CN112840218A - 确定阀的切换状态的方法以及电磁阀组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定阀的切换状态的方法。在所述方法中，基于电流和电压测量来确定电感值，并且基于电感值来确定切换状态。本发明还涉及一种用于执行这种方法的电磁阀组件。

Description

确定阀的切换状态的方法以及电磁阀组件
技术领域
本发明涉及一种用于确定阀的切换状态的方法，该阀通过线圈致动。本发明还涉及一种电磁阀组件，该电磁阀组件被设计成执行这种方法。
背景技术
阀尤其可以通过电磁体被致动。可以为此构造相应的电磁阀组件，该电磁阀组件通常具有阀和用于致动该阀的线圈。
根据现有技术，已知的是通过向相应的线圈施加适用于切换的电流来对阀进行切换。以这种方式产生的磁场通常对阀进行切换或将阀保持在特定状态。然而，在根据现有技术的实施例中，通常假设的是实际上也占据所设定的或所期望的切换状态。对此没有提供检查。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于确定阀的切换状态的方法。本发明的另一个目的是提供一种相对应的电磁阀组件。
根据本发明，这是通过根据相应主要权利要求的方法和电磁阀组件实现的。有利的实施例可以例如在相应从属权利要求中找到。权利要求书的内容通过明确引用并入说明书的内容中。
本发明涉及一种用于确定阀的切换状态的方法，该阀通过线圈致动。该方法包括以下步骤：
-在以指定的时间间隔跟随彼此的若干时刻分别确定流过线圈的电流和施加至线圈的电压，
-基于这些电流、电压和时间间隔计算线圈的电感值，以及
-基于电感值确定切换状态。
本发明所基于的认识是可以通过在所提到的时刻测量电流和电压来确定电感值，其中，可以基于电感值确定阀的切换状态。这允许监测切换状态，即例如阀是打开还是关闭。
电流和/或电压可以例如通过测量来确定。为此目的，可以使用适合的测量装置。然而，电流和电压还可以各自通过指定的值来确定。这种情况尤其可以是，通过适合于此目的的装置来指定和设定值。因此，例如可以使用经调节的电流源来设定确定的电流。这同样适用于电压。在这种情况下，不再绝对需要测量实际的设定值，在此应提及的是，但仍然可以测量这种值。
可以将物理意义上的电感用作电感值。但是，也可以使用对电感有指示性的值/变量，例如与实际电感成比例、但更易于计算或更易于处理的值。电感值/变量和实际电感之间通常存在一种关系，例如线性关系。
电感值尤其可以使用最小二乘法来计算。已经发现这是高效的方法。
最小二乘法可以优选地与遗忘因子一起递归使用。这可以优化所需的计算时间。
根据优选实施例，电感值可以藉由线性方程确定。在该线性方程中，第一列向量被设置为等于矩阵乘以第二列向量。
特别地，可以将时刻用索引(Index)k来编号。
第一列向量可以在行k中包含时刻k+1的电流减去时刻k的电流之间的差值。
特别地，该矩阵可以具有两列。该矩阵的第一列可以在行k中包含时刻k+1的电压和时刻k的电压之和。该矩阵的第二列可以在行k中包含时刻k+1的电流和时间k的电流之和。
第二列向量可以在其第一行包含第一参数，在其第二行包含第二参数。
求解这样的方程被发现是确定电感值的高效且可行的方法。下面将更详细地讨论推导过程。
电感值或电感可以被计算为时间间隔除以数字2并除以第一参数的商。这允许基于前述方程容易地计算电感值或电感。
应当注意，电感值比在严格的物理意义上的电感更容易确定，而电感值或基于电感的且比电感更容易计算的其他值也可以用于确定切换状态。
根据一个改进方案，线圈的电阻也可以基于电流、电压和时间间隔来计算。这种电阻可以用于进一步评估。应当理解，这里也可以指定与实际电阻有关系(例如线性关系)的电阻变量来代替电阻。这里认为这是等效的。
线圈的电阻尤其被计算为第二参数除以第一参数的商。这允许电阻易于计算。
该方法尤其可以连续地或不断地重复。由此可以连续监测阀的状态。
根据优选实施例，将电感值与第一端值(Endwert)和第二端值进行比较。当电感值距第一端值至多具有预定距离时，可以确定第一切换状态。当该电感数值距第二端值至多具有预定距离时，可以确定第二切换状态。这已被证明是确定切换状态的可行且可靠的方法。它尤其基于这样的知识，即根据切换状态，电感呈现不同的值，这些值可以进行比较。
这些切换状态尤其可以是阀的端状态
Figure BDA0003017668930000031
但是，也可以确定中间状态。
也可以根据测试信号来识别阀的切换状态。可以将该测试信号施加在线圈上，使得可以识别切换状态。
特别地，计算可以全部或部分藉由定点运算来执行。这种定点运算已被证明对目前的目的特别高效。
根据一个实施例，可以通过脉宽调制来控制线圈。然后，电流和电压尤其各自可以在脉宽调制周期内求平均。已经表明，在这种情况下，也可以以有利的方式将该方法用于通过脉宽调制控制的线圈。
根据一个实施例，第一存储矩阵被形成为矩阵的转置和第一列向量的乘积。第二存储矩阵可以形成为矩阵的转置和矩阵的乘积的逆。然后可以存储第一存储矩阵和第二存储矩阵。尤其在这种情况下，第一列向量和矩阵优选地不这样存储。已经表明，这引起简化的计算。
方程组可以尤其以这样的方式求解，即第二列向量被设置为等于第二存储矩阵和第一存储矩阵的乘积。这已被证明是高效的计算规则。
本发明还涉及一种电磁阀组件。此电磁阀组件具有阀和用于致动该阀的线圈。该电磁阀组件还具有用于向该线圈施加电流和/或电压的控制装置。由此阀或线圈可以被致动。
电磁阀组件还具有状态确定装置，该状态确定装置被设计成执行根据本发明的方法。本文描述的所有实施例和变体都可以在这里使用。
通过根据本发明的电磁阀组件，可以使以上进一步提及的优点可用于电磁阀组件。
本发明还涉及一种非易失性计算机可读存储介质，其上存储有程序代码，在执行该程序代码期间，执行根据本发明的方法。关于根据本发明的方法，可以使用本文描述的所有实施例和变体。
附图说明
本领域技术人员将从下面参考附图描述的示例性实施例中获得进一步的特征和优点，在附图中：
图1示出了电磁阀组件，
图2示出了线圈的等效电路图，
图3示出了根据阀位置的电感，
图4示出了根据电流的电感，
图5示出了电阻的曲线，并且
图6示出了电感的曲线。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的示例性实施例的电磁阀组件5。该电磁阀组件被配置用于执行根据本发明的示例性实施例的方法。
应当理解，电磁阀组件5在此是仅示意性示出的。
电磁阀组件5具有阀10。该电磁阀组件还具有电枢20，该电枢经由电枢杆25连接至阀10。该电磁阀组件还具有线圈30，该线圈包围电枢20。电流可以施加至线圈30，由此电枢20可以移动。这允许阀10的移动或致动。特别地，阀10可以在两个端位置之间切换，具体地是打开的端位置和关闭的端位置。
电磁阀组件5还具有控制装置40，该控制装置被设计成向线圈30施加电流和/或电压。该控制装置如所述那样用于驱动。另外，电磁阀组件5具有状态确定装置50，该状态确定装置被配置成执行根据本发明的方法。下面将更详细地讨论功能性。
如已经提及的，对阀10将进行切换状态确定。为此目的，在描述进一步的细节之前，现在将讨论线圈30的电气子系统的数学模型。
应当理解，下面给出的数学细节和公式也可以表示还可以用于限制权利要求的基本方面。
线圈30的数学模型可以用下面的关系以良好的近似来再现线圈电压u和线圈电流i以及线圈30的电感L和电阻R：
Figure BDA0003017668930000051
这里，时间t被作为参数给出。
应当注意，此方程也适用于脉宽调制操作的电流控制的情况。然而，在这种情况下，u意味着脉宽调制周期的平均电压，i意味着脉宽调制周期的平均电流。
图2示出了等效电路图，其中示出了电感L、电阻R、电压u和电流i。
动态饱和效应在典型的系统和电压范围中起次要作用。因此，上述方程(1)可以较好近似地简化成以下方程：
Figure BDA0003017668930000052
这里，v表示阀10的挺杆(未单独示出)的挺杆速度。例如，挺杆可以是已经提及的电枢20。
此数学模型可以用于确定阀的状态。这将在下文解释。
图3示出了在电流恒定时电感关于典型电磁阀(例如阀10)的挺杆位置曲线。此外，图4示出了电感关于未切换(x＝0；附图标记S1)的和已切换(x＝1；附图标记S2)的电磁阀(例如阀10)的电流的典型曲线。切换状态在图3的横轴上以百分比示出，而电感在纵轴上以任意单位示出。在图4的横轴上相对于最大的电流绘制电流，而在图4的纵轴上相对于最大的电感绘制电感。容易看出，可以使用电感和电流的知识来推断切换状态。
由于挺杆速度v和电感L(x,i)的精确的位置依赖性两者都是未知的，因此只有当阀挺杆不运动时、即当v＝0且L(x,i)＝L(i)适用时，才容易进行估计。当阀挺杆位于两个端部止挡部之一时，这至少总是满足的。
如果L0＝L(0,i0)表示未切换状态下的电感，而L1＝L(100,i100)表示切换状态下的电感，在挺杆处于其中一个端部止挡部处的情况下，则微分方程
Figure BDA0003017668930000061
或微分方程
Figure BDA0003017668930000064
适用。
如果电流随时间发生变化，则可以估计电感L，并且因此也可以仅仅藉由将估计的电感L的大小与L0和L1进行比较并且优选地也可以藉由知道的电流来直接推断切换状态，。
电感估计的方法如下所示。
如果采样时刻Ts两个测量点之间的电压曲线和电流曲线使用直线近似，则获得采样点tk＝kTs和Tk+1＝(k+1)Ts之间的电流曲线的关系如下：
Figure BDA0003017668930000063
类似地获得电压曲线。然后通过使用[tk,tk+1]对L0＝L的微分方程(3)和方程(5)一起进行积分，这于是给出了：
Figure BDA0003017668930000071
或者在简单的重新整理之后为
Figure BDA0003017668930000072
因此，参数R、L的确定被简化为求解线性最小二乘问题(7)，并且R、L可以由以下形式的替代参数p＝[p1,p2]T来确定：
Figure BDA0003017668930000073
Figure BDA0003017668930000074
阀的状态估计的思想是用遗忘因子递归求解最小二乘问题。这允许在电流变化的情况下估计电感，由此可以通过比较大小来确定切换状态。应当注意，由于电感对位置的依赖性，电流的变化不仅由于线圈电压的变化而发生，而且当挺杆运动时也会发生，例如如上面的方程(2)所示。这也允许检测到意外的阀切换，例如由于外部作用力或流动力造成的阀切换。
应当注意，最小二乘法的递归方法也可以通过适合的实现方式在定点运算中实现。此外，这种方法对于两个估计参数具有非常低的计算量，这也允许通过简单的逻辑门直接在硬件中实现。
刚刚描述的计算由状态确定装置50来执行。为此目的，在相应的时刻测量对应的电压和电流。
为了验证该方法，对于PWM操作的电磁阀，占空比以10％的步长从20％设置到80％，同时测量脉宽调制周期内的平均线圈电流、以及平均线圈电压。然后将上述算法应用于这些电压和电流曲线。得到的电阻和电感曲线如图5(横轴：任意单位的时间；纵轴：任意单位的电阻)和图6(横轴：任意单位的时间；纵轴：任意单位的电感)所示。容易看出，R和L的算法在短暂的振荡阶段后收敛。从电感的曲线也可以看出阀是否关闭。占空比为20％和30％时，电流不足以关闭阀，电感数值向L0收敛。在占空比较高的情况下，电流足以关闭阀，这增大了电感，通过估计可以很好地检测到电感。
迄今考虑的阀切换状态都与控制相关，即假设阀在控制器的要求下被切换。对于阀是否由于流动力或其他外部作用力而改变其切换状态，或者例如常闭阀究竟是否打开，则是不能确定的。虽然已经存在确定切换状态的方法，但产生的测量信号非常小且易受到干扰。
现在，上述估计第一次使得可以关于数字阀的切换状态做出精确且可靠的判断。这意味着可以更好地或首次满足功能安全要求。另外，阀的状态是已知的这一事实意味着不需要液压安全措施(比如止回阀)。与已经建立的方法相比，得到的信号相当大，并且由于递归最小二乘算法的滤波，对噪声不太敏感。除了电感之外，该算法还确定当前的电阻，类似于作为附带产物。电阻可以直接用于可供使用性问题。
基于电感变化的阀状态估计特别有利。在此重要的是使用线圈电流和线圈电压并结合数学模型(3)或(4)以及合适的估计方法。例如，这里可以使用最小二乘法的递归方法，但是也可以使用其他方法。此外，对于通过脉宽调制操作的系统而言，使用在脉宽调制周期内平均的线圈电流、以及平均的线圈电压是有利的。如果电源电压已知，脉宽调制周期的占空比也可以取代平均线圈电压来使用。
根据本发明的方法的所提及步骤可以以所给定的顺序来执行。然而，这些步骤还可以以不同的顺序来执行。在其实施例之一中，例如，通过特定的步骤组合，可以以不执行其他步骤的方式执行根据本发明的方法。然而，原则上，还可以执行其他步骤，甚至是未提及的步骤。
构成本申请的一部分的权利要求书并不代表放弃更多的保护的实现。

Claims (14)

1.一种用于确定阀(10)的切换状态的方法，该阀通过线圈(30)致动，该方法包括以下步骤：
-在以指定的时间间隔跟随彼此的若干时刻分别确定流过线圈(30)的电流和施加至线圈(30)的电压，
-基于所述电流、所述电压和所述时间间隔计算线圈(30)的电感值，以及
-基于所述电感值确定切换状态。
2.根据权利要求1所述的方法，
-其中，使用最小二乘法来计算电感值。
3.根据权利要求2所述的方法，
-其中，所述最小二乘法与遗忘因子一起递归使用。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，
-其中，藉由线性方程来确定电感值，在该线性方程中，第一列向量被设置为等于矩阵乘以第二列向量，
-其中，时刻用索引k来编号，
-其中，第一列向量在行k中包含时刻k+1的电流减去时刻k的电流之间的差值，
-其中，该矩阵具有两列，
-其中，该矩阵的第一列在行k中包含时刻k+1的电压和时刻k的电压之和，
-其中，该矩阵的第二列在行k中包含在时刻k+1的电流和在时刻k的电流之和，并且
-其中，第二列向量在其第一行包含第一参数，在其第二行包含第二参数。
5.根据权利要求4所述的方法，
-其中，电感值被计算为时间间隔除以数字二并除以第一参数的商。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，
-其中，线圈(30)的电阻也基于电流、电压和时间间隔来计算。
7.根据权利要求4或其从属权利要求所述的方法，
-其中，线圈(30)的电阻被计算为第二参数除以第一参数的商。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，
-连续或连续重复执行该方法。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，
-其中，将电感值与第一端值和第二端值进行比较，
-其中，如果电感值与第一端值至多具有预定距离，则确定第一切换状态，并且
-其中，如果电感值与第二端值至多具有预定距离，则确定第二切换状态。
10.根据权利要求9所述的方法，
-其中，这些切换状态是阀(10)的端状态。
11.根据前述权利要求之一所述的方法，
-其中，根据测试信号来识别阀(10)的切换状态。
12.根据前述权利要求之一所述的方法，
-其中，计算全部或部分藉由定点运算来执行。
13.根据前述权利要求之一所述的方法，
-其中，通过脉宽调制控制线圈(30)，
-其中，电流和电压各自在脉宽调制周期内取平均。
14.一种电磁阀组件，具有
-阀(10)，
-用于致动阀(10)的线圈(30)，
-控制装置(40)，用于向线圈(30)施加电流和/或电压，以及
-状态确定装置(50)，该状态确定装置被配置成执行根据前述权利要求之一所述的方法。
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