CN111834080A - 一种基于复合pwm的开关阀动态特性调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合PWM的开关阀动态特性调控方法，属于开关阀控制领域。本发明的控制方法分为若干阶段，通过控制器控制占空比控制器输出不同占空比的高频方波信号给电压源，电压源在不同阶段输出不同占空比的电压方波，使得高频开关阀的启闭动态特性可以调节。本发明进一步公开了在开关阀单周期持续时间较短情况下的开关阀启闭特性调整方案，并给出了开关阀的最慢启闭特性控制方法和最快启闭特性控制方法。本发明通过调节个阶段的占空比使得高频开关阀可满足使用者对高频开关阀启闭动态特性的不同需求，大大拓宽了高频开关阀工作范围。

Description

一种基于复合PWM的开关阀动态特性调控方法

技术领域

本发明属于开关阀控制领域，具体涉及一种基于复合PWM的开关阀动态特性调控方法。

背景技术

在开关阀中，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。由于开关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。

现有的高频开关阀领域中，绝大多数技术都是致力于如何缩短开关阀工作周期，提高其工作频率。少有技术着重于如何实现开关阀启闭动态特性可调节的功能。现有的高频开关阀因为不具备可调节启闭动态特性的功能，使其工作范围受限。

在开关阀开启阶段，当电流值|I|>开启电流时，开关阀开始开启运动；在开关阀关闭阶段，当电流值|I|<关闭电流时，开关阀开始关闭运动。当电气系统中的电器参数(电阻、电容)不变时，电流上升到某个数值的时间取决于初始电流和驱动电压的大小。调节开关阀的启闭动态特性可以从调节开关阀的滞后时间和运动时间两个方面着手。由于在高频率状态下，开关阀线圈电感效应明显，现有技术中在开关阀的开启和关闭阶段均会出现运动滞后现象，即在电压作用下，电流会因为电感效应产生滞后，要经过一段时间才能上升到预期电流值。运动滞后现象会产生运动滞后时间，开启阶段的运动滞后时间与开启阶段的初始电流有关，初始电流越接近开启电流，开启滞后时间越短；关闭阶段的运动滞后时间与关闭阶段开始时的初始电流有关，该初始电流越接近关闭电流，运动滞后时间越短。开关阀的开启运动时间和关闭运动时间与开启阶段的驱动电压和关闭阶段的驱动电压相关，驱动电压越大，运动时间就越短。

实现高频开关阀的滞后时间与运动时间的可调节性便能实现高频开关阀的动态特性可调节性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于复合PWM的开关阀动态特性调控方法。

本发明实施例公开了一种基于复合PWM的开关阀动态特性调控方法，其开关阀的线圈通过电流检测器与电压源相连；开关阀各工作口与压力传感系统连接用于实时获取开关阀各工作口的压力状态；开关阀内安装有位移传感器用于获取开关阀阀芯运动状态；电压源占空比控制器相连，占空比控制器与控制器相连并输出高频方波信号给电压源；控制器控制占空比控制器的输出，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，控制器与位移传感器相连获得开关阀完全打开和完全关闭的时刻；

将开关阀的一个工作周期分为5个阶段，通过控制每个周期各阶段的占空比进行开关阀启闭特性的调整，一个周期内开关阀启闭特性调整方法包括如下步骤：

1)开启初始阶段

在控制信号上升沿到来之前，控制器预先触发占空比控制器，占空比控制器输出高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波，在电压方波作用下，线圈电流最终围绕在开启初始电流I₁上做波动，所述开启初始电流的数值|I₁|小于开启电流数值|I_开启|；

2)开启阶段

控制信号上升沿到来时，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波，在电压方波作用下，线圈电流上升，当线圈电流达到开启电流I_开启时开关阀开始打开，电压方波持续作用直至开关阀完全打开；开关阀完全打开时触发位移传感器(5)，位移传感器(5)获取开关阀完全打开时的时刻并传输给控制器；

3)关闭初始阶段

开关阀完全打开时，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波，使线圈电流最终围绕在关闭初始电流I₃上做波动；所述关闭初始电流的数值|I₃|大于关闭电流数值|I_关闭|；

4)关闭阶段

控制信号下降沿到来时，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波，在电压方波作用下，线圈电流下降，当线圈电流下降至关闭电流I_关闭时，开关阀开始关闭，电压方波持续作用至开关阀完全关闭；开关阀完全关闭时触发位移传感器(5)，位移传感器(5)获取开关阀完全关闭时的时刻并传输给控制器；

5)关闭维持阶段

开关阀完全关闭后，位移传感器将信号传给控制器，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，电压源输出零电压，电流下降至零电流；直至下一个周期的到来。

作为本发明的一种可选开关阀启闭特性调整方法，在开启初始阶段，占空比控制器输出占空比恒定为a的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波，在该电压方波作用下，线圈电流最终围绕在开启初始电流I₁上做波动；占空比为a的电压方波形成的等效电压等于开启初始电流I₁与线圈电阻的乘积；

在开启阶段，占空比控制器输出占空比恒定为b的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波；

在关闭初始阶段，占空比控制器输出占空比恒定为c的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波，在该电压方波作用下，线圈电流最终围绕在关闭初始电流I₃上做波动；占空比为c的电压方波形成的等效电压等于关闭初始电流I₃与线圈电阻的乘积；

在关闭阶段，占空比控制器输出占空比恒定为d的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波。

为了满足更高频的开关阀工作环境下的启闭特性调整，作为本发明的另一种可选开关阀启闭特性调整方法，在开启初始阶段，占空比控制器首先输出占空比恒定为a1的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波，在该电压方波作用下，线圈电流数值达到所需开启初始电流I₁；之后占空比控制器输出占空比恒定为a2的高频方波信号给电压源，使线圈电流始终维持在开启初始电流I₁上做波动；

在开启阶段，占空比控制器输出占空比恒定为b的高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波；

在关闭初始阶段，占空比控制器输出占空比恒定为c的高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波，在该电压方波作用下，线圈电流最终围绕在关闭初始电流I₃上做波动；

在关闭阶段，占空比控制器输出占空比恒定为d的高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波。

为了更进一步满足更高频的开关阀工作环境下的启闭特性调整，作为本发明的另一种可选开关阀启闭特性调整方法，

在开启初始阶段，占空比控制器首先输出占空比恒定为a1的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波，在该电压方波作用下，线圈电流数值达到所需开启初始电流I₁；之后占空比控制器输出占空比恒定为a2的高频方波信号给电压源，使线圈电流始终维持在开启初始电流I₁上做波动；

在开启阶段，占空比控制器输出占空比恒定为b的高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波；

在关闭初始阶段，占空比控制器首先输出占空比恒定为c1的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波，在该电压方波作用下，线圈电流数值达到所需关闭初始电流I₃；之后占空比控制器输出占空比恒定为c2的高频方波信号给电压源，使线圈电流始终维持在关闭初始电流I₃上做波动；

在关闭阶段，占空比控制器输出占空比恒定为d的高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波。

作为本发明的优选方案，所述的电压源(2)接收到来自占空比控制器的高频方波信号后，将该方波信号进行放大并输出；其中，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。

作为本发明的优选方案，所述的控制器实时获得压力传感系统中的数据，从而计算出当前状态下的开关阀的开启电流和关闭电流；

所述控制器还包括控制信号产生单元，控制信号产生单元产生控制信号，控制器能获知控制信号的占空比、频率、上升沿时刻和下降沿时刻。

作为本发明的优选方案，占空比为a的电压方波形成的等效电压等于开启初始电流I₁与线圈电阻的乘积；占空比为c的电压方波形成的等效电压等于关闭初始电流I₃与线圈电阻的乘积。

需要说明的是，各阶段最终达到的电流状态均为在各阶段相应占空比的电压方波持续作用下最终达到的电流状态。其中各阶段最终电流值与线圈电阻的乘积即为各阶段相应占空比为电压方波形成的等效电压值。

作为本发明的优选方案，记所述开启初始阶段的开始时刻为t₀，t₀时刻的确定方法为：计算在占空比为a的电压方波的作用下，从当前电流状态到开启初始电流I₁所需的时间T₀，在T₀的基础上延长设定比例时间作为开启初始电流生成阶段的持续时间T₁，根据上升沿时刻和持续时间T₁即可求得开始时刻t₀。

作为本发明的优选方案，开关阀的开启或关闭不受开关阀线圈中电流方向的影响，仅与电流值有关，因此指定电流的其中一个方向为正，另一反向为负；电流、电压正值表示与指定方向同向，负值表示与指定方向反向；设当前开关阀以正电流值进行开启，则：

开启初始电流生成阶段中，增大占空比a(或a1)值，即增大开启初始电压的等效电压值，可提高开关阀启闭动态特性；反之，降低占空比a(或a1)值，可降低开关阀启闭动态特性；

开启阶段中，增大高频方波信号的占空比b值,即提高占空比为b的开启阶段电压的等效电压值，可提高开关阀启闭动态特性；反之，降低占空比b值，可降低开关阀启闭动态特性；

关闭初始电流生成阶段中，降低第三阶段中占空比控制器输出的高频方波信号的占空比c(或c1)值,即降低占空比为c(或c1)的关闭初始电压的等效电压值，可提高开关阀启闭动态特性；反之，增加占空比c(或c1)值，可降低开关阀启闭动态特性；

关闭阶段中，降低占空比控制器输出的高频方波信号的占空比d值，即降低占空比为d的关闭阶段电压的等效电压值，以提高开关阀启闭动态特性；反之，增大占空比d值，可降低开关阀启闭动态特性。

作为本发明的优选方案，开启初始电流生成阶段中，在占空比a的电压方波作用下，该阶段最终的开启初始电流数值小于开启电流I_开启；

开启阶段中，在占空比b的电压方波作用下，该阶段最终达到的电流数值大于开启电流I_开启；

关闭初始电流生成阶段中，在占空比c的电压方波作用下，该阶段最终达到的关闭初始电流数值大于关闭电流I_关闭；

关闭阶段中，在占空比d的电压方波作用下，该阶段最终达到的电流数值小于关闭电流I_关闭。

本发明还公开了一种开关阀达到最慢启闭动态特性的控制方法：

其中，在开启初始阶段中，选择占空比a，使最终达到的开启初始电流I₁满足如下两个条件：1)电流方向与指定方向相反，2)电流数值为最大允许开启初始电流值|I_1max|，所述的最大允许初始电流值是所能达到的小于|I_开启|的电流数值中的最大值；

在开启阶段，选择占空比b，使所述的开启阶段电流满足如下两个条件：1)电流方向与指定方向相同，2)电流数值是最小允许开启电流值，所述的最小允许开启电流值是所能达到的大于开启电流|I_开启|的电流数值中的最小值；

关闭初始阶段中，所述的占空比c选择为1；

关闭阶段中，选择占空比d，使关闭阶段电流I₄满足如下两个条件：1)电流方向与指定方向相同，2)电流数值是最大允许关闭电流值，所述最大允许关闭电流值是小于|I_关闭|的电流数值中的最大值；

关闭维持阶段中，开关阀完全关闭后，位移传感器将信号传给控制器，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，电压源输出零电压，电流下降至零电流；直至下一个周期的到来。

本发明还公开了一种开关阀达到最快启闭动态特性的控制方法：

其中，在开启初始阶段中，选择占空比a，使最终达到的开启初始电流I₁满足如下两个条件：1)电流方向与指定方向相同，2)电流数值为最大允许开启初始电流值|I_1max|，所述的最大允许初始电流值是所能达到的小于|I_开启|的电流数值中的最大值；

在开启阶段，选择占空比b为1；

关闭初始阶段中，选择占空比c，使最终达到的关闭初始电流I₃满足如下两个条件：1)电流方向与指定方向相同，2)电流数值是最小允许关闭初始电流值|I_3min|，所述的最小允许关闭初始电流值是所能达到的大于关闭电流|I_关闭|的电流数值中的最小值；

关闭阶段中，选择占空比d为-1。

关闭维持阶段中，开关阀完全关闭后，位移传感器将信号传给控制器，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，电压源输出零电压，电流下降至零电流；直至下一个周期的到来。

与现有技术相比，本发明提供了一套基于电压脉宽调制的开关阀启闭特性调整方法，首先通过将单个开关阀的工作周期划分为5个阶段，从而能使开关阀根据开关信号做出开关阀开闭动作的响应，满足开关阀最基本的工作需求；其次，本发明采用一个电压源即可实现调控，本发明通过占空比的控制，即可实现开关阀启闭特性的调整，硬件系统简单，可靠性高。另外，本发明各阶段的占空比均独立可调，从而可以根据需求达到不同的开启特征调整和关闭特性调整，以满足控制工况对于其闭特性的各种需求；且不同周期下同一阶段的占空比也可以调整，大大拓宽了高频开关阀工作范围。

最后，针对更为高频的需求，本发明在将工作周期划分为5个阶段的前提下，进一步优化开启初始阶段和/或关闭初始阶段，在相应的阶段中增加电流维持阶段，缩短电流调整过程在整个周期中的时间占比，从而使开关阀即使面对更高频的工作环境，也能满足用户对于启闭特性可调的需求。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明5阶段方案控制信号和电流曲线图；

图3是本发明6阶段方案控制信号和电流曲线图；

图4是本发明7阶段方案控制信号和电流曲线图；

图5是开启阶段开关阀最快动态特性和最慢动态特性对比图；

图6是关闭阶段开关阀最快动态特性和最慢动态特性对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

一、硬件系统

如图1所示，本发明的可选硬件系统其组成可包括占空比控制器1、电压源2、电流检测器3、开关阀4、压力传感系统6、位移传感器5、控制器7；

开关阀的线圈通过电流检测器3与电压源2相连，控制器与占空比控制器相连，占空比控制器与电压源相连输出高频方波信号给电压源，压力传感系统6与开关阀4各工作口连接实时获取开关阀各工作口的压力状态；位移传感器5与开关阀4相连获取开关阀阀芯运动状态；控制器7与压力传感系统6相连实时获取压力传感系统6中的数据，控制器7与位移传感器5相连获得开关阀完全打开和完全关闭的时刻；控制器控制占空比控制器1的输出。

位移传感器采用直线位移传感器，直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。

本实施例中的压力传感系统与开关阀相连，由此实时获得开关阀各工作口的压力状态。位移传感器与开关阀相连，由此获得开关阀运动状态，从而获得开关阀完全打开和完全关闭的时刻。控制器与压力传感系统相连，所述控制器包括控制信号产生单元。控制信号的上升沿表示操作者希望开关阀开启，控制信号高电位表示操作者希望开关阀处于开启状态，控制信号下降沿表示操作者希望开关阀关闭，控制信号低电位表示操作者希望开关阀处于关闭状态。

控制器实时获得压力传感系统中的数据，从而计算出当前状态下的系统开启电流和关闭电流。控制器产生控制信号，即该控制信号由控制器本身产生，参与控制器内部计算和数字触发等运算。控制器实时获得位移传感器中的数据，即获得开关阀完全开启和关闭的时刻。

为方便阐述，图1中将控制信号画在控制器外面。该控制信号为频率和占空比均可调的方波。由于该控制信号为控制器本身产生，因此，控制器也能获知不同状态下的控制信号的占空比、频率、上升沿时刻和下降沿时刻，得知下一个周期的控制信号上升沿何时到来。

二、开关阀启闭特性调整方法

本文说明的电压脉宽调制的开关阀启闭特性调整方法是根据改变开启和关闭时的开关阀运动滞后时间、开启和关闭时的开关阀工作运动时间来改变开关阀的启闭动态特性。以下介绍本发明相应调整方法下的最慢启闭特性方案和最快启闭特性方案。实际工作中，可根据对于启闭特性的需求，通过占空比的控制，使启闭特性可以在最慢启闭特性方案和最快启闭特性方案之间进行调整。

作为本发明最基本的开关阀启闭特性调整方法，将开关阀工作周期分为五个阶段：第一阶段为开启初始阶段、第二阶段为开启阶段，第三阶段为关闭初始阶段，第四阶段为关闭阶段、第五阶段为关闭维持阶段。

开关阀的开启或关闭不受开关阀线圈中电流方向的影响，仅与电流值有关，因此指定电流的其中一个方向为正，另一反向为负；电流、电压正值表示与指定方向同向，负值表示与指定方向反向。

2.1最慢启闭特性方案

方案1

如图2左图所示，设当前开关阀以正电流值进行开启(以负电流值进行开启时，原理和过程与以正电流值完全相同，只需占空比值、电压和电流取相反的符号即可)，开关阀达到最慢动态特性所采用的控制方法的步骤包括如下：

1)开启初始阶段

在控制信号上升沿到来之前，控制器根据当前线圈的电器参数和压力传感器中得到的数据算出在开启初始电压的作用下，电流从当前电流状态上升到开启初始电流的时间，为了控制方法的可行，一般可在这个时间的基础上延长5％～10％，将此时间作为第一阶段的时间。控制信号的上升沿到来时刻是第一阶段的结束时刻，控制器根据已经算得的第一阶段持续时间，可得出第一阶段的开始时刻，在开始时刻，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a的高频方波信号给电压源，其中a取负值，(a的取值规则为：a*电压源的电压值＝负的最大允许开启初始电压值，该值＝负开启电压*β，其中β表示了硬件系统的控制精度，为了能稳定输出最大允许开启初始电压值，且保证在该脉冲电压作用下不至于发生开关阀开启的情况，β一般可取为0.90-0.95；负开启电压＝负开始电流*线圈电阻)，电压源输出相同占空比的电压方波，该占空比电压方波所形成的等效电压即为负的最大允许开启初始电压值。即开启初始电压方向为负向。在此电压作用下，电流下降至负的最大允许开启初始电流值，一般可取为负开启电流(负开启电流*线圈电阻＝负开启电压)的90％～95％，并最终围绕在开始初始电流数值上做高频小幅波动。

2)开启阶段

控制信号上升沿到来时，进入第二阶段。控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为b，b为正值(b的取值规则为:b*电压源的电压值＝最小允许开启电压值，最小允许开启电压值一般可取为1.05-1.1倍的开启电压值)的高频方波信号给电压源，电压源输出占空比为b的电压方波，即开启阶段电压。开启阶段电压值略大于开启电压，在此电压作用下线圈电流上升到开启阶段电流，开启阶段电流略大于开启电流(开启电流*线圈电阻＝开启电压)，此时开关阀开始打开，电流最终围绕在开启电流数值上做高频小幅波动，开启阶段电压持续至开关阀完全打开；开关阀完全打开时触发位移传感器(4)，位移传感器(4)获取开关阀完全打开时的时刻；

其中，从控制信号上升沿时刻到线圈电流达到开启电流的时刻为开启运动滞后时间T_a；从线圈电流达到开启电流时刻至开关阀完全打开的时刻为开启运动时间T_b；

3)关闭初始阶段

当开关阀完全打开时，触发位移传感器，位移传感器将信号传递给控制器，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为c的高频方波信号给电压源，为了达到最慢的启闭特性，此时c＝100％，电压源输出占空比为c的电压方波，即关闭初始电压。在此电压的作用下线圈电流上升至关闭初始电流，此时的关闭初始电流是线圈电流能达到的最大的正向电流值，电流一直维持在关闭初始电流直到控制信号下降沿到来；

4)关闭阶段

控制信号下降沿到来时，进入第四阶段，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为d的高频方波信号给电压源，电压源输出占空比为d(0<d<1)(d的取值规则为:d*电压源的电压值＝最大允许关闭电压，最大允许关闭电压一般可取0.90-0.95倍的关闭电压值)的电压方波，即关闭阶段电压。在此电压作用下，线圈电流下降至关闭电流(关闭电流*线圈电阻＝关闭电压)，最终围绕在略小于关闭电流数值(小于关闭电流5％～10％)上做高频小幅波动，当线圈电流下降至关闭电流时开关阀开始关闭，关闭阶段电压持续至开关阀完全关闭；开关阀完全关闭时触发位移传感器(4)，位移传感器(4)获取开关阀完全关闭时的时刻；

其中，从控制信号下降沿时刻到线圈电流达到关闭电流的时刻为关闭运动滞后时间T_c；从线圈电流达到关闭电流的时刻至开关阀完全关闭的时刻为关闭运动时间T_d；

5)关闭维持阶段

当开关阀完全关闭时，进入第五阶段，触发位移传感器，位移传感器将信号传递给控制器，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。电流下降至零电流。直至下一个周期的到来，系统重复上述的步骤。

第一阶段的开启初始电流是能够保证开关阀处于关闭状态的最大负电流值，这样就保证了在第二阶段中线圈电流从开启初始电流上升至开启电流的跨度最大；第二阶段中的驱动电压是开启阶段电压，其数值略大于开启电压数值，是能保证电流上升至开启电流的最小电压值，这使得电流从开启初始电流上升到开启电流的速率最小。上述两点结合，使得电流从开启初始电流上升到开启电流所用时间最长，即开启运动滞后时间(T_a)最长。

第二阶段中，开启电压是能否打开开关阀的临界值。低于该电压，电流上升不到开启电流，电磁力无法克服阻力，开关阀无法打开。因此当开启阶段电压等于开启电压时，既能保证电流达到开启电流，电磁力大于阻力，能使开关阀开启，同时又保证开关阀以最长的时间打开，即开启运动时间(T_b)最长。

第三阶段驱动电压是关闭初始电压，经占空比为100％的高频方波信号调制后得到的电压，其等效电压值是该系统能达到的最大电压值，保证关闭初始电流上升到最大值。这样能够保证在第四阶段中从关闭初始电流下降至关闭电流的跨度最大；第四阶段中的驱动电压是关闭阶段电压，经占空比为d的高频方波信号调制后得到的电压，其等效电压值是保证电流能下降到关闭电流之下的最大电压值，这使得电流从关闭初始电流下降到关闭电流的速率最小。上述两点相结合，使得电流从关闭初始电流下降到关闭电流所用时间最长，即关闭运动滞后时间(T_c)最长。

开关阀关闭运动时，开关阀产生的电磁力是关闭运动的阻力，此时驱动电压越大，开关阀关闭运动的阻力就越大，关闭运动时间越长。关闭电压是开关阀能否关闭的临界值，当电压值大于关闭电压值，电流无法下降到关闭电流之下，电磁力大于阻力，开关阀不能关闭。当关闭阶段电压值略小于关闭电压值时，既能保证线圈电流能下降到关闭电流之下，电磁力小于阻力，开关阀可以关闭，也能保证开关阀关闭过程中受到的合力最小，使关闭运动时间(T_d)最长。

方案2

当开关阀工作在高频情况下时，单一周期的持续时间较短，此时图2左图所示方案可能因各电流调整过程持续时间较长而无法满足高频要求。此时，可在图2左图所示最慢控制方案的基础上，将开启初始阶段分为两个子阶段，即分为开启初始电流生成阶段和开启初始电流维持阶段。整个方案2相当于有6个阶段。

如图3左图所示，该方案是在开启初始电流生成阶段，选用相比与图2左图数值更大的占空比以更快的速度达到开启初始电流；而后在开启初始电流维持阶段，调整占空比以持续维持开启初始电流。开启初始电流维持阶段的时间可以根据需求调整，极限情况下甚至可缩短为0，这样整个开启初始阶段的所需时间相比于图2左图方案就缩短了，可以更好的满足高频需求。另外需要说明的是，由于开启初始电流(负的最大允许开启初始电流值)及其它阶段所要达到的电流未做变化，图2左图和图3左图所示的方案的开闭动态特性是完全一样的。

由于图3左图方案的其它阶段与图2左图一致，以下仅对图3左图所示的最慢启闭特性下的开启初始阶段做描述：

首先，占空比控制器直接输出占空比为-1的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波，在此电压作用下，电流迅速下降至负的最大允许开启初始电流值(可取为负开启电流(负开启电流*线圈电阻＝负开启电压)的90％～95％)。该过程中，由于占空比已知，目标电流已知，根据开关阀的线圈参数，其持续时间是可计算的。

然后，占空比控制器输出占空比恒定为a2的高频方波信号给电压源，使线圈电流始终维持在负的最大允许开启初始电流值上做高频小幅波动；由于最大允许开启初始电流值已知，根据开关阀的线圈参数，占空比a2是可求的。

图4所示为进一步缩短关闭初始阶段所占时间的方案，其思想是在关闭初始电流生成阶段，选用相比与图3数值(绝对值)更大的占空比以更快的速度达到关闭初始电流；而后在关闭初始电流维持阶段，调整占空比以持续维持关闭初始电流。关闭初始电流维持阶段的时间可以根据需求调整，极限情况下甚至可缩短为0。由于图3左图所示方案在关闭初始阶段已经采用了占空比为100％的电压方波，已经是占空比最大的方案，因此图4左图所示方案与图3左图所示方案相同。

2.1最快启闭特性方案

方案1

如图2右图所示，设当前开关阀以正电流值进行开启，开关阀达到最快周期所采用的控制方法的步骤包括如下：

1)开启初始阶段

在控制信号上升沿到来之前，控制器根据当前线圈的电器参数和压力传感器中得到的数据算出在开启初始电压的作用下，电流从零状态上升到开启初始电流的时间，为了控制方法的稳定可行，一般可在这个时间的基础上延长5％～10％，将此时间作为第一阶段的时间。控制信号的上升沿到来时刻是第一阶段的结束时刻。在控制信号上升沿到来之前，控制器根据已经算得的第一阶段持续时间，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a的高频方波信号给电压源(a的取值规则为：a*电压源的电压值＝最大允许开启初始电压值，该值＝开启电压*β，其中β表示了硬件系统的控制精度，为了能稳定输出最大允许开启初始电压值，且保证在该脉冲电压作用下不至于发生开关阀开启的情况，β一般可取为0.90-0.95；开启电压＝开始电流*线圈电阻)，电压源开始输出占空比为a的电压方波，即为开启初始电压，开启初始电压值等于开启初始电流与线圈电阻的乘积。在此电压的作用下，电流上升至开启初始电流，最终围绕在开启初始电流数值上做高频小幅波动。

2)开启阶段

控制信号上升沿到来时，进入第二阶段。控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为b(此时b＝100％)的高频方波信号给电压源，电压源输出占空比为b的电压方波，即开启阶段电压，在此电压作用下线圈电流调上升到开启电流，此时开关阀开始打开，开启阶段电压继续维持，直到开关阀完全打开；开关阀完全打开时触发位移传感器(4)，位移传感器(4)获取开关阀完全打开时的时刻；

3)关闭初始阶段

当开关阀完全打开时，进入第三阶段。控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为c的高频方波信号给电压源(c的取值规则为:c*电压源的电压值＝最小允许关闭初始电压，最小允许关闭初始电压一般为1.05-1.10倍的关闭电压)，电压源输出占空比为c的电压方波，最小允许关闭初始电压是保证电流不会下降至关闭电流所能达到的最小电压值。线圈电流在最小允许关闭初始电压作用下下降到最小允许关闭初始电流(最小允许关闭初始电流略大于关闭电流)，最终围绕在最小允许关闭初始电流数值上做高频小幅波动。此电压一直持续到控制信号下降沿到来。第三阶段的持续时间是第二阶段结束时刻至控制信号下降沿到来时刻之间的时间间隔。

4)关闭阶段

控制信号下降沿到来时，进入第四阶段，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为d(此时d＝-100％)的高频方波信号给电压源，电压源输出占空比为d的电压方波，即关闭阶段电压。在此电压作用下线圈电流迅速下降到关闭电流并持续下降至零。当线圈电流小于关闭电流时，开关阀开始关闭运动。由于第三阶段中电流已经达到了关闭初始电流，关闭初始电流略大于关闭电流，同时由于第四阶段的驱动电压是经占空比为-100％的高频方波信号调制后的负向电压，使得电流将在很短的时间内下降到关闭电流，即关闭运动滞后时间十分短暂。开关阀在第四阶段电压作用下完全关闭。第四阶段的持续时间等于从第三阶段结束时刻至开关阀完全关闭时刻的时间间隔。

5)关闭维持阶段

当开关阀完全关闭时，进入第五阶阶段。位移传感器将信号传递给控制器，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。电流下降至零电流。直至下一个周期的到来，系统重复上述的步骤。

由于第一阶段中电流已经到达了开启初始电流，即略小于开启电流，保证从开启初始电流上升至开启电流的跨度最小。第二阶段驱动电压是开启驱动电压，开启阶段电压是经占空比为100％的高频方波信号调制后得到的电压，其等效电压值是该系统能达到的最大电压值。在第二阶段的开启阶段电压驱动下，保证线圈电流从开启初始电流上升到开启电流的时间最短，即开启运动滞后时间最短(T_a＇)。同时也保证了开关阀开启运动中线圈电流增长速度最快，即电磁力增长的最快，保证了开关阀开启运动时间(T_b＇)最短。

第三阶段的驱动电压略大于关闭电压，保证关闭初始电流略大于关闭电流，并且是能够达到的最小值。这保证了在第四阶段的负最大电压中线圈电流从关闭初始电流下降到关闭电流的时间最短，即关闭运动滞后时间(T_c＇)最短。

第四阶段的驱动电压是关闭阶段电压，是经占空比为-100％的高频方波信号调制后得到的电压，其等效电压值是该系统能达到的最大负电压值。开关阀关闭运动中，电磁力是阻力，采用最大负电压能保证线圈电流最快速度达到零，使电磁力下降速度最快，使关闭运动中的合力达到最大值。从而保证开关阀关闭运动时间(T_d＇)最短。

通过高频开关电压在不同阶段采用不同的驱动电压，使得高频开关阀的启闭动态特性可以调节。调节使得高频开关阀可满足使用者对高频开关阀启闭动态特性的不同需求。大大拓宽了高频开关阀工作范围。

方案2

当开关阀工作在高频情况下时，单一周期的持续时间较短，此时图2右图所示方案可能因各电流调整过程持续时间较长而无法满足高频要求。此时，可在图2右图所示最快控制方案的基础上，将开启初始阶段分为两个子阶段，即分为开启初始电流生成阶段和开启初始电流维持阶段。整个方案2相当于有6个阶段。

如图3右图所示，该方案是在开启初始电流生成阶段，选用相比与图2右图数值更大的占空比以更快的速度达到开启初始电流；而后在开启初始电流维持阶段，调整占空比以持续维持开启初始电流。开启初始电流维持阶段的时间可以根据需求调整，极限情况下甚至可缩短为0，这样整个开启初始阶段的所需时间相比于图2右图方案就缩短了，可以更好的满足高频需求。另外需要说明的是，由于开启初始电流(最大允许开启初始电流值)及其它阶段所要达到的电流未做变化，图2右图和图3右图所示的方案的开闭动态特性是完全一样的。

由于图3右图方案的其它阶段与图2右图一致，以下仅对图3右图所示的最快启闭特性下的开启初始阶段做描述：

首先，占空比控制器直接输出占空比为1的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波，在此电压作用下，电流迅速上升至最大允许开启初始电流值(可取为开启电流(开启电流*线圈电阻＝开启电压)的90％～95％)。该过程中，由于占空比已知，目标电流已知，根据开关阀的线圈参数，其持续时间是可计算的。

然后，占空比控制器输出占空比恒定为a2的高频方波信号给电压源，使线圈电流始终维持在最大允许开启初始电流值上做高频小幅波动；由于最大允许开启初始电流值已知，根据开关阀的线圈参数，占空比a2是可求的。

方案3

当开关阀工作在更为高频情况下时，单一周期的持续时间将更短，此时图2右图和图3右图所示方案可能均无法满足高频要求。此时，可在图3右图所示最慢控制方案的基础上，将关闭初始阶段分为两个子阶段，即分为关闭初始电流生成阶段和关闭初始电流维持阶段。整个方案3相当于有7个阶段。

如图4右图所示，该方案的思想是在关闭初始电流生成阶段，选用相比与图3右图数值(绝对值)更大的占空比以更快的速度达到关闭初始电流；而后在关闭初始电流维持阶段，调整占空比以持续维持关闭初始电流。关闭初始电流维持阶段的时间可以根据需求调整，极限情况下甚至可缩短为0，这样整个关闭初始阶段的所需时间相比于图3右图方案就缩短了，可以更好的满足高频需求。另外同样需要说明的是，由于开启初始电流(最大允许开启初始电流)及其它阶段所要达到的电流未做变化，图2-图4右图所示的方案的开闭动态特性是完全一样的。

由于图4右图方案的其它阶段与图3右图一致，以下仅对图4右图所示的最快启闭特性下的关闭初始阶段做描述：

在关闭初始阶段，首先，占空比控制器直接输出占空比为-1的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波，在此电压作用下，电流迅速下降至最小允许关闭初始电流值(可取为关闭电流(关闭电流*线圈电阻＝关闭电压)的105％～110％)。该过程中，由于占空比已知，目标电流已知，根据开关阀的线圈参数，其持续时间是可计算的。

然后，占空比控制器输出占空比恒定为c2的高频方波信号给电压源，使线圈电流始终维持在最小允许关闭初始电流值上做高频小幅波动；由于最小允许关闭初始电流值已知，根据开关阀的线圈参数，占空比c2是可求的。

本发明中开关阀的启闭动态特性调节范围是(T_a+T_b+T_c+T_d)至(T_a＇+T_b＇+T_c＇+T_d＇)。

图5中可看出，在开关阀开启阶段，最快启闭动态特性中的开启滞后时间和开启运动时间(T_a’、T_b’)都远远短与最慢启闭动态特性中的开启滞后运动时间和开启运动时间(T_a、T_b)。

图6中可看出，在开关阀关闭阶段，最快启闭动态特性中的关闭滞后时间关闭运动时间(T_c’、T_d’)都远远短与最慢启闭动态特性中的关闭滞后运动时间和关闭运动时间(T_c、T_d)。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于复合PWM的开关阀动态特性调控方法，其特征在于开关阀的线圈通过电流检测器(3)与电压源(2)相连；开关阀(4)各工作口与压力传感系统(6)连接用于实时获取开关阀各工作口的压力状态；开关阀(4)内安装有位移传感器用于获取开关阀阀芯运动状态；电压源(2)占空比控制器(1)相连，占空比控制器(1)与控制器(7)相连并输出高频方波信号给电压源；控制器(7)控制占空比控制器(1)的输出，控制器(7)与压力传感系统(6)相连实时获取压力传感系统(6)中的数据，控制器(7)与位移传感器(5)相连获得开关阀完全打开和完全关闭的时刻；

将开关阀的一个工作周期分为5个阶段，通过控制每个周期各阶段的占空比进行开关阀启闭特性的调整，一个周期内开关阀启闭特性调整方法包括如下步骤：

1)开启初始阶段

在控制信号上升沿到来之前，控制器预先触发占空比控制器，占空比控制器输出高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波，在电压方波作用下，线圈电流最终围绕在开启初始电流I₁上做波动，所述开启初始电流的数值|I₁|小于开启电流数值|I_开启|；

2)开启阶段

控制信号上升沿到来时，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波，在电压方波作用下，线圈电流上升，当线圈电流达到开启电流I_开启时开关阀开始打开，电压方波持续作用直至开关阀完全打开；开关阀完全打开时触发位移传感器(5)，位移传感器(5)获取开关阀完全打开时的时刻并传输给控制器；

3)关闭初始阶段

开关阀完全打开时，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波，使线圈电流最终围绕在关闭初始电流I₃上做波动；所述关闭初始电流的数值|I₃|大于关闭电流数值|I_关闭|；

4)关闭阶段

控制信号下降沿到来时，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波，在电压方波作用下，线圈电流下降，当线圈电流下降至关闭电流I_关闭时，开关阀开始关闭，电压方波持续作用至开关阀完全关闭；开关阀完全关闭时触发位移传感器(5)，位移传感器(5)获取开关阀完全关闭时的时刻并传输给控制器；

5)关闭维持阶段

开关阀完全关闭后，位移传感器将信号传给控制器，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，电压源输出零电压，电流下降至零电流；直至下一个周期的到来。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在开启初始阶段，占空比控制器输出占空比恒定为a的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波，在该电压方波作用下，线圈电流最终围绕在开启初始电流I₁上做波动；占空比为a的电压方波形成的等效电压等于开启初始电流I₁与线圈电阻的乘积；

在开启阶段，占空比控制器输出占空比恒定为b的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波；

在关闭初始阶段，占空比控制器输出占空比恒定为c的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波，在该电压方波作用下，线圈电流最终围绕在关闭初始电流I₃上做波动；占空比为c的电压方波形成的等效电压等于关闭初始电流I₃与线圈电阻的乘积；

在关闭阶段，占空比控制器输出占空比恒定为d的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在开启初始阶段，占空比控制器首先输出占空比恒定为a1的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波，在该电压方波作用下，线圈电流数值达到所需开启初始电流I₁；之后占空比控制器输出占空比恒定为a2的高频方波信号给电压源，使线圈电流始终维持在开启初始电流I₁上做波动；

在开启阶段，占空比控制器输出占空比恒定为b的高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波；

在关闭初始阶段，占空比控制器输出占空比恒定为c的高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波，在该电压方波作用下，线圈电流最终围绕在关闭初始电流I₃上做波动；

在关闭阶段，占空比控制器输出占空比恒定为d的高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在开启初始阶段，占空比控制器首先输出占空比恒定为a1的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波，在该电压方波作用下，线圈电流数值达到所需开启初始电流I₁；之后占空比控制器输出占空比恒定为a2的高频方波信号给电压源，使线圈电流始终维持在开启初始电流I₁上做波动；

在开启阶段，占空比控制器输出占空比恒定为b的高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波；

在关闭初始阶段，占空比控制器首先输出占空比恒定为c1的高频方波信号给电压源，电压源输出相同占空比的电压方波，在该电压方波作用下，线圈电流数值达到所需关闭初始电流I₃；之后占空比控制器输出占空比恒定为c2的高频方波信号给电压源，使线圈电流始终维持在关闭初始电流I₃上做波动；

在关闭阶段，占空比控制器输出占空比恒定为d的高频方波信号给电压源，电压源输出相应的电压方波。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的电压源(2)接收到来自占空比控制器的高频方波信号后，将该方波信号进行放大并输出；其中，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。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制器还包括控制信号产生单元，控制信号产生单元产生控制信号，控制器能获知控制信号的占空比、频率、上升沿时刻和下降沿时刻。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：开关阀的开启或关闭不受开关阀线圈中电流方向的影响，仅与电流值有关，因此指定电流的其中一个方向为正，另一反向为负；电流、电压正值表示与指定方向同向，负值表示与指定方向反向；设当前开关阀以正电流值进行开启，则：

开启初始阶段中，增大占空比a值，即增大开启初始电压的等效电压值，可提高开关阀启闭动态特性；反之，降低占空比a值，可降低开关阀启闭动态特性；

开启阶段中，增大高频方波信号的占空比b值,即提高占空比为b的开启阶段电压的等效电压值，可提高开关阀启闭动态特性；反之，降低占空比b值，可降低开关阀启闭动态特性；

关闭初始阶段中，降低占空比控制器输出的高频方波信号的占空比c值,即降低占空比为c的关闭初始电压的等效电压值，可提高开关阀启闭动态特性；反之，增加占空比c值，可降低开关阀启闭动态特性；

关闭阶段中，降低占空比控制器输出的高频方波信号的占空比d值，即降低占空比为d的关闭阶段电压的等效电压值，以提高开关阀启闭动态特性；反之，增大占空比d值，可降低开关阀启闭动态特性。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：开关阀的开启或关闭不受开关阀线圈中电流方向的影响，仅与电流值有关，因此指定电流的其中一个方向为正，另一反向为负；电流、电压正值表示与指定方向同向，负值表示与指定方向反向；设当前开关阀以正电流值进行开启，则：

开启初始阶段中，增大占空比a1值，即增大开启初始电压的等效电压值，可提高开关阀启闭动态特性；反之，降低占空比a1值，可降低开关阀启闭动态特性；

开启阶段中，增大高频方波信号的占空比b值,即提高占空比为b的开启阶段电压的等效电压值，可提高开关阀启闭动态特性；反之，降低占空比b值，可降低开关阀启闭动态特性；

关闭初始阶段中，降低占空比控制器输出的高频方波信号的占空比c1值,即降低占空比为c1的关闭初始电压的等效电压值，可提高开关阀启闭动态特性；反之，增加占空比c1值，可降低开关阀启闭动态特性；

关闭阶段中，降低占空比控制器输出的高频方波信号的占空比d值，即降低占空比为d的关闭阶段电压的等效电压值，以提高开关阀启闭动态特性；反之，增大占空比d值，可降低开关阀启闭动态特性。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：选择各阶段的占空比使开关阀达到最慢启闭动态特性；

其中，在开启初始阶段中，选择占空比a，使最终达到的开启初始电流I₁满足如下两个条件：1)电流方向与指定方向相反，2)电流数值为最大允许开启初始电流值|I_1max|，所述的最大允许初始电流值是所能达到的小于|I_开启|的电流数值中的最大值；

在开启阶段，选择占空比b，使所述的开启阶段电流满足如下两个条件：1)电流方向与指定方向相同，2)电流数值是最小允许开启电流值，所述的最小允许开启电流值是所能达到的大于开启电流|I_开启|的电流数值中的最小值；

关闭初始阶段中，所述的占空比c选择为1；

关闭阶段中，选择占空比d，使关闭阶段电流I₄满足如下两个条件：1)电流方向与指定方向相同，2)电流数值是最大允许关闭电流值，所述最大允许关闭电流值是小于|I_关闭|的电流数值中的最大值。

10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：选择各阶段的占空比使开关阀达到最快启闭动态特性；

其中，在开启初始阶段中，选择占空比a，使最终达到的开启初始电流I₁满足如下两个条件：1)电流方向与指定方向相同，2)电流数值为最大允许开启初始电流值|I_1max|，所述的最大允许初始电流值是所能达到的小于|I_开启|的电流数值中的最大值；

在开启阶段，选择占空比b为1；

关闭初始阶段中，选择占空比c，使最终达到的关闭初始电流I₃满足如下两个条件：1)电流方向与指定方向相同，2)电流数值是最小允许关闭初始电流值|I_3min|，所述的最小允许关闭初始电流值是所能达到的大于关闭电流|I_关闭|的电流数值中的最小值；

关闭阶段中，选择占空比d为-1。

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