CN112805796A - 具有掉电检测和自动重新通电的低功率螺线管 - Google Patents

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Abstract

一种螺线管控制电路(100)，在操作期间进行测量以确定螺线管(L1)的状态，并且在检测到掉电状况时为螺线管(L1)提供迅速重新通电。一种控制螺线管(L1)的方法包括：闭合输入开关(Q2)、基于电阻器(R1)两端的电压降使低侧开关(Q1)循环、在一时间间隔之后断开输入开关、闭合低侧开关(Q1)，以及驱动放电开关(Q3)以控制从能量存储装置(C1)到螺线管(L1)的放电电流速率。该方法可包括基于比较器(CMP1，CMP2)致动之间的时间间隔来确定螺线管(L1)的状况，并且在能量存储装置中维持足以导致螺线管产生用于致动阀的磁场的能量水平。

Description

具有掉电检测和自动重新通电的低功率螺线管
相关申请的交叉引用
本申请是2018年8月14日提交的美国专利申请16/103,602的PCT，其全部内容通过引用合并于此。
关于联邦资助的研究或开发的声明
不适用
参考附录
不适用
发明背景
本文公开和教导的发明总体上涉及控制系统，且更具体地涉及低功率控制系统。
相关背景说明
第5,532,526号美国专利教导了“一种控制电路，该控制电路用于向负载提供具有高幅度部分以及低幅度部分的电流，其中高幅度部分具有快速上升沿。电路输入连接至低压电源，并且包括并联连接在输入端子之间的多个致动器电路，并且每个致动器电路均包括电容器和负载。每个致动器电路还包括在相应负载和参考线路之间的第一受控开关，以能够通过相应负载进行能量供给和存储。在电容器线路和负载线路之间提供第二受控开关，用于使电容器迅速放电到第一开关选择的负载中并使负载电流再循环，或用再循环的负载电流为电容器充电。”
第6,646,851号美国专利教导了“一种用于操作螺线管致动器的电路布置，例如，以开关磁阻电动机形式提供的电动机，允许在失灵或故障的情况下操作电动机。该电路装置除了主电池之外还有利地包括用作备用的辅助电池。辅助电池比主电池更小且额定电压更低。为了使电动机在故障情况下继续运行，其额定工作电压与主电池的额定电压相匹配，在该电池上串联连接可开启和关闭的电容器。通过以开关调节器的方式通过电动机的励磁绕组切换电流开关可以在电容器中积累能量，由此电容器的额定电压最终超过辅助电池中的电压。当已经积累了足够量的能量时，可以利用电容器中积累的能量使电动机在短时间内致动。商业车辆中的电致动制动系统代表了该发明的重要且优选的应用领域。”
第7,911,758号美国专利教导了“一种低功率螺线管控制电路，其包括与感应元件和第一二极管串联的电源、用于致动阀的电感器、用于将能量存储和释放到电感器的能量存储装置、控制电流的二极管，和控制电路的开关和控制器。该电路的操作可以包括：通过闭合第一开关从而使源电流流过电感器；断开第一开关从而利用电感器的电感促使充电电流流过能量存储装置；重复这些步骤直到能量存储装置完全充电为止；然后根据命令闭合第二开关，从而促使放电电流从能量存储装置流至电感器致使电感器产生致动磁场而致动机械阀。”
常规螺线管可以被设计成以足以始终在其设计参数内操作的功率水平操作。例如，如果机械冲压破坏了磁吸引力，则这种螺线管将仅提供磁力以恢复其先前状态。由于在一定距离处吸引电枢所需的能量比零件在附近时所需的能量大得多，因此这种类型的设计所使用的能量要比保持闭合状态所需的能量大得多。这种考虑催生了各种类型的螺线管，它们会施加较高的初始功率，然后在设备达到其最终状态后降低该功率。一些设计仅在短时间内施加大量功率，然后节流功率，而另一些则使用较低功率状况来给诸如电容器的能量存储装置充电(例如参见上述第7,911,758号美国专利)。两种类型的装置的一个问题是，增加的能量仅在装置的初始加电时发生，而在该时间之后装置状态的任何变化都不会被检测到或不起作用。因此，如果螺线管要经历机械冲压或其他导致脱离接合的事件，则装置将保持在该状态下而没有任何监督通知。
本文公开和教导的发明针对用于在低功率应用中控制螺线管的改进的系统和方法。
发明内容
螺线管控制电路可以包括用于检测螺线管操作器的位置并且用于在螺线管电枢和其磁吸的固定磁极片脱离接合之后(例如由于机械冲压或振动)使螺线管重新通电的电路。螺线管控制电路可以包括用于在操作期间进行测量以确定磁性组件的一个或多个状态的电路。螺线管控制电路可以包括用于在断电之后使螺线管迅速重新通电的电路。螺线管控制电路可以包括用于在初始通电之后将能量存储装置保持在完全充电状态下的电路。螺线管控制电路可以包括用于确定能量存储装置的充电状态的电路，该电路可以包括测量用于控制螺线管线圈电流的控制器(例如，滞后控制器)的关闭时间。
螺线管控制电路(例如低功率螺线管控制电路)可以包括电源(例如直流电源)、一个或多个开关(例如输入开关)、低侧开关和放电开关、一个或多个二极管(例如阻塞二极管)、一个或多个螺线管(可包括可移动的和固定的部分)、一个或多个能量存储装置(例如，电容器)，和一个或多个电阻器(例如电流感应电阻器或其他电阻器)。电路可以包括用于控制电路的一个或多个其他组件(例如一个或多个开关或门)的一个或多个控制器，以及用于与控制器和/或电路系统的其他组件进行通信的一个或多个组件，其可以包括用于比较两个或多个值或变量的一个或多个比较器(例如模拟、数字或其他比较器)。控制器可以从电路的一个或多个其他组件接收输入，并且可以将信号输出到电路的一个或多个其他组件。全部地或部分地、单独地或组合地，可以将一个或多个比较器布置成或以其他方式将其配置为测量一个或多个组件(例如一个或多个电阻器)两端的电压降，并将电压降与一个或多个阈值或其他值进行比较，该阈值或其他值可以包括一个或多个高或最大值和/或一个或多个低或最小值。电路可以全部或部分地并入螺线管、阀或其组件中，例如与气动和/或液压控制系统结合使用的电磁阀。
一种控制螺线管的方法可以包括：闭合输入开关；使低侧开关通电；以及使源电流流过电感器和电阻器；断开低侧开关(例如在电阻器两端的电压降达到诸如第一、第二或其他阈值的值时)，以及促使或以其他方式影响充电电流流过能量存储装置，这可以包括利用电感器的电感。一种方法可以包括当或响应于电阻器两端的电压降达到第二阈值或其他阈值时闭合低侧开关，该第二阈值或其他阈值可以是或包括小于、少于或低于第一阈值的阈值。一种方法可以包括重复一系列充电步骤直到一个或多个能量存储装置被充电到可以部分或完全充电的程度。一种方法可以包括闭合放电开关，促使或以其他方式引导放电电流从能量存储装置流向电感器，导致电感器产生致动磁场，并致动阀。
一种方法可以包括使流过电感器的源电流小于电感器的致动或工作电流。一种方法可以包括使流过电感器的源电流不足以导致电感器致动耦合到电感器的阀。一种方法可以包括使用一个或多个比较器来测量一个或多个电阻器两端的电压降，所述一个或多个比较器可以包括第一和第二比较器。一种方法可以包括测量一个或多个比较器的开启和/或关闭之间的时间间隔，例如第二比较器关闭和第一比较器开启之间的时间段。一种方法可以包括在时间间隔达到诸如截止值或其他目标值的值时断开输入开关。一种方法可以包括：在一系列或多次出现一个比较器关闭并且另一比较器开启的过程中测量多个时间间隔，以及在一个或多个时间间隔之和达到截止值或其他值时断开输入开关，截止值或其他值可以包括与一个或多个能量存储装置的充电时间相对应的值。
一种方法可以包括以受控方式断开一个或多个输入开关、闭合一个或多个低侧开关以及驱动一个或多个放电开关。一种方法可以包括通过脉冲宽度调制(PWM)持续一个或多个脉冲驱动一个或多个开关以及控制放电电流速率和电感器产生的磁场，该磁场可以是或包括致动磁场或其他磁场。一种方法可以包括断开低侧开关和放电开关并且使剩余能量从电感器返回至或以其他方式引导至能量存储装置。一种方法可以包括闭合输入开关并增加一个或多个阈值(例如第二阈值)，这可以包括使阈值维持在低于或高于一个或多个其他阈值。
一种方法可以包括：测量电流放电时间间隔，当该时间间隔达到截止值时，断开输入开关并向放电开关施加脉冲，并致使电感器中电流增加。一种方法可以进一步包括断开放电开关。一种方法可以包括：测量致动第二比较器与致动第一比较器之间的时间间隔，以及通过将时间间隔与阈值进行比较来确定电感器的状况，该阈值可以包括代表电感器的掉电状况的值。一种方法可以包括通过例如基于电感器的绕组或线圈的环境温度调节阈值来补偿电感器的电阻。一种方法可以包括将一个或多个阈值或值维持在足以维持电感器的保持电流的水平。
一种方法可以包括对放电开关施加脉冲并在能量存储装置中维持足以导致电感器产生致动磁场的能量水平。一种方法可以包括在能量存储装置中维持在检测到电感器的掉电状况的100毫秒内或另一时间段内足以导致电感器产生致动磁场的能量水平。一种方法可以包括持续多个脉冲驱动放电开关(例如通过脉冲宽度调制)以足够使能量存储装置中的能量水平维持在足以在检测到电感器的掉电状况时或之后导致耦合到能量存储装置的电感器能够产生致动磁场。一种方法可以包括闭合放电开关一段时间段，该时间段足够测量电感而不会使能量存储装置中的能量水平降低到足以导致相关联的电感器产生致动磁场的水平以下。
附图说明
图1是示出根据本公开的螺线管控制电路的多个实施例中的一个实施例的示意图。
图1A是示出根据本公开的螺线管控制电路的多个实施例中的一个实施例的电容器放电时间与电容器电压的关系的曲线图。
图2是示出根据本公开的用于控制螺线管的方法的多个实施例中的一个实施例的流程图。
图3是示出根据本公开的螺线管控制电路的充电模式的多个实施例中的一个实施例的各方面的一组波形图。
图4是示出根据本公开的螺线管控制电路的吸持模式的多个实施例中的一个实施例的方面的一组波形。
图4A是示出根据本公开的螺线管控制电路的多个实施例中的一个实施例的电容器放电时间与电容器电压的关系的曲线图。
图4B是示出根据本公开的螺线管控制电路的多个实施例中的一个实施例的理想恒定电感与实际电感的关系的曲线图。
图5是示出根据本公开的螺线管控制电路的保持检测模式的多个实施例中的一个实施例的各方面的一组波形图。
图6是示出根据本公开的螺线管控制电路的保持检测模式的多个实施例中的一个实施例的方面的另一组波形图。
具体实施方式
以上描述附图和以下对具体结构和功能的书面说明并非旨在限制申请人发明的范围或所附权利要求的范围。相反，提供附图和书面说明是为了教导本领域的任何技术人员来制造和使用寻求专利保护的本发明。那些本领域技术人员将理解，为了清楚和理解，并未说明或示出了本公开的商业实施例的所有特征。本领域技术人员还将意识到，结合本公开内容的各方面的实际商业实施例的开发可能需要多个特定于实施的决策，以达到开发者对于该商业实施例的最终目标。此类特定于实施的决策可能包括但可能不限于遵守与系统有关、与业务有关、与政府有关的约束和其他约束条件，这些约束条件可能会因具体实施、地点和随时间变迁而有所不同。尽管从绝对意义上说开发人员的工作可能很复杂并且很耗时，但是对于受益于本公开内容的本领域技术人员来说，这样的工作仍然是例行的工作。必须理解的是，本文公开和教导的实施例可易于进行多种多样的修改和替代形式。单数术语(例如但不限于“一”)的使用并不旨在限制项目的数量。关系术语的使用，例如但不限于“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上部”、“下部”、“向下”、“向上”、“侧”、“第一”，“第二”(“第三”等)，“入口”，“出口”等用于书面说明是为了在具体参考附图时清楚，而非意图限制本公开或随附的权利要求书的范围，除非另外指出。术语“耦合”、“被耦合”、“耦合的”、“耦合器”和类似术语在本文中被广泛使用，并且可包括用于在其上固定、结合、粘结、紧固、附接、联合、插入、形成于其上或其中、连通，或否则与中间元件、一件或多件构件一起直接或间接地机械地、磁性地、电气地、化学地、可操作地关联，或者还可以包括但不限于是一个构件与另一个构件以统一方式一体地形成，的任何方法或装置。耦合可以在任何方向上发生，包括旋转地发生。术语“包括”和”诸如”是说明性的而非限制性的，除非另有说明，词语“可以”的意思是“可以，但不必须”。尽管在本公开中使用任何其他语言，但是在附图中示出的实施例是为了说明和解释的目的给出的示例，而不是本文的主题的唯一实施例。
可以参考方法框图和/或操作说明来描述本公开的特定实施例。将理解的是框图和/或操作示意图中的每个框以及框图和/或操作示意图中的框的组合都可以通过模拟和/或数字硬件和/或计算机程序指令来实施。可以将这样的计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机、ASIC和/或其他可编程数据处理系统的处理器。执行的指令可以创建用于实施框图和/或操作示意图中特定的动作的结构和功能。在至少一些实施方式中，图中指出的功能/动作/结构可以不按照框图和/或操作示意图中指出的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/动作/结构，被示出为连续发生的两个操作可以基本同时执行，或者可以以相反的顺序执行该操作。可以使用或通过面向对象的编程语言、常规规程编程语言或诸如汇编语言和/或微码之类的底层代码来编写本文公开的一个或多个实施例的计算机程序。这样的程序可以作为独立软件包或作为另一个软件包的一部分完整地在单个处理器上和/或在多个处理器上执行。
申请人已经创建了用于检测螺线管的位置并且在断电之后用于使螺线管迅速重新通电的系统和方法。低功率螺线管驱动电路可以确认螺线管的状态，并且可对工作电压的变化不敏感。低功率螺线管驱动电路可将能量存储装置维持在完全充电或足以在初始通电之后操作螺线管的其他充电的状态。
图1是示出根据本公开的螺线管控制电路的多个实施例之一的示意图。图1A是示出根据本公开的螺线管控制电路的多个实施例之一的电容器放电时间与电容器电压的关系的曲线图。图2是示出根据本公开的用于控制螺线管的方法的多个实施例之一的流程图。图3是示出根据本公开的螺线管控制电路的充电模式的多个实施例之一的各方面的一组波形。图4是示出根据本公开的螺线管控制电路的吸持(pull-in)模式的多个实施例之一的各方面的一组波形。图4A是示出根据本公开的螺线管控制电路的多个实施例之一的电容器放电时间与电容器电压关系的曲线图。图4B是示出根据本公开的螺线管控制电路的多个实施例之一的理想恒定电感与实际电感关系的曲线图。图5是示出根据本公开的螺线管控制电路的保持检测模式的多个实施例之一的各方面的一组波形。图6是示出根据本公开的螺线管控制电路的保持检测模式的多个实施例之一的各方面的另一组波形。图1至图6将彼此结合地描述。
在至少一个实施例中，根据本公开的螺线管控制电路100可包括电源V1(例如直流(DC)电源)、输入开关Q2、一个或多个阻塞二极管D1，D2，D3，D4，低侧开关Q1、放电开关Q3、螺线管L1、能量存储电容器C1以及一个或多个电阻器R1(例如电流感应电阻器)。电路100可包括一个或多个控制器102，用于控制电路的一个或多个其他组件，例如开关Q1-Q3中的一个或多个。控制器102可以从电路的一个或多个其他组件接收输入，这些组件可以包括一个或多个比较器CMP1，CMP2，例如模拟比较器或其他比较器。在至少一个实施例中，比较器CMP1和CMP2可以单独地或组合地、全部地或部分地，被布置成用于测量电阻器R1的电压降并将该电压降(VR1)与一个或多个阈值进行比较，该阈值可包括一个或多个高值或最大值，和/或一个或多个低值或最小值。电路100可以全部地或部分地并入电磁阀或其部件中，例如与气动和/或液压工业控制系统结合使用的电磁阀。在至少一个实施例中，电路100可以包括或以其他方式布置成以多种不同模式进行操作。这样的模式可以单独地或组合地、全部地或部分地包括但不限于用于为电容器C1充电的充电模式，用于致动或吸持螺线管L1的吸持模式，用于将螺线管L1保持在致动位置并检测是否发生掉电的保持检测模式，上述各模式中的部分模式，和/或一个或多个其他模式。现在将更详细地描述一种或多种前述模式。
在充电模式下，螺线管L1能以足以吸持装置的水平以下的能量水平操作，该水平可以是依据电路100的实施方式的任何水平。开关Q2可以置于接通状态(即，闭合的)，其可以将电源V1电耦合到螺线管L1。电阻器R1上的电压VR1初始时可为0伏，并且开关Q1可以通电，例如，当VR1低于较低阈值(THRSH LOW)或在下限以下时，比较器CMP1向控制器102发送信号以闭合开关Q1以允许建立电流经过螺线管L1和电阻器R1。当VR1达到较高阈值(THRSHHIGH)(例如上阈值或在上限以上)时，比较器CMP2向控制器102发送信号以使其断开开关Q1，则开关Q1可关断。当开关Q1关断时，螺线管L1中的电流可以流过电容器C1，向电容器C1添加电荷，然后可以继续流过电阻器R1，这会在电阻R1两端产生电势降或电压降VR1。随着电流减小并且存储在螺线管L1的磁场中的能量耗散(即，放电周期)，VR1的值可减小。在VR1达到小于THRSH LOW的值时，比较器CMP1可以再次闭合开关Q1，并且可以重新开始充电周期。
在至少一个实施例中，在上述放电周期中，可以测量比较器CMP2关断和比较器CMP1接通之间的时间间隔。该时间间隔与螺线管L1的线圈中的电感值和电阻值以及电容器C1中存储的电荷量有关。更具体地，电压源V1可以经由开关Q2和二极管D3连接到电感器L1，例如连接到电感器L1的顶部(参考图1的示例)。电感器L1的底部(开关Q1关断)可以通过二极管D1连接到存储电容器C1的顶部。电容器C1的底部可以连接到感应电阻R1。当比较器CMP2关断(关断Q1)时，电感器L1中可能有电流流动(例如，大约22mA的峰值电流(Ip))。由于电感器L1的磁场塌陷，该电流将要继续流动，并且可以流入电容器C1对其充电。该过程可以持续到比较器CMP1的下跳变点，该下跳变点可以是Imin(例如，在该示例中为2mA，但这只是多个示例中的一个)。电感器L1的螺线管线圈除了具有电感以外，还可以具有内部电阻，从而形成电感器L1的自然时间常数(L/Rcoil)，该常数可以随电感器的不同而变化。可以根据以下等式(等式1)确定释放电感器电流的时间：
Figure BDA0003009898420000091
在等式1中，t是放电时间，L是电感，Rcoil是电感器L1线圈的电阻，Vcap是电容器C1两端的电压，V1是电源电压，Vdiode是二极管D1两端的电压，Imin是比较器CMP1的下跳变点，Ip是在电感器L1中流动的峰值电流。为了说明的目的，在图1A中示出了放电时间t与电容器C1两端的电压Vcap的关系的示例性曲线图。在涉及终止例如以180至200伏的电压对C1充电的过程的实施例中，V1的变化的影响(例如通常可以为15至30伏)通常对测量没有太大影响。此外，通过测量放电时间，Rcoil的温度补偿可导致在C1中可重复的能量存储。对于在本公开的商业或其他实体实施中使用的螺线管，这些参数可以被测量并且可以在生产公差内重复。
因此，可以通过测量该时间间隔来确认电容器C1中可用的能量水平或数量。在至少一个实施例中，可以将这样的时间间隔与通过针对与电路100的实现结合使用的特定电容器(可以是任何电容器)的测量而获得的值(例如，大约250微秒(uS))相比较，并且该值对应于达到充电水平(例如，完全充电或其他充电)所需的充电时间量，该充电水平可以是或包括足以吸持电路100的螺线管的充电。以这种方式，可以确定当充电周期已经对电容器C1进行了足够的充电以吸持螺线管L1时，该充电过程可选地被终止直到后来的时间或其他方式。在这一点上，电容器C1可以已经被充电到目标电压，例如根据本公开的特定实施方式大约200VDC或其他电压，其可以是任何电压。为了说明的目的，在图3中示出了与上述充电模式步骤相关的示例性波形。这些波形仅对应于本公开的实体实施方式的多个示例之一，并且可以根据所利用的组件和配置在实施方式之间变化。更具体地，图3中，波形VC1示出了在通过开关Q1基于经由感应电阻器R1的所测量的流经电感器L1的电流而接通和关断的循环使示例性电容器C1充电时，示例性电容器C1两端的电压VC1。每次关断开关Q1时，VC1的值都可以以步长增加。
可以根据以下等式(等式2)确定每个步骤传递的能量：
Figure BDA0003009898420000101
在等式2中，E是在开关Q1的每个通断周期内传递到电容器C1的能量，L1是电感器L1的电感，Ip是在电感器L1中流动的峰值电流。可以在充电期间接通开关Q2，以提供到电源V1的连接。开关Q1的状态可以由控制器102响应于比较器CMP1，CMP2来控制，比较器CMP1，CMP2被布置用于测量电阻器R1两端的电压降VR1。如图3的Q1门(Q1 GATE)波形所示，上面已讨论过，随着开关Q1的关断时间减少，电容器电压VC1会增加。如图3的线圈中的电流(CURRENT IN COIL)波形所示，在充电阶段，电感L1中引发电流可以在代表电感L1适当电流阈值的两个电流值之间斜升或逐渐增加，电流阈值可以是根据本公开的实现的任意阈值。在充电周期结束时，电容器C1会放电，在这种情况下，电压VC1会随着电容器C1的放电而降低(参见波形VC1)，并且据此电感器L1中的电流会急剧上升，从而吸持螺线管，如下所述并如图3的线圈中的电流(CURRENT IN COIL)波形中所示。在至少一个实施例中，开关Q2可以在此时与电源V1断开连接，如图3的波形Q2 GATE(Q2门)所示。
在至少一个实施例中，在充电模式下，较低阈值(THRSH LOW)可以是20毫伏(mV)且较高阈值(THRSH HIGH)可以是220mV，但并非必然是这种情况，因为这些值是依据电路100的多个实现之一的示例，并且在本文中是出于说明而非限制的目的进行讨论。根据本公开的实施方式，充电模式中的THRSH LOW和THRSH HIGH可以具有任意一个或多个值，并且可以(且很可能会)在各个实施方式中变化。THRSH HIGH和THRSH LOW比较器阈值设置通常基于要在本公开的实体实施方式中使用的螺线管所需的线圈电流，该螺线管可以是适合于这种实施方式的任何螺线管。阈值与相应的感测电阻器R1的电阻配合，该电阻可以同样在实施方案之间变化。线圈电流工作极限可以有效地基于适用的阈值电压值除以R1的电阻值。在这里讨论的示例性实施方式只是多个实施方式其中之一，在该阶段中较高阈值和较低阈值分别为220mV和20mV，R1的值为10ohm，分别引致22mA和2mA电流。在涉及替代螺线管构造的本公开的其他实施方式中，可以改变和/或调节上述值以实现如本文所述的电路100的操作。
现在转向吸持模式，在至少一个实施例中，螺线管L1可以通过关断或断开开关Q2与电源V1断开连接。开关Q1可以被接通，并且Q3可以被操纵以控制电路100的一个或多个速率或其他属性。例如，在至少一个实施例中，可以以控制螺线管L1的上升速率的接通电流波形并在其吸持时调节螺线管性能的方式，在脉冲宽度调制(PWM)模式下持续多个脉冲驱动开关Q3用于使电容器C1中存储的能量放电。在至少一个实施例中，可以驱动Q3持续一个或多个脉冲，根据本公开的实施方式，其可以包括固定的或可变数量的脉冲，其可以是任意数量的脉冲(如下文进一步讨论的)。在此期间，螺线管可吸持。在PWM时段结束后，可以关断开关Q1和Q3，并且电感器L1中任何剩余的存储能量都可以返回到电容器C1。
为了说明性目的，在图4中示出了与上述的吸持模式步骤相关联的示例性波形。在至少一个实施例中，例如，在吸持模式下，可以在PWM模式下以70％的占空比和1mS的时段来驱动Q3。然而，并非必然是这种情况，因为这些值是根据电路100的多个实施方式之一的示例，并且在本文中是出于说明而非限制的目的进行讨论。根据本公开的实施方式，PWM变量可以具有任何一个或多个值，并且可以(且很可能会)在实施方式之间变化。在至少一个实施例中，PWM吸持阶段的目的是在吸持期间调节螺线管电流，使得电流的持续时间和幅度最佳地吸持使用最小电流量的螺线管。脉冲数和占空比可以根据适用的参数调整吸持的持续时间以及幅度，这些参数可以包括电参数(即电感和电阻)和机械参数(即运动质量，弹力和摩擦力)。通过在实体实施方式的发展过程中或其他情况下观察螺线管电流波形，可以改变这些参数并观察波形的形状。如果占空比太高，螺线管可能会使电容器放电太快，并且在足够长的时间内不能使电流积聚得足够高，从而妨碍螺线管的电枢充分移动。同样，如果占空比太低，螺线管电流将无法达到合适的吸持值。当螺线管电枢移动并停下来时(特征是在螺线管电流中出现拐点)，可在电流波形中观察到形状的变化。脉冲的持续时间可以配置为确保已发生这种运动。PWM的占空比也可以改变从电容器抽取能量的速率，这可以包括以与装置的机械响应一致的速度允许或控制能量的提取或耗散。在至少一个实施例中，根据手边特定的实体实施方式，占空比可以在吸持阶段的一个或多个点处变化，以便以更优化的方式对电流波形进行整形。
现在转向保持检测模式，在至少一个实施例中，电路100的这种操作模式可以包括多个阶段。例如，在可以是初始阶段的第一阶段中，可以接通开关Q2并且可以关断开关Q3。可以将THRSH LOW设置为不同的值(例如140mV)，并且可以通过切换来自比较器CMP1和CMP2的信号来控制Q1。VR1可以在THRSH LOW和THRSH HIGH之间循环(例如，在本文讨论的示例性情况下为140mV和220mV，但这只是多个可能性之一)。相对于以上讨论的充电模式期间使用的THRSH LOW的值增加在当前模式期间THRSH LOW的值，可以至少部分地确保螺线管L1的线圈中的电流不会下降到螺线管L1的保持电流IH以下。与在原充电模式下一样，可以测量电流放电时间间隔，并将其与实验观察到的值(例如，该示例情况下为55uS)进行比较，该值可能不同于充电模式下使用的值，例如，由于螺线管从断开到闭合，螺线管L1的线圈的电感值已经发生了变化。
在保持检测模式期间，可以补充电容器电压VC1，这可以以与上述初始充电模式类似的方式执行。但是，最小电流Imin可以更高(例如，在本文中讨论的示例中为14mA)，以防止螺线管的电枢从相应的固定极磁片脱离。根据上面讨论的等式1，由于最小电流Imin现在更高，因此需要花费更少的时间对电容器C1放电，因此更短的时间t是合适的。为了说明的目的，在图4A中示出了放电时间t与电容器C1两端的电压Vcap关系的示例性曲线图。当达到目标电流放电时间间隔时，保持检测模式的第二阶段可以开始。
在第二阶段中，可以关断开关Q2，可以接通开关Q1，并且可以给开关Q3施加脉冲以从电容器C1释放能量(例如，在本文讨论的运行示例中一次持续500uS，但是其他情况也是可能的)。开关Q3的这种短脉冲或其他脉冲施加会从电容器C1释放少量能量，并导致螺线管L1中的电流增加。由于此时从电容器C1抽取的能量很小，因此仅会产生很小的电压降，并且如果螺线管L1掉电，电容器C1中仍然有足够的能量可用于给螺线管L1快速重新通电。在脉冲结束时，在开关Q3关断的情况下，电流可以通过螺线管L1，二极管D4，开关Q1和电阻器R1放电，它们可以根据螺线管L1的电感和电阻随时间常数遵循指数曲线。换句话说，如果将电磁线圈的电感视为一个常数值，则用于测量电枢位置的等式可以基于以下等式(等式3)：
Figure BDA0003009898420000121
在等式3中，变量对应于以上关于等式1和2所述的变量。螺线管的电感除以线圈的电阻即为感应时间常数的定义，如图4B实线所示。但是，当处理由铁磁钢零件制成的实际的螺线管时，电流的时间响应会受到其他因素的影响，包括由于铁磁材料的BH曲线(又称磁化曲线)引起的非线性以及当螺线管开启和关闭时由铁磁材料中磁链的变化速率生成的涡流效应。这些会导致时间响应曲线不遵循上面相对简化的等式3，这是一阶微分方程成为指数衰减曲线的经典解决方案。例如，可以使用具有瞬态求解器的有限元分析(FEA)软件进行前述分析。在整个本公开所讨论的说明性示例中，通过测试确定的实际值如下，并且由图4B的虚线示出。在这种情况下，这只是本公开的多个可能的实施方式之一，当开关Q3被施加脉冲500uS时，螺线管中的电流上升到51mA的值。在500uS脉冲结束时，Q3关断，L1中的电流开始从Ip(51mA)衰减。当该值下降到Imax(22mA)以下时，比较器CMP’2的状态变化将启动控制器102以开始计时周期，并持续到比较器CMP1在Imin(14mA)改变状态，从而终止该计时周期。通过500uS的电容性放电来增强电流，然后在较低电流水平下测量计时有利于进行此测量。由于放电等式为指数形式，因此在曲线的后半部分进行测量会引致更大的分辨率，因为电流的变化速率较小，因此使测量值更大。例如，如果在同一示例电路中，开关Q3的脉冲从500uS减小到50uS，则电感器L1中的电流将没有时间上升到Imax(22mA)以上；在测试的螺线管中的那些条件下，最小气隙位置的放电测量时间为10mS，最大气隙位置的放电测量时间为6.5mS，相差3.5mS。但是，在使用500uS脉冲和51mA Ip的情况下，最小气隙位置变为放电时间15.1mS，最大气隙位置变为放电时间9mS，相差6.1mS，这几乎是之前的两倍。另外，在后一种配置中观察到的测量比在前一种配置中观察到的测量更具可重复性和稳定性。
电阻器R1上产生的电压VR1可以由比较器CMP1和CMP2检测。随着VR1衰减，它可以首先触发比较器CMP2 THRSH HIGH(例如220mV)，在该时间点可以启动一个计时器。随着VR1持续衰减，它可以然后或随后触发比较器CMP1 THRSH LOW(例如140mV)，在该点可以停止计数器。存储在计数器中或其他与计数器相关联的累计时间值可以与螺线管L1的电感成正比。此外，螺线管L1的电感可以与螺线管的固定极磁片和可动极磁片的相对位置有关；也就是说，螺线管的行程将改变螺线管磁回路中的工作气隙。这将改变路径的磁阻，该磁阻将随着较大的气隙而增加(而且，磁链会随着气隙的增加而减小)。可以通过实验观察到电流衰减波形的两个位置(即闭合位置和断开位置，分别对应于螺线管中较大的气隙和螺线管中较小的气隙)并可确定两个测量时间的值。如以上针对本示例所讨论的，对于较大的气隙，该值为9mS；对于较小的气隙，该值为15.1mS；因此，例如，可以选择值为11mS作为阈值，并可具有足够的余量用于检测掉电状态下螺线管的较大气隙。以此方式，可以看出计数器的容量或累积时间值可以与代表处于掉电状态下螺线管状态的阈值进行比较，该螺线管可以是根据本公开的电路100的实施方式中使用的任何螺线管。
在至少一个实施例中，螺线管L1的电阻可以影响存储在计数器中或通过计数器获得的时间值，并且电路100可以包括用于基于螺线管L1的线圈(或绕组)的环境温度来补偿这种影响的电路。该补偿可以通过模拟或数字器件单独地或组合地、全部地或部分地实现。例如，模拟器件可以包括温度补偿网络，该温度补偿网络与螺线管L1串联布置并且配置成用于消除所提及的电阻变化。作为另一示例，数字器件可以包括可读取地耦合至控制器102的环境温度传感器，并且可以调节计数器中的值或阈值以补偿电阻变化。
如果检测到螺线管L1掉电的状况，则电路100可以重新启动充电和吸持模式，以使螺线管返回其适当状态。在至少一个实施例中，由于当电路100重新进入充电模式时，电容器C1中仍可存在已存储的电荷，因此控制器100(可以是滞后控制器)的关闭时间的时间间隔可以非常接近极限。因此，在螺线管重新通电之前，可能需要发生有限数量的充电周期。为了说明的目的，在图5中示出了与上述的保持检测模式步骤相关的示例性波形。更具体地，如果在保持检测模式下检测到掉电状况，则控制器102中的逻辑可以在螺线管需要吸持的情况下重新进入充电和吸持模式。必要的充电脉冲的数量可取决于电容器C1中存储的电荷量的值。如本公开中其他地方所讨论的，通过测量在充电阶段发生的脉冲的截止时间，可以确定电容器的充电的状态。如果在掉电检测时存储在电容器中的电荷量的值接近吸持螺线管所需的量，则与系统在某些情况下相比，所需的充电周期数将相对较小，诸如系统在断电一段时间后重新通电，该段时间使电容器的电荷量能够耗散为零或为比吸持螺线管所需的电荷量低的另一个值。以此方式，可以看出，本公开的系统和方法能够在掉电的状况下或作为另外示例在系统断电一段较短时间(例如，5秒或更短的时间)的状况下使螺线管迅速重新通电，并在重新通电后快速调用螺线管以再次运行。
在本公开的至少一个实施例中，电路100可以被配置用于监视或观察在操作期间汲取的电流的波形，以检测或确定系统或其组件的一个或多个特征。例如，电路100可以向螺线管L1供电，并且可以被配置为通过监视操作期间供应的电流来确定关于螺线管的诊断信息。在至少一个实施例中，电路100可以被配置为使得仅当开关Q2接通时才从电源V1汲取电流。此外，在以上更详细描述的各种模式的背景下，电路100可以被配置为使得开关Q2仅在一个或多个主充电模式期间接通以及在保持检测模式期间发生的充电阶段接通。这些充电脉冲的持续时间可以与在螺线管L1的输入端看到的电压成正比，且此外，充电脉冲出现之间的没有汲取电流的间隔(即螺线管L1正在利用内部存储的能量)可以与螺线管L1的电感有关。电路100可以被配置为利用充电脉冲持续时间和中间间隔来检测或以其他方式确定关于螺线管L1的位置的信息，例如如图6所示。图6类似于上述的图5，但代替线圈电流，示出了显示从电源V1汲取的电流的示例性输入电流(INPUT CURRENT)波形。如图6所示，在保持检测模式的检测阶段，输入电流变为零。此外，如上所述，检测阶段的长度可以基于螺线管路程的状态而改变。在至少一个实施例中，例如，控制器102可以被配置为监视从电源V1汲取的电流并且基于零电流时段的持续时间来确定关于螺线管的位置。
如受益于本公开的本领域普通技术人员将理解的，本文公开的电路系统和相应方法具有电路简单和非关键的测量技术的优点。可以配置利用相对较高的电流脉冲接着较低的检测阈值电流的实施例，使得一个或多个测量沿着指数曲线的相对较平坦的部分进行，这可以产生较大的时间变化，以提供对螺线管的磁性部件的位置差异的检测，而不需要如某些常规方法所需的那样关键的电路。如果螺线管线圈中的电流降得太低，则螺线管将掉电，因此在这方面对电流量可以多低有一定的限制。然而，以本文描述的方式用电容器造成电流脉冲可以使检测阈值能够足够大到将螺线管的磁性组件保持在一起，同时为良好的检测提供基础。
如受益于本公开的本领域普通技术人员还将理解的是，本文公开的一种或多种检测方法可以涉及螺线管的电感，并且还可以包括确认螺线管的状况，同时还对工作电压的变化相对不敏感。本公开的系统和方法在例如要求本质上安全的装置的应用中或固有地或以其他方式能量受限的应用中可以是特别有用的。另外，可以包括控制器102或本文所述的其他系统组件或电路的本公开的系统和方法可以被配置为将螺线管的一个或多个状态单独地或组合地、全部地或部分地传送到另一控制系统或另一类型的系统，包括通过有线或无线接口传送的方式。
在至少一个实施例中，本公开的系统和方法的另外的特征可以包括电路在断电之后提供对螺线管迅速重新通电的能力。例如在加工工业中有一些应用，其中大型气动阀(例如通常长时间通电的阀)的健康状况是通过使先导控制阀断电，使用阀指示装置检查是否阀已经变换，然后在很短的一段时间(例如，小于100毫秒)后给先导控制阀重新通电来进行测试的。可以进行该过程以验证阀可以移动，即，阀没有锁定到断开模式并且是能够闭合的。该测试协议对于普通的动力先导阀可能不是问题，但对于使用能量存储装置以提供辅助断开动力的低动力先导阀来说可能是一个问题。在至少某些情况下，给能量存储装置充电所需的时间量可能大于750mS，这可能会妨碍阀迅速重新通电，而无法在上述测试协议中使用此类阀。在至少一个实施例中，本公开的系统和方法可以能够使能量存储装置在初始通电之后保持在完全充电的状态，这意味着如果随后如上述测试协议中对阀断电，则在存储装置中可能已经有足够的能量可用于在例如100mS要求的范围内使阀迅速重新通电。
可以设计出利用上述系统和方法的一个或多个方面的其他的和进一步的实施例，而不背离申请人的公开内容的精神。例如，本文公开的系统和方法可单独使用或形成其他阀，阀部件和/或流体控制系统的一个或多个部分。此外，控制系统的各种方法和实施例可以彼此组合地包括在内，以产生所公开的方法和实施例的变型。对单数元素的讨论可以包括复数元素，反之亦然。在引用至少一个项目之后再引用该项目可以包括一个或多个项目。而且，实施例的各个方面可以彼此结合使用以实现本公开的目的。
除非上下文另外要求，否则应理解词语“包括”、“包含”和“具有”(包括其变型和变形，例如“包括一个”、“包含的”、“具有的”等)暗示至少包含所述的元素或步骤或一组元素或步骤或其等同物，而不是排除更大数量的数值或任何其他元素或步骤或一组元素或步骤或其等同物。装置，设备和系统可以在多个方向和定向上使用。除非另外特别限制，步骤的顺序可以以各种顺序发生。本文描述的各个步骤可以与其他步骤组合，插入所述步骤中，和/或分解成多个步骤。类似地，元件已经在功能上进行了描述，并且可以体现为单独的组件和/或可以组合为具有多种功能的组件。
已经在优选实施例和其他实施例的上下文中描述了实施例，而未描述申请人的公开内容的每个实施例。受益于本公开的本领域普通技术人员可以对所描述的实施例进行明显的修改和变更。已公开的和未公开的实施例并不旨在限制或限定申请人的公开内容的范围或适用性，而是根据专利法，申请人意图完全保护落入本发明要求的等同物的范围或程度内的所有此类修改和改进。

Claims (22)

1.一种方法，包括以下步骤：
(a)闭合输入开关，从而使低侧开关通电并使源电流流过电感器和电阻器；
(b)在所述电阻器两端的电压降达到第一阈值时断开低侧开关，从而利用所述电感器的电感促使充电电流流过能量存储装置；
(c)在所述电阻器两端的电压降达到第二阈值时闭合所述低侧开关，其中所述第二阈值低于所述第一阈值；
(d)重复步骤a，b和c，直到所述能量存储装置充电为止；
(e)闭合放电开关，从而促使放电电流从所述能量存储装置流至所述电感器，导致所述电感器产生致动磁场，从而致动阀。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述源电流不足以致动所述阀。
3.如权利要求1所述的方法，还包括用第一和第二比较器测量所述电阻器两端的电压降。
4.如权利要求3所述的方法，还包括测量所述第二比较器关闭和所述第一比较器开启之间的时间间隔。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括在所述时间间隔达到截止值时断开所述输入开关。
6.如权利要求4所述的方法，还包括在出现相应的一系列所述第二比较器关闭和所述第一比较器开启的过程中测量多个时间间隔。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括在所述多个时间间隔的总和达到截止值时断开所述输入开关。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述截止值对应于所述能量存储装置的充电时间。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
(f)断开输入开关；
(g)闭合低侧开关；和
(h)在脉冲宽度调制(PWM)模式下持续多个脉冲驱动所述放电开关，从而控制所述放电电流速率和所述电感器产生的所述致动磁场。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括断开所述低侧开关和所述放电开关。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括使剩余能量从所述电感器返回到所述能量存储装置。
12.根据权利要求10所述的方法，进一步包括闭合所述输入开关并增加所述第二阈值，所述第二阈值保持低于所述第一阈值。
13.如权利要求12所述的方法，还包括：
(i)测量电流放电时间间隔；
(j)在所述时间间隔达到截止值时，断开所述输入开关并向所述放电开关施加脉冲，从而导致所述电感器中的电流增加；和
(k)断开所述放电开关。
14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括测量所述第二比较器的致动与所述第一比较器的致动之间的时间间隔，并且通过将所述时间间隔与阈值进行比较来确定所述电感器的状况。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述阈值代表所述电感器的掉电状况。
16.如权利要求15所述的方法，还包括通过基于所述电感器的绕组的环境温度调节所述阈值来补偿所述电感器的电阻。
17.如权利要求12所述的方法，还包括将所述第二阈值维持在足以维持所述电感器的保持电流的水平。
18.如权利要求12所述的方法，还包括向所述放电开关施加脉冲并在所述能量存储装置中维持足以导致所述电感器产生致动磁场的能量水平。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括在所述能量存储装置中维持在检测到所述电感器的掉电状况的100毫秒内足以导致所述电感器产生致动磁场的能量水平。
20.根据权利要求9所述的方法，还包括在所述PWM模式下持续多个脉冲驱动所述放电开关，所述脉冲足够维持所述能量存储装置中的能量水平足以导致所述电感器在检测到所述电感器的掉电状况下产生致动磁场。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括使所述放电开关闭合一段时间段，所述时间段足够允许测量电感，而不会使所述能量存储装置中的能量水平降低到足以导致所述电感器产生致动磁场的水平以下。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括将所述放电开关闭合500微秒。
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