CN111810697B - 一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统及其方法。系统包括占空比控制器、电压源、电流检测器、电磁阀、压力传感系统、控制器；通过在电磁阀预期开始时刻前，使线圈电流保持在一个略小于开启电流的状态，在电磁阀预期关闭时刻前，保持在一个略大于关闭电流的状态，大幅降低了启闭滞后时间。在开启阶段，使电流快速上升，减小了开启阶段的运动时间；在关闭阶段，使电流快速下降到0，减小了关闭阶段的运动时间。

Description

一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电磁阀控制领域，具体涉及一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统及方法。

背景技术

在电磁阀中，安匝数和工作气隙对电磁铁的电磁力影响最大。安匝数即线圈匝数与单圈线圈中电流的乘积。在磁通量未饱和的情况下，电流越大，电磁力越大；工作气隙越小，电磁力越大。由于电磁阀在开启时往往是电磁铁中工作气隙最大的时候，而关闭时往往是电磁铁中工作气隙最小的时候，因此开启电流比关闭电流大。

已有技术中高频电磁阀领域采用多电压源方式以达到高频控制功能，即采用高电压源作为激励电压，使电磁阀在短时间内开启；稳压电源提供维持电压，使电流保持在一个略大于关闭电流的值；负电压源提供一个较大的反向电压，使电流在短时间下降至关闭电流。三段式电压方法使电磁阀工作频率加快。

然而，该控制方法存在着一些不足。首先，多电压源使得系统的工况变得复杂，会产生较大误差。其次，该控制方法中各段电压的切换时间是根据系统电路中实际电流数值与理论电流数值的大小关系而确定的，并未考虑电磁阀阀芯的工作行程。而在高速电磁阀中，由于电磁阀的动态特性较弱，电磁铁的电流动态特性较好，该方法可能会导致电磁阀阀芯还未到达预期的工作行程而电压源提前切换。

发明内容

为了解决上述难点，本发明提出了一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统及方法。

本发明首先公开了一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统，包括占空比控制器、电压源、电流检测器、电磁阀、压力传感系统、控制器；压力传感系统与电磁阀各工作口连接实时获取电磁阀各工作口的压力状态；控制器与压力传感系统相连实时获取压力传感系统中的数据，控制器可根据获取的所述数据计算出当前状态下的系统开启电流和关闭电流，所述控制器包括控制信号产生单元，控制器产生控制信号；所述控制器与占空比控制器相连，占空比控制器与电压源相连，占空比控制器可输出高频方波信号(频率大于10kHz)给电压源，电压源接收到来自占空比控制器的高频方波信号后，将该高频方波信号进行放大，并输出高频电压方波(具体的放大规则为：经电压源放大后的高频方波信号频率不变，幅值变为与电压源相等)；电压源通过电流检测器与电磁阀的线圈相连。

作为本发明的优选方案，所述电压源输出高频的电压方波信号，其对电磁铁的激励作用可以等效成一个模拟电压，通过调节其电压方波信号的占空比来调节其输出的等效电压的值。

所述的控制信号产生单元产生的控制信号为方波信号，方波信号的占空比即电磁阀目标开启时间和周期时间比。该控制信号由操作者通过控制器内部的控制信号产生单元编程生成，控制信号参与控制器内部运算。控制器实时获取控制信号产生单元产生的控制信号的占空比、频率、上升沿时刻和下降沿时刻。当控制信号发生改变时，控制器也能获知改变后的控制信号的占空比、频率、上升沿时刻和下降沿时刻，从而知道下一周期的控制信号上升沿何时到来。

本发明还公开了一种所述系统的基于电压脉宽调制的电磁阀高动态控制方法，其包括如下步骤：

在控制信号上升沿到来之前，根据预加载阶段的持续时间，控制器提前触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为α的高频方波信号给电压源，电压源输出占空比为α的高频电压方波，其中0<α<1，预加载阶段后线圈电流围绕在一个略小于开启电流的数值上，做高频小幅的波动；

当控制信号上升沿到来时，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为100％的高频方波信号给电压源，电压源输出占空比为100％的电压方笔，线圈在电压源的激励下，电流迅速上升，由于电流在控制信号上升沿到来前就已经稳定在预加载电流状态，在电压源的激励下，电流将在短时间内上升至开启电流，此时，电磁阀阀芯开启移动，进入开启阶段，继续维持电压源的激励直至确保电磁阀完全开始；

然后，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为β的高频方波信号给电压源，电压源开始输出占空比为β的高频电压方波，其中0<β<1，电流逐渐下降，并最终围绕在一个略大于关闭电流的数值上做高频小幅的波动，以保持电磁阀开启状态；

当控制信号下降沿到来时，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为-100％的信号给电压源，在电压源的激励下，线圈电流迅速降低至关闭电流，此时阀芯开始运动，进行复位，电压源继续激励，直至电流降至0；

控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为0的方波信号给电压源，电压源开始输出占空比为0的电压方波，即不供电；直到下一个预加载阶段到来。

作为本发明的优选方案，所述预加载阶段中，经占空比为α的电压方波信号调制后的等效电压数值小于电磁阀线圈电阻与开启电流的乘积，在本发明的优选方案中，小于电磁阀线圈电阻与开启电流乘积的5％-10％。经占空比为β的电压方波信号调制后的等效电压数值大于电磁阀线圈电阻与关闭电流的乘积。在本发明的优选方案中，大于电磁阀线圈电阻与关闭电流乘积的5％-10％。

作为本发明的优选方案，所述开始阶段的持续时间等于该电磁阀在0电流状态下，采用所述的电压源激励电磁阀至完成行程所需时间，以确保电磁阀完全开始。

作为本发明的优选方案，所述的预加载阶段所需的持续时间的计算过程为：控制器根据当前电磁阀电流、线圈电阻和电感，计算线圈电流在采用占空比为α的高频电压方波所对应的等效电压进行激励时，电流上升至预加载电流所需的时间，该时间的基础上，延长设定的时间(优选，该时间的基础上，延长5％-10％的持续时间)，即作为预加载阶段的持续时间。

本发明的有益效果是：

1)压力传感器可以实时检测电磁阀进油口和工作口的油压，并反馈给控制器，控制器根据该电磁阀前期测试的数据自动计算出开启电流和关闭电流。

2)压力传感系统和控制器配合使用，工作过程中即使电磁阀的工况发生变化，控制器也能根据压力传感系统的压力值进行智能调节，使电磁阀具有工况的自适应能力；

3)通过在电磁阀预期启闭时刻前，提前加载相应的电压，使线圈电流保持在一个略小于开启电流的状态(开启阶段)，或保持在一个略大于关闭电流的状态(关闭阶段)，因此，大幅降低了启闭滞后时间。

4)本发明中经占空比为100％的高频方波信号调制后的电压源等于该电磁阀在0电流状态下，采用所述的电压源激励至电磁阀完成行程的所需时间；此方法的优势在于：可以保证电磁阀阀芯完成预期工作行程，并可以进一步提高开启阶段的动态特性。其原因是本发明采用了预加载的方法，从而使电磁阀完成行程所需时间小于一般情况下电磁阀完成行程的所需时间。且会存在一种情况，具体为：电磁阀动态特性较慢，而电磁铁的电流动态特性较好，如此一来，便会出现电流快速上升到了开启电流，而电磁铁却还在运动，即未完全开启的问题，如果此时占空比控制器就输出占空比为β的方波信号给电压源，就会降低开启阶段的动态特性，缩短开启阶段耗时。因此，本方案将高电压持续时间设置该电磁阀在0电流状态下，采用所述的经占空比为100％的高频方波信号调制后的电压源激励至电磁阀完成行程的所需时间，如此一来，便可确保在整个电压激励的阶段，电磁阀完成整个开启运动。

5)本发明在占空比控制器输出占空比为-100％的信号给电压源的状态下，使负电压继续激励，直至电流降低至0。该方法的优势在于，现有采用多电压源控制电磁阀的技术中，负电压源激线圈电流下降至小于关闭电流时，负电压源便会停止工作。由于在某些工况中，会出现电磁阀动态特性较慢，而电磁铁的电流动态特性很较好的情况，因此会出现电流已经降低到关闭电流以下，而电磁铁阀芯还处在缓慢回复的关闭运动状态中，此时若将反向电压源切换成零电压源，则会降低其关闭阶段的动态特性。而本发明中经占空比为-100％的高频方波信号调制后的电压源会一直工作直至电磁阀的电流降低到0。因为电流为0时，理论上电磁铁将不产生电磁力，因此，此时阀芯受到的合力最大，其回复运动的速度也最快。所以采用经占空比为-100％的高频方波信号调制后的电压源一直维持至将电流降低至0的方法可以提升电磁铁关闭阶段的动态特性，缩短电磁阀关闭阶段耗时。

6)单电压源相较于多电压源降低了设备成本。

7)单电压源占空比调节的控制方式不存在多电源切换现象，因此电源引起的短路的现象将不会出现，工作将更稳定。且与多电压源相比工况较为简单，许多工作误差将大幅降低。

附图说明

图1是本发明基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统的结构示意图。

图2是本发明控制信号和电流曲线图。

图3为单电压驱动的电磁阀的启闭特性；

图4为本发明方法驱动的电磁阀的启闭特性。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本实施例的基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统，包括占空比控制器1、电压源2、电流检测器3、电磁阀4、压力传感系统5、控制器6；压力传感系统5与电磁阀4各工作口连接实时获取电磁阀各工作口的压力状态；控制器6与压力传感系统5相连实时获取压力传感系统5中的数据，控制器6可根据获取的所述数据计算出当前状态下的系统开启电流和关闭电流，所述控制器包括控制信号产生单元，控制信号产生单元产生控制信号；所述控制器与占空比控制器1相连，占空比控制器1与电压源2相连，占空比控制器可输出方波信号给电压源；电压源2通过电流检测器3与电磁阀4的线圈相连。控制信号7由操作者输入，代表操作者期望获得的电磁阀启闭状态，即控制信号高电位代表操作者期望开关阀处于开启状态，控制信号低电位代表操作者期望开关阀处于关闭状态，为更清晰描述本方案，将控制信号画在控制器的外面(主要用于表示控制信号对控制器的作用关系)，其实该控制信号是由控制器本身生成(控制器内的控制信号生成单元生成)。

该系统在使用前，通过静态测试的方法，获得电磁阀线圈电阻和电感等电气参数。通过静态测试的方法，获得电磁阀在当前工况(当前工况指当前进油口压力PP和控制口压力PA，通过前期测试数据，用软件进行拟合可得电磁阀开启电流IO、电磁阀关闭电流IC与当前工况的函数表达式)开启所需的电流，定义为开启电流；在当前工况关闭所需的电流，定义为关闭电流。

如图2所示，图1所示系统基于电压脉宽调制的电磁阀高动态控制方法为：将电磁阀单个工作周期细分为5个阶段，根据时间顺序由前往后分别表示为①-⑤。其中①代表开启预加载阶段，②代表开启阶段，③代表开启维持阶段，④代表关闭阶段，⑤代表关闭维持阶段。阶段1结束时刻与控制信号上升沿时刻重合，阶段3结束时刻与控制信号下降沿重合。

控制器产生控制信号，在控制信号上升沿到来之前(此时代表操作者希望电磁阀开启)，控制器根据当前线圈电流状态和线圈的参数算出预加载阶段的持续时间，根据预加载阶段的持续时间，进入阶段1，控制器提前触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为α的高频方波信号给电压源，电压源开始输出占空比为α的高频电压方波，其中0<α<1，预加载阶段后达到一个电流围绕一个略小于开启电流的数值上，做高频小幅的波动的预加载电流状态；

当控制信号上升沿到来时，进入阶段2，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为100％的信号给电压源，线圈在经占空比为100％的高频电压方波信号调制后的电压源的激励下，电流迅速上升，由于电流在控制信号上升到来之前就已经稳定在了预加载电流状态，在经占空比为100％的高频方波信号调制后的电压源的激励下，电流将在短时间内上升至开启电流，此时电磁阀阀芯开始移动，进入开启阶段，控制占空比控制器输出占空比为100％的方波信号给电压源，继续保持直到持续时间Δt(即本发明经占空比为100％的高频方波信号调制后的电压源电压激励时间)为该电磁阀在电流状态为0时，采用同样的经占空比为100％的高频方波信号调制后的电压源持续加载直至阀完全开启的时间。采用本发明所选定的持续时间Δt肯定能够确保电磁阀在预加载电流的情况下经该持续时间后完全打开。因为本发明的预加载电流相比于起始电流为0时的情况已经增大了，所以，在0电流时经该时间能完全打开的话，那么在预加载电流的情况下，就肯定可以完全打开。

阶段2持续时间结束时，进入阶段3，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为β的方波信号给电压源，电压源开始输出占空比为β的电压方波，其中0<β<1，电流逐渐下降，并最终围绕在一个略大于关闭电流的数值上做高频小幅的波动，以保持电磁阀开启状态；

当控制信号下降沿到来时，进入阶段4，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为-100％的信号给电压源，在经占空比为-100％的高频方波信号调制后的电压源的激励下，线圈电流迅速降低至关闭电流，此时阀芯开始运动，进行复位，电压源继续激励，直至电流降至0；

当电流达到0时，进入阶段5，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为0的方波信号给电压源，电压源开始输出占空比为0的电压方波，即不供电。直到下一个控制周期到来，系统重复上述控制过程。

所述方案中经占空比为α的方波信号调制后的等效电压数值小于电磁阀线圈电阻与开启电流的乘积，一般小于电磁阀线圈电阻与开启电流的乘积的5％～10％；经占空比为β的方波信号调制后的等效电压数值大于电磁阀线圈电阻与关闭电流的乘积，一般大于电磁阀线圈电阻与关闭电流的乘积的5％～10％；

所述方案中的预加载阶段(阶段1)所需的持续时间的计算过程为：控制器根据当前电磁阀电流、线感电阻和电感，计算线圈当前电流上升至预加载电流所需的时间，在该时间的基础上，延长设定的时间(一般情况下在，该时间的基础上延长5％～10％的持续时间)，即作为阶段1的持续时间。

所述方案中的开启阶段(阶段2)所需的持续时间的计算过程为：经占空比为100％的高频方波信号调制后的电压源持续时间等于该电磁阀在0电流状态下，采用所述的经占空比为100％的高频方波信号调制后的电压源激励至电磁阀完成行程的所需时间，即作为阶段2的持续时间。

所述方案中的开启维持阶段(阶段3)所需的持续时间的计算过程为：阶段2结束时刻至控制信号下降沿到来时刻所持续的时间。

所述方案中的关闭阶段(阶段4)所需的持续时间的计算过程为：当前电流在反向电压激励下下降至0电流所需要的时间。

所述方案中的关闭维持阶段(阶段5)所需的持续时间的计算过程为：阶段4结束时刻至下一个阶段1开始时刻所持续的时间。

如图3所示，为采用24V单电压驱动的电磁阀的启闭特性示意图，从图中可见，经测试，该电磁阀的开启滞后3ms，开启运动2ms，关闭滞后6.8ms，关闭运动6.1ms。

如图4所示为本发明基于电压脉宽调制的电磁阀高动态控制方法控制的电磁阀的启闭特性示意图，在本实施例中，电压源为24V，预加载阶段占空比为29.1％，开启阶段占空比为100％，开启维持阶段占空比为20.8％，关闭阶段占空比为-100％，关闭维持阶段占空比为0％。经测试得到开启滞后时间为：0.5ms；开启运动时间为：1.9ms；关闭滞后时间为：0.2ms；关闭运动时间为：1.8ms。

本发明中经高电压持续时间等于该电磁阀在0电流状态下，采用所述的经占空比为100％的高频方波信号调制后的电压源激励至电磁阀完成行程的所需时间；此方法的优势在于：可以保证电磁阀阀芯完成预期工作行程，并可以进一步提高开启阶段的动态特性。其原因是本发明采用了预加载的方法，从而使电磁阀完成行程所需时间小于一般情况下电磁阀完成行程的所需时间。且会存在一种情况，具体为：电磁阀动态特性较慢，而电磁铁的电流动态特性较好，如此一来，便会出现电流快速上升到了开启电流，而电磁铁却还在运动，即未完全开启的问题，如果此时占空比控制器就输出占空比为β的方波信号给电压源，就会降低开启阶段的动态特性，缩短开启阶段耗时。因此，本方案将高电压持续时间设置该电磁阀在0电流状态下，采用所述的经占空比为100％的高频方波信号调制后的电压源激励至电磁阀完成行程的所需时间，如此一来，便可确保在整个电压激励的阶段，电磁阀完成整个开启运动。

本发明在占空比控制器输出占空比为-100％的信号给电压源的状态下，使负电压继续激励，直至电流降低至0。该方法的优势在于，现有采用多电压源控制电磁阀的技术中，负电压源激线圈电流下降至小于关闭电流时，负电压源便会停止工作。由于在某些工况中，会出现电磁阀动态特性较慢，而电磁铁的电流动态特性很较好的情况，因此会出现电流已经降低到关闭电流以下，而电磁铁阀芯还处在缓慢回复的关闭运动状态中，此时若将反向电压切换成零电压，则会降低其关闭阶段的动态特性。而本发明中经调制后的经占空比为-100％的高频方波信号调制后的电压源会一直工作直至电磁阀的电流降低到0。因为电流为0时，理论上电磁铁将不产生电磁力，因此，此时阀芯收到的合力最大，其回复运动的速度也最快。所以采用反向电压将电流降低至0的方法可以提升电磁铁关闭阶段的动态特性，缩短电磁阀关闭阶段耗时。

Claims (5)

1.一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统的控制方法，所述的电磁阀高动态控制系统包括占空比控制器（1）、电压源 （2）、电流检测器（3）、电磁阀（4）、压力传感系统（5）、控制器（6）；

压力传感系统（5）与电磁阀（4）各工作口连接实时获取电磁阀各工作口的压力状态；控制器（6）与压力传感系统（5）相连实时获取压力传感系统（5）中的数据，控制器（6）可根据所述数据计算出当前状态下的系统开启电流和关闭电流，所述控制器包括控制信号产生单元，控制信号产生单元产生控制信号；

所述控制器与占空比控制器（1）相连，占空比控制器（1）与电压源（2）相连并可输出高频方波信号给电压源，电压源根据接收到的高频方波信号，将高频方波信号进行放大，放大后的高频方波信号频率和占空比不变，幅值变为与电压源相等；电压源（2）通过电流检测器（3）与电磁阀（4）的线圈相连；

其特征在于，所述的控制方法包括如下步骤：

预加载阶段：在控制信号上升沿到来之前，根据预加载阶段的持续时间，控制器提前触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为α的高频方波信号给电压源，电压源输出占空比为α的电压方波，其中0<α<1，预加载阶段后线圈电流在一个小于开启电流设定比例的预加载电流数值上小幅波动；

开启阶段：当控制信号上升沿到来时，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为100%的高频方波信号给电压源，电压源输出占空比为100%的电压方波，线圈在占空比为100%的电压方波的激励下，电流迅速上升，由于电流在控制信号上升沿到来前就已经在预加载电流数值上小幅波动，在占空比为100%的电压方波的激励下，电流将在短时间内上升至开启电流，此时，电磁阀阀芯开启移动，进入开启阶段，继续维持电压源的激励直至确保电磁阀完全开始；

开启维持阶段：然后控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为β的高频方波信号给电压源，电压源开始输出占空比为β的电压方波，其中0<β<1，电流逐渐下降，并最终在一个大于关闭电流设定比例的维持电流数值上小幅波动，以保持电磁阀开启状态；

关闭阶段：当控制信号下降沿到来时，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为-100%的高频方波信号给电压源，电压源输出占空比为-100%的电压方波，在占空比为-100%的电压方波的激励下，线圈电流迅速降低至关闭电流，此时阀芯开始运动，进行复位，电压源继续激励，直至电流降至0；

关闭维持阶段：控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为0的高频方波信号给电压源，电压源开始输出占空比为0的电压方波，即不供电；直到下一个预加载阶段到来。

2.根据权利要求1所述的基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统的控制方法，其特征在于所述预加载阶段中，电压源输出的占空比为α的高频电压方波信号，经调制后的等效电压数值小于电磁阀线圈电阻与开启电流的乘积。

3.根据权利要求1所述的基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统的控制方法，其特征在于占空比为β的高频电压方波信号经调制后的等效电压数值大于电磁阀线圈电阻与关闭电流的乘积。

4.根据权利要求1所述的基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统的控制方法，其特征在于所述开启阶段的持续时间等于该电磁阀在0电流状态下，采用经占空比为100%的高频电压方波信号调制后的电压源激励电磁阀至完成行程所需时间，以确保电磁阀完全开始。

5.根据权利要求1所述的基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统的控制方法，其特征在于所述的预加载阶段所需的持续时间的计算过程为：控制器根据当前电磁阀电流、线圈电阻和电感，计算线圈电流在采用占空比为α的高频电压方波所对应的等效电压进行激励时，电流上升至预加载电流所需的时间，该时间的基础上，延长设定的时间作为预加载阶段的持续时间。

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