时延的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少高速开关电磁阀关闭时延的控制方法，是根据高速开关电磁阀在工作中的响应需求，通过在高速开关电磁阀打开时的不同时段，控制器输出占空比不同的PWM信号控制开关电磁阀的关闭，从而缩短高速开关电磁阀的关闭时延。本发明能实现高速开关电磁阀的快速关闭，提高其工作精度。

Description

一种减少高速开关电磁阀关闭时延的控制方法

技术领域

本发明涉及电磁阀控制领域，具体是一种减少高速开关电磁阀关闭时延的控制方法。

背景技术

电磁阀是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。为配合不同的电路来实现预期的控制，电磁阀的控制精度和灵活性都要能够保证。

根据楞次定律的效应，感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。当控制开关电磁阀的电压已经为零，由于感应电流仍存在将影响开关电磁阀的闭合时间，降低高速开关电磁阀的控制精度，进而影响配套产品的工作效果。

国产的高速开关阀在性能、品质方面受生产技艺限制，当控制信号驱动频率较高时，超过一定的占空比临界值则会出现阀未完全关闭就已经进入下一周期的现象，导致阀口输出流量不均匀，控制调节效果变差。究其原因，开关电磁阀关闭时延无法达到技术要求，导致无法精确控制开关电磁阀的流量变化和实时关闭。而且国内对这方面的研究较少，从高速开关电磁阀的制造工艺着手解决开关电磁阀关闭时延问题，制造精度要求较高，成本较大，难度大，工程推广应用性不强。

发明内容

本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，提出一种减少高速开关电磁阀关闭时延的控制方法，以期能缩短开关电磁阀的关闭时延，实现开关电磁阀的快速关闭，并提高其工作精度。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种减少高速开关电磁阀关闭时延的控制方法的特点是按以下步骤进行：

步骤1、计算高速开关电磁阀在维持临界打开状态时的PWM控制信号的维持占空比A₀；

步骤2、当接收到高速开关电磁阀的预关闭信号时，设定高速开关电磁阀的PWM控制信号由100％降至所述维持占空比A₀，并维持高速开关电磁阀的打开状态；

步骤3、当接收到高速开关电磁阀的关闭信号时，设定高速开关电磁阀的PWM控制信号由维持占空比A₀降至0，并关闭所述高速开关电磁阀。

本发明所述的减少高速开关电磁阀关闭时延的控制方法的特点也在于，所述步骤1中PWM控制信号的维持占空比A₀是按如下实验方法确定：

步骤a1.1、将所述高速开关电磁阀接入电磁阀液压试验台系统，设定高速开关电磁阀的PWM控制信号的占空比的单位调节量为ΔA，设置PWM控制信号的占空比为100％，试验调节次数为n，并初始化n＝1；

定义计数器g，并初始化g＝0；

步骤a1.2、第n次试验时，按照占空比的单位调节量ΔA逐步减少所述PWM控制信号的占空比为100％-nΔA，并依次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相应压力变化情况；

步骤a1.3、判断第n次试验时，高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的相应压力是否小于第n-1次试验时的相应压力，若是，则令计数器g自加1，并执行步骤a1.4；否则，将计数器g清零，将n+1赋值给n后，并返回步骤a1.2；

步骤a1.4、判断g＝2是否成立，若成立，则将第n-2次试验时，所述电磁阀液压试验台系统的相应压力在维持不变的时刻所对应的PWM控制信号的占空比100％-(n-2)ΔA作为高速开关电磁阀的PWM控制信号的维持占空比；否则，将n+1赋值给n后，返回步骤a1.2；

所述步骤1中的PWM控制信号的维持占空比A₀还可以按以下推导方法确定：

步骤b1.1、利用式(1)计算高速开关电磁阀在维持临界打开状态时所受的电磁力F：

F＝F₁+F₂+F₃ (1)

式(1)中：F₁为弹簧力，F₂为黏性摩擦力，F₃为液动力，并有：

F₂＝K_sol(x_s+x₀)(3)

F₃＝2C_vC_dω_grax_sΔp cosθ(4)

式(2)-式(4)中：x_s为弹簧压缩量，B_sol为粘性阻尼系数，t为弹簧压缩时间，x₀为弹簧预压缩量，K_sol为高速开关电磁阀复位弹簧刚度系数，C_v为阀口速度系数，C_d为阀口流量系数，ω_gra为阀口面积梯度，Δp为阀口内外压差，θ为阀口射流角；

步骤b1.2、利用式(5)计算高速开关电磁阀在维持临界打开状态时受到的电流I：

式(5)中：B为磁感应强度，I为通过导体的电流，Len为导体的长度；

步骤b1.3、利用式(6)计算高速开关电磁阀在维持临界打开状态时PWM控制信号的维持占空比：

式(6)中：τ为高速开关电磁阀的时间常数，且τ＝L/R_L；R_L为高速开关电磁阀的等效电阻，L为高速开关电磁阀线圈等效电感量；D为PWM控制信号的维持占空比，T为PWM控制信号的脉冲周期。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明是通过控制器输出不同占空比的PWM信号控制开关电磁阀，控制器在接收高速开关电磁阀的预关闭信号前，输出占空比为100％的PWM信号控制开关电磁阀，控制器在接收高速开关电磁阀的预关闭信号后，输出高速开关电磁阀维持临界打开状态时的占空比的PWM控制信号控制开关电磁阀，降低了高速开关电磁阀在关闭时的平均电压，减少了高速开关电磁阀的关闭延时。

2、本发明是通过控制器输出不同占空比的PWM信号控制开关电磁阀，减少了高速开关电磁阀的关闭时延，并可实现在PWM控制信号驱动频率较高时，高速开关电磁阀可完全关闭进入下一工作周期，阀口输出流量均匀，提高了控制调节效果，解决了高速开关电磁阀在性能、品质方面受生产技艺的限制。

3、本发明是通过控制器输出不同占空比的PWM信号控制开关电磁阀，减少了高速开关电磁阀的关闭时延，大大提高了其配套产品的控制精度及工作效率，且无需增加其他工作装置，降低了高速开关电磁阀的硬件驱动电路成本，工程推广应用性更强。在保证工作精度的同时大大降低了技术成本。

附图说明

图1为现有控制方法的PWM信号波形图；

图2为本发明控制方法的PWM信号波形图；

图3为应用本发明控制方法的电磁阀测试试验系统结构图。

图中标号：T_all为高速开关电磁阀工作的一个周期，T_on为高速开关电磁阀保持打开状态的时间，t_k为高速开关电磁阀开始打开时刻，t_yg为高速开关电磁阀预关闭时刻，t_g为高速开关电磁阀开始关闭时刻，t_wg为高速开关电磁阀完全关闭时刻；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，一种减少高速开关电磁阀关闭时延的控制方法，是根据高速开关电磁阀在工作中的响应需求，通过在高速开关电磁阀打开时的不同时段，控制器输出占空比不同的PWM信号控制开关电磁阀的关闭，从而缩短了高速开关电磁阀的关闭时延，实现了高速开关电磁阀的快速关闭，提高了其工作精度。

参阅图1，由于原控制高速开关电磁阀的电压信号在控制过程中为保证高速开关电磁阀维持打开状态时的稳定性，需要开关电磁阀电磁力保持一定的裕度，从高速开关电磁阀开始打开时刻t_k至高速开关电磁阀开始关闭时刻t_g，PWM控制信号的占空比为100％，其控制高速开关电磁阀的平均电压高于高速开关电磁阀在维持临界打开状态时的临界电压，因此在电磁阀关闭过程中，其平均电压电压下降幅度较大，则平均电流减小幅度较大，产生了较大的感应反电动势，阻碍电磁阀的关闭，增加了高速开关电磁阀的关闭时延。

参阅图2，为保证控制过程中高速开关电磁阀维持打开状态时的稳定性，同时缩短高速开关电磁阀的关闭时延，本发明在高速开关电磁阀打开时的不同时段，控制器输出占空比不同的PWM信号控制开关电磁阀的关闭。

从高速开关电磁阀开始打开时刻t_k至高速开关电磁阀预关闭时刻t_yg，PWM控制信号的占空比为100％，其控制高速开关电磁阀的平均电压高于高速开关电磁阀在维持临界打开状态时的临界电压，因此控制高速开关电磁阀平均电流高于临界电流，高速开关电磁阀电磁力保持一定的裕度，保证高速开关电磁阀维持打开状态时的稳定性。

当高速开关电磁阀工作至预关闭时刻t_yg，PWM控制信号的占空比由100％将为维持占空比A₀，并保持此占空比至高速开关电磁阀开始关闭时刻t_g，维持高速开关电磁阀的打开状态。

当高速开关电磁阀工作至开始关闭时刻t_g，PWM控制信号的占空比由维持占空比A₀将为0，完成高速开关电磁阀的关闭。

具体实施过程中，一种减少高速开关电磁阀关闭时延的控制方法包括以下步骤：

步骤1、计算高速开关电磁阀在维持临界打开状态时的PWM控制信号的维持占空比A₀；

控制器在接收高速开关电磁阀的预关闭信号t_yg前，输出占空比为100％的PWM信号控制开关电磁阀，高速开关电磁阀电磁力保持一定的裕度，保证高速开关电磁阀维持打开状态时的稳定性，控制器在接收高速开关电磁阀的预关闭信号t_yg后，PWM控制信号的占空比由100％将为维持占空比A₀，并保持此占空比至高速开关电磁阀开始关闭时刻t_g，降低了高速开关电磁阀在关闭时的平均电压，则平均电流减小幅度较小，产生了较小的感应反电动势，削弱了对电磁阀的阻碍效果，减少了高速开关电磁阀的关闭延时。

具体的说，PWM控制信号的维持占空比A₀是按如下方法确定的：

步骤a1.1、通过检测电磁阀液压，判断高速开关电磁阀的工作情况，将高速开关电磁阀接入电磁阀液压试验台系统，设定高速开关电磁阀的PWM控制信号的占空比的单位调节量为ΔA，从满占空比的PWM控制信号开始作为第0次试验，设置PWM控制信号的占空比为100％，试验调节次数为n，并初始化n＝1；

定义计数器g，并初始化g＝0；

步骤a1.2、第n次试验时，按照占空比的单位调节量ΔA逐步减少PWM控制信号的占空比为100％-nΔA，并依次记录高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的相应压力变化情况；

步骤a1.3、判断第n次试验时，高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的相应压力是否小于第n-1次试验时的相应压力，若是，则令计数器g自加1，由于高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的相应压力小于上次试验时的相应压力，说明此次试验设置的PWM控制信号的占空比已经低于维持占空比，导致高速开关电磁阀无法正常工作，因此实验已接近所要确定的维持占空比，并执行步骤a1.4；否则，将计数器g清零，将n+1赋值给n后，并返回步骤a1.2；

步骤a1.4、为解决高速开关电磁阀工作时波动干扰问题，继续减少PWM控制信号的占空比进行下一次试验，若电磁阀液压试验台系统的相应压力维持不变，则证明上一次试验结果是偶然现象，并重复上述步骤；反之，可确定维持占空比，因此判断g＝2是否成立，若成立，则将第n-2次试验时，电磁阀液压试验台系统的相应压力在维持不变的时刻所对应的PWM控制信号的占空比100％-(n-2)ΔA作为高速开关电磁阀的PWM控制信号的维持占空比；否则，将n+1赋值给n后，返回步骤a1.2；

具体的说，PWM控制信号的维持占空比A₀还可以按以下推导方法确定：

步骤b1.1、计算高速开关电磁阀在维持临界打开状态受到的电磁力：

根据高速开关电磁阀的阀芯在维持临界打开状态中所受轴向力包括电磁力、复位弹簧力、黏性摩擦力和液动力。

步骤b1.1.1、按照式(1)计算阀芯在维持临界打开状态中所受弹簧力：

内置于阀腔内的阀芯复位弹簧预先加载一定的压缩量，以对阀芯施加阻碍开关阀开启的作用力，使阀芯在开关阀断电时被推回预置位置，关闭进油口。设弹簧预压缩量为x₀，断电状态下阀芯静止时的初始位置为位移原点，则阀芯运动过程中所受弹簧力计算式为：

F₁＝K_solx_s+F_sol (1)

式(1)中：F₁为复位弹簧力；K_sol为开关阀复位弹簧刚度系数；F_sol为开关阀复位弹簧预加载力。

步骤b1.1.2、按照式(2)计算阀芯在维持临界打开状态中所受黏性摩擦力：

精湛的加工工艺可以提高阀芯和阀体的同心度，避免工作过程中阀芯和阀体的直接接触，使阀体内圆柱面和阀芯外圆柱面间形成同心环形缝隙。油液充满该缝隙，在阀芯表面形成包裹状薄层油膜。由于油液具有黏性，所以阀芯运动时需要克服黏性摩擦力。黏性摩擦力的计算式为：

式(2)：F₂为黏性摩擦力；B_sol为粘性阻尼系数。

步骤b1.1.3、按照式(3)计算阀芯在维持临界打开状态中所受液动力：

液动力的本质是油液由于自身动量变化而对阀芯产生的作用力。根据阀芯的运动状态可将液动力分为瞬态液动力和稳态液动力。瞬态液动力是指在阀芯移动过程中油液由于加速或减速对阀芯产生的压力。瞬态液动力发生在阀口开度持续变化的过程中，其大小只与阀芯的移动速度有关。与此相对应地，稳态液动力则是指当阀芯保持不动时(即阀口开度一定)油液对阀芯的作用力。通常，瞬态液动力相对于稳态液动力较小，在阀芯的受力分析中可以忽略不计。阀芯所受液动力的计算式为：

F₃＝2C_vC_dω_grax_sΔpcosθ (3)

式(3)中：F₃为液动力；C_v为阀口速度系数；C_d为阀口流量系数；ω_gra为阀口面积梯度；Δp为阀口内外压差；θ为阀口射流角。

步骤b1.1.4、按照式(4)计算阀芯在维持临界打开状态中所受电磁力：

步骤b1.2、计算高速开关电磁阀在维持临界打开状态受到的电流：

按照式(5)计算阀芯在维持临界打开状态中所受电流：

F＝BIL (5)

式(5)中：F为电磁力，B为磁感应强度，I为通过导体的电流，L为导体的长度。

步骤b1.3、计算高速开关电磁阀维持临界打开状态的PWM控制信号的维持占空比：

数学模型按式(6)确定：

式(6)中：τ为高速开关电磁阀时间常数，τ＝L/R_L；R_L为高速开关电磁阀等效电阻，L为高速开关电磁阀线圈等效电感量,D为PWM控制信号的维持占空比，T为高速开关电磁阀脉冲周期。

按式(7)确定PWM控制信号的维持占空比：

步骤2、控制器输出高速开关电磁阀维持临界打开状态时的占空比的PWM控制信号控制开关电磁阀，降低高速开关电磁阀在关闭时的平均电压，因此当接收到高速开关电磁阀的预关闭信号时，设定高速开关电磁阀的PWM控制信号由100％降至维持占空比A₀，并维持高速开关电磁阀的打开状态；

步骤3、当接收到高速开关电磁阀的关闭信号时，设定高速开关电磁阀的PWM控制信号由维持占空比A₀降至0，并关闭高速开关电磁阀。

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关闭控制，具体控制过程如下：

该型号高速开关电磁阀的参数如下：工作频率范围为200HZ～1KHZ，额定工作电压为12V，线圈匝数为340匝，动衔铁直径为8mm，阀芯最大位移为1.5mm，运动质量为0.00407kg，线圈电阻为6，弹簧预压缩量为2.2mm，弹簧刚度为700N·m-1，黏性阻尼系数为2.4N·m·s-1，液动力系数为0.005×2E6 N·m-1。

如图3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2.5Mpa的液压压力。

在现有控制方法下，电磁阀控制信号如图1所示，从高速开关电磁阀开始打开时刻至高速开关电磁阀关闭时刻，采用PWM控制信号的频率为200HZ，占空比为100％，电压幅值为12V，当接收到高速开关电磁阀的关闭信号时，设定高速开关电磁阀的PWM控制信号由维持占空比降至0，完成高速开关电磁阀的关闭，得到高速开关电磁阀关闭时间为1.6ms。

在本发明控制方法下，电磁阀控制信号如图2所示，首先根据PWM控制信号的维持占空比的确定方法，确定高速开关电磁阀在维持临界打开状态时的PWM控制信号的维持占空比A₀＝80％，从高速开关电磁阀开始打开时刻t_k至高速开关电磁阀预关闭时刻t_yg，采用PWM控制信号的频率为200HZ，占空比为100％，电压幅值为12V当接收到高速开关电磁阀的预关闭信号时，时刻为t_yg，设定高速开关电磁阀的PWM控制信号由100％降至维持占空比80％，并保持此占空比至高速开关电磁阀开始关闭时刻t_g，维持高速开关电磁阀的打开状态，当接收到高速开关电磁阀的关闭信号时，设定高速开关电磁阀的PWM控制信号由维持占空比80％降至0，完成高速开关电磁阀的关闭，得到高速开关电磁阀关闭时间为1.3ms。

综上所述，本发明的控制方法是通过控制器输出不同占空比的PWM信号控制开关电磁阀，降低了高速开关电磁阀在关闭时的平均电压，减少了高速开关电磁阀的关闭延时，实现了高速开关电磁阀的快速关闭。

Claims (2)

1.一种减少高速开关电磁阀关闭时延的控制方法，其特征是按以下步骤进行：

步骤1、计算高速开关电磁阀在维持临界打开状态时的PWM控制信号的维持占空比A₀；

所述PWM控制信号的维持占空比A₀是按如下试验方法确定：

步骤a1.1、将所述高速开关电磁阀接入电磁阀液压试验台系统，设定高速开关电磁阀的PWM控制信号的占空比的单位调节量为ΔA，设置PWM控制信号的占空比为100％，试验调节次数为n，并初始化n＝1；

定义计数器g，并初始化g＝0；

步骤a1.2、第n次试验时，按照占空比的单位调节量ΔA逐步减少所述PWM控制信号的占空比为100％-nΔA，并依次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相应压力变化情况；

步骤a1.3、判断第n次试验时，高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的相应压力是否小于第n-1次试验时的相应压力，若是，则令计数器g自加1，并执行步骤a1.4；否则，将计数器g清零，将n+1赋值给n后，并返回步骤a1.2；

步骤a1.4、判断g＝2是否成立，若成立，则将第n-2次试验时，所述电磁阀液压试验台系统的相应压力在维持不变的时刻所对应的PWM控制信号的占空比100％-(n-2)ΔA作为高速开关电磁阀的PWM控制信号的维持占空比；否则，将n+1赋值给n后，返回步骤a1.2；

步骤2、当接收到高速开关电磁阀的预关闭信号时，设定高速开关电磁阀的PWM控制信号由100％降至所述维持占空比A₀，并维持高速开关电磁阀的打开状态；

步骤3、当接收到高速开关电磁阀的关闭信号时，设定高速开关电磁阀的PWM控制信号由维持占空比A₀降至0，并关闭所述高速开关电磁阀。

2.根据权利要求1所述的减少高速开关电磁阀关闭时延的控制方法，其特征在于，所述步骤1中的PWM控制信号的维持占空比A₀还可以按以下推导方法确定：

步骤b1.1、利用式(1)计算高速开关电磁阀在维持临界打开状态时所受的电磁力F：

F＝F₁+F₂+F₃ (1)

式(1)中：F₁为黏性摩擦力，F₂为弹簧力，F₃为液动力，并有：

F₂＝K_sol(x_s+x₀) (3)

F₃＝2C_vC_dω_grax_sΔpcosθ (4)

式(2)-式(4)中：x_s为弹簧压缩量，B_sol为粘性阻尼系数，t为弹簧压缩时间，x₀为弹簧预压缩量，K_sol为高速开关电磁阀复位弹簧刚度系数，C_v为阀口速度系数，C_d为阀口流量系数，ω_gra为阀口面积梯度，Δp为阀口内外压差，θ为阀口射流角；

步骤b1.2、利用式(5)计算高速开关电磁阀在维持临界打开状态时受到的电流I：

式(5)中：B为磁感应强度，I为通过导体的电流，Len为导体的长度；

步骤b1.3、利用式(6)计算高速开关电磁阀在维持临界打开状态时PWM控制信号的维持占空比：

式(6)中：τ为高速开关电磁阀的时间常数，且τ＝L/R_L；R_L为高速开关电磁阀的等效电阻，L为高速开关电磁阀线圈等效电感量；D为PWM控制信号的维持占空比，T为PWM控制信号的脉冲周期。

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