CN114609900A - 一种基于pid控制的电磁阀驱动方法及驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PID控制的电磁阀驱动方法及驱动系统，其中驱动方法包括以下步骤：实时计算恒流控制电路中恒流MOS管的漏源电压；在所述漏源电压大于或小于预设漏源电压时，获取电磁阀的驱动偏差，所述驱动偏差为所述电磁阀的目标驱动电压与所述电磁阀的实际驱动电压的差值；基于所述驱动偏差修正所述电磁阀的实际驱动电压。本发明的目的在于提供一种基于PID控制的电磁阀驱动方法及驱动系统，旨在实现驱动电源在电磁阀运行的不同阶段能够自适应地提供当前阶段电磁阀所需的合格电源，达到降低系统功耗和避免出现电磁阀提前释放发生误动作的情况。
Description
技术领域
本申请实施例涉及电磁阀技术领域，具体而言，涉及一种基于PID控制的电磁阀驱动方法及驱动系统。
背景技术
电磁阀的开关动作主要服务于电磁铁的吸合与释放，一般在吸合时流经电磁阀线圈的启动电流很大，而在吸合后释放前这个阶段，电磁阀线圈所需的维持电流相比较小，如图1所示，因此为满足不同阶段的供电需求，电磁阀驱动电路通常是一高一低双电源电路，高电压电源在吸合启动阶段为电磁阀提供大电流，低电压电源在吸合维持阶段为电磁阀提供小电流，其功能框图如图2所示。
由于电磁阀兼具阻性分量和感性分量于一身，其感性分量会影响流经电磁阀线圈电流的变化速率的大小，其阻性分量会受流经电磁阀线圈电流的作用随时间使自身温度上升，而温度上升会导致电磁阀阻性分量增大，电磁阀的阻性分量增大必然导致电磁阀对所需驱动电源电压增大，也即是对同一电磁阀的同一驱动电流值而言，热态电磁阀所需的驱动电压比冷态电磁阀所需的驱动电压大。因此低电压电源在吸合维持阶段会出现如下两种情况：
情况1：低电压电源的输出电压值足够大，尽管电磁阀长时间处于维持吸合状态，也可以满足供电要求；但是由于大部分电源并没有参与运行驱动过程，从而导致能源明显浪费，如图3所示；
情况2：低电压电源的输出电压值不够大，电磁阀在维持吸合状态的一段时间内尚能正常工作，不过维持时间放长以后，低压电源的输出电压值就不能提供维持电磁阀吸合所必需的电流值，从而使得电磁阀线圈无法向电磁铁提供必要的吸合力而导致电磁阀提前释放发生误动作的情况，严重时将导致系统控制紊乱，甚至系统崩溃，如图4所示。
发明内容
本申请实施例提供一种基于PID控制的电磁阀驱动方法及驱动系统，旨在实现驱动电源在电磁阀运行的不同阶段能够自适应地提供当前阶段电磁阀所需的合格电源，达到降低系统功耗和避免出现电磁阀提前释放发生误动作的情况。
本发明通过下述技术方案实现：
本申请实施例第一方面提供一种基于PID控制的电磁阀驱动方法，包括以下步骤：
实时计算恒流控制电路中恒流MOS管的漏源电压；
在所述漏源电压大于或小于预设漏源电压时，获取电磁阀的驱动偏差，所述驱动偏差为所述电磁阀的目标驱动电压与所述电磁阀的实际驱动电压的差值；
基于PID控制算法和所述驱动偏差修正所述实际驱动电压。
可选地，所述预设漏源电压为所述恒流MOS管的开启电压与所述恒流MOS管的栅源电压的差值。
可选地，修正后的所述实际驱动电压为：
u(k)＝Kp*e(k)+Ki*[e(1)+e(2)+…+e(k)]+Kd*[e(k)-e(k-1)]；
其中，u(k)表示修正后的所述实际驱动电压，Kp表示比例系数，Ki表示积分系数，Kd表示微分系数，e(k)表示第k次修正时所述目标驱动电压与所述实际驱动电压的差值，e(k-1)表示第k-1次修正时所述目标驱动电压与所述实际驱动电压的差值。
本申请实施例第二方面提供一种基于PID控制的电磁阀驱动系统，包括电磁阀，还包括控制模块、电压调节模块以及反馈模块；
所述反馈模块，用于实时监测恒流控制模块中恒流MOS管的漏源电压；
所述控制模块，用于在所述漏源电压大于或小于预设漏源电压时，获取电磁阀的驱动偏差，并基于PID控制算法和所述驱动偏差修正所述实际驱动电压；
所述电压调节模块，用于向所述电磁阀输出修正后的所述实际驱动电压。
可选地，所述反馈模块包括漏源电压检测单元和信号调理单元；
所述漏源电压检测单元，用于实时监测所述恒流MOS管的漏源电压；
所述信号调理单元，用于将所述漏源电压转换成数字信号并传输至所述控制模块。
可选地，所述电压调节模块包括固定输出驱动电源单元和可调DC/DC电路单元；
所述固定输出驱动电源单元，用于向所述电磁阀提供驱动电源；
所述可调DC/DC电路单元，用于根据修正后的所述实际驱动电压调节所述驱动电源的电压幅值，并传输至所述电磁阀。
可选地，所述预设漏源电压为所述恒流MOS管的开启电压与所述恒流MOS管的栅源电压的差值。
可选地，修正后的所述实际驱动电压为：
u(k)＝Kp*e(k)+Ki*[e(1)+e(2)+…+e(k)]+Kd*[e(k)-e(k-1)]；
其中，u(k)表示修正后的所述实际驱动电压，Kp表示比例系数，Ki表示积分系数，Kd表示微分系数，e(k)表示第k次修正时所述目标驱动电压与所述实际驱动电压的差值，e(k-1)表示第k-1次修正时所述目标驱动电压与所述实际驱动电压的差值。
本申请实施例第三方面提供一种电子装置，包括处理器和存储器；
所述存储器，用于存储所述处理器可执行指令；
所述处理器，被配置为执行如上任意一项所述的一种基于PID控制的电磁阀驱动方法。
本申请实施例第四方面提供一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序，所述计算机程序运行时执行如上任意一项所述的一种基于PID控制的电磁阀驱动方法。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
通过对恒流MOS管的漏源电压进行监测和反馈，使系统能够根据驱动电压的实际需求对驱动电源进行调整，使得在较短时间内将驱动电源的输出电压调整为刚好能满足当前恒流输出状态的电压值，从而达到降低系统功耗和避免出现电磁阀提前释放发生误动作的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是电磁阀驱动电流波形示意图；
图2是常规电磁阀驱动电路原理示意图；
图3是常规电磁阀在情形1下的电压电流波形示意图；
图4是常规电磁阀在情形2下的电压电流波形示意图；
图5是本申请实施例驱动方法的流程示意图；
图6是本申请实施例驱动系统的原理框图；
图7是现有技术与本申请的驱动电压对比示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种基于PID控制的电磁阀驱动方法，如图5所示，包括以下步骤：
实时计算恒流控制电路中恒流MOS管的漏源电压；
在漏源电压大于或小于预设漏源电压时，获取电磁阀的驱动偏差，本实施例所说的驱动偏差为电磁阀的目标驱动电压与电磁阀的实际驱动电压之值；
值得说明的是，预设漏源电压的大小可以根据实际情况进行选取，只要大于恒流MOS管的开启电压即可；其中，作为优选的，为尽可能在短的时间内，使驱动电压能够动态稳定地趋向目标电压值，并在整个控制过程中不出现超调的情况，提高系统的响应特性，本申请实施例在具体实施时，将预设漏源电压设置为恒流MOS管的开启电压与栅源电压之差。
基于PID控制算法和驱动偏差修正实际驱动电压，即，修正后的实际驱动电压为：
u(k)＝Kp*e(k)+Ki*[e(1)+e(2)+…+e(k)]+Kd*[e(k)-e(k-1)]；
u(k)表示修正后的实际驱动电压，Kp表示比例系数，Ki表示积分系数，Kd表示微分系数，e(k)表示第k次修正时目标驱动电压与实际驱动电压的差值，e(k-1)表示第k-1次修正时目标驱动电压与实际驱动电压的差值。其中，值得说明的是，Kp和Ki越大，调整的幅度也越大，但可能会引起超调甚至振动，Kd越大则表现为调整参数的改变越稳定，简单来说Kp和Ki对调整起加速改变的作用，而Kd对调整起阻尼的作用，参数的具体值根据实际情况进行合理设置。
现有技术中，电磁阀驱动电路通常是一高一低双电源电路，高电压电源在吸合启动阶段为电磁阀提供大电流，低电压电源在吸合维持阶段为电磁阀提供小电流。由于电磁阀兼具阻性分量和感性分量于一身，其感性分量会影响流经电磁阀线圈电流的变化速率的大小，其阻性分量会受流经电磁阀线圈电流的作用随时间使自身温度上升，而温度上升会导致电磁阀阻性分量增大，电磁阀的阻性分量增大必然导致电磁阀对所需驱动电源电压增大，也即是对同一电磁阀的同一驱动电流值而言，热态电磁阀所需的驱动电压比冷态电磁阀所需的驱动电压大。因此低电压电源在吸合维持阶段会出现如下两种情况：
情况1：低电压电源的输出电压值足够大，如图3所示；图3中，L1(实线)为驱动电源(高压电源和低压电源)输出的电压波形，L2(虚线)为电磁阀正常启动、激活和维持所需的实际电压波形(考虑电磁阀阻抗的变化)，L3(实线)为电磁阀启动、激活和维持阶段的实际驱动电流波形，L3同时也是电磁阀启动、激活和维持阶段的理论驱动电流波形。从图3可以看出，在驱动电流维持阶段，随着运行时间的不断延长所需的驱动电压逐步提高，因低电压电源的输出电压足够大，整个运行过程中驱动电源提供的输出电压均能满足要求，但缺点是从tn-1时刻进入维持阶段开始到后来的很长一段时间内，理论需求电压与实际驱动电压之间差距较大，随着运行时间的推移，两者差值虽逐步减小，但整个过程中两者的差值电压并没有参与到系统运行，提高了系统的功耗。
情况2：低电压电源的输出电压值不够大，如图4所示；图4中，L4(实线)为驱动电源(高压电源和低压电源)输出的电压波形，L5(虚线)为电磁阀正常启动、激活和维持所需的实际电压波形(考虑电磁阀阻抗的变化)，L6(实线)为电磁阀启动、激活和维持阶段的实际驱动电流波形。从图4可以看出，在驱动电流维持阶段，随着运行时间的不断延长所需的驱动电压逐步提高，因低电压电源的输出电压不够大，从tn-1时刻进入维持阶段开始电磁阀所需的理论电压逐步提高，驱动电源提供的输出电压均大于需求电压值，因此电磁阀实际驱动电流与理论驱动电流波形一致，一直到tn时刻达到临界点，tn时刻以后电磁阀所需的理论电压进一步提高，驱动电源提供的输出电压小于需求电压值，此时实际驱动电流无法保持维持电流值imin而逐步下降，一直到tn+1时刻关闭驱动，此时的维持驱动电流下降到了idrop水平。虽然吸合后电磁阀线圈所需的维持电流(imin)相对较小，但如果驱动电流低于了imin的值，那么在tn～tn+1阶段很可能因电磁阀线圈无法向电磁铁提供必要的吸合力而导致电磁阀提前释放发生误动作的情况，严重时将导致系统控制紊乱，甚至系统崩溃。
基于此，为解决上述技术问题，本申请实施例通过对恒流MOS管的漏源电压进行监测，并引入PID控制技术，使系统能够根据驱动电压的实际需求对驱动电源进行调整，使得在较短时间内将驱动电源的输出电压调整为刚好能满足当前恒流输出状态的电压值，从而达到降低系统功耗和避免出现电磁阀提前释放发生误动作的情况，如图7所示，图7中，L7(实线)为现有技术中驱动电源(高压电源和低压电源)输出的电压波形，L8(虚线)为电磁阀正常启动、激活和维持所需的实际电压波形(考虑电磁阀阻抗的变化)，L9(实线)为本实施例输出的驱动电源，L10同L8一样，都是电磁阀正常启动、激活和维持所需的实际电压波形。
从图7中可以明显看出，在使用本申请实施例的方案时，不管是在电磁阀激活阶段还是电磁阀维持阶段，输出电压都能够快速逼近目标电压值，且在稳定状态下，该电压值与电磁阀正常激活和维持所需的实际电压的差值仅为图中的UDS0电压大小。使整个系统运行过程中，在保证电磁阀正常工作的同时，又不会有多余的电压以恒流MOS管漏源电压UDS的形式存在，以恒流MOS管发热为代价消耗在恒流MOS管上，降低了恒流MOS管漏源两极存在的电应力，延长恒流MOS管的使用寿命；另一方面能降低对驱动电源电压的要求，使绝大部分都能参与进系统恒流控制或者电磁阀驱动中来，使驱动电源的效率得到大幅提高，使系统对能源的利用率得到大幅提升，同时也避免了因供电不足导致电磁阀提前释放发生误动作的情况。
实施例2
一种基于PID控制的电磁阀驱动系统，如图6所示，包括电磁阀，还包括控制模块、电压调节模块以及反馈模块；
反馈模块，用于实时监测恒流控制模块中恒流MOS管的漏源电压；具体的，本实施例中的反馈模块包括漏源电压检测单元和信号调理单元；其中，
漏源电压检测单元，用于实时监测恒流MOS管的漏源电压；
信号调理单元，用于将漏源电压转换成数字信号并传输至控制模块；
控制模块，用于在漏源电压大于或小于预设漏源电压时，获取电磁阀的驱动偏差，并基于PID控制算法和驱动偏差修正实际驱动电压；具体地，通过PID控制算法修正后的实际驱动电压为：
u(k)＝Kp*e(k)+Ki*[e(1)+e(2)+…+e(k)]+Kd*[e(k)-e(k-1)]；
其中，u(k)表示修正后的实际驱动电压，Kp表示比例系数，Ki表示积分系数，Kd表示微分系数，e(k)表示第k次修正时目标驱动电压与实际驱动电压的差值，e(k-1)表示第k-1次修正时目标驱动电压与实际驱动电压的差值。
电压调节模块，用于向电磁阀输出修正后的实际驱动电压；具体的，本实施例中的电压调节模块包括固定输出驱动电源单元和可调DC/DC电路单元；其中，
固定输出驱动电源单元，用于向电磁阀提供驱动电源，且该驱动电压足够大，可满足电磁阀在任意启动阶段的所需电压；
可调DC/DC电路单元，用于根据修正后的实际驱动电压调节驱动电源的电压幅值，并传输至电磁阀，从而提供合适的电压值电磁阀，达到降低系统功耗和避免出现电磁阀提前释放发生误动作的情况。
值得说明的是，预设漏源电压的大小可以根据实际情况进行选取，只要大于恒流MOS管的开启电压即可；其中，作为优选的，预设漏源电压设置为恒流MOS管的开启电压与栅源电压之差，从而使得恒流MOS管工作在饱和区。
另外，还需要说明的是，图6中的控制器与恒流控制电路中间还设置有信号调理电路1，该信号调理电路1的作用是用于控制器控制恒流控制电路的恒流状态，使流经电磁阀线圈的电流能够先后保持图1所示的imax和imin两个电流值，此部分为现有技术，本申请实施例并未对此部分内容作出改进，因此本申请实施例中不对其作过多阐述。
实施例3
本实施例提供一种电子装置，包括处理器和存储器；
存储器，用于存储处理器可执行指令；
处理器，被配置为执行如实施例1所提供的一种基于PID控制的电磁阀驱动方法。
实施例4
本实施例提供一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序，计算机程序运行时执行如实施例1所提供的一种基于PID控制的电磁阀驱动方法。
其中，值得说明的是，对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域内的技术人员应明白，本申请实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请实施例是参照根据本申请实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的一种基于PID控制的电磁阀驱动方法及驱动系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种基于PID控制的电磁阀驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：
实时计算恒流控制电路中恒流MOS管的漏源电压；
在所述漏源电压大于或小于预设漏源电压时，获取电磁阀的驱动偏差，所述驱动偏差为所述电磁阀的目标驱动电压与所述电磁阀的实际驱动电压的差值；
基于PID控制算法和所述驱动偏差修正所述实际驱动电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于PID控制的电磁阀驱动方法，其特征在于，所述预设漏源电压为所述恒流MOS管的开启电压与所述恒流MOS管的栅源电压的差值。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于PID控制的电磁阀驱动方法，其特征在于，修正后的所述实际驱动电压为：
u(k)＝Kp*e(k)+Ki*[e(1)+e(2)+…+e(k)]+Kd*[e(k)-e(k-1)]；
其中，u(k)表示修正后的所述实际驱动电压，Kp表示比例系数，Ki表示积分系数，Kd表示微分系数，e(k)表示第k次修正时所述目标驱动电压与所述实际驱动电压的差值，e(k-1)表示第k-1次修正时所述目标驱动电压与所述实际驱动电压的差值。
4.一种基于PID控制的电磁阀驱动系统，包括电磁阀，其特征在于，还包括控制模块、电压调节模块以及反馈模块；
所述反馈模块，用于实时监测恒流控制模块中恒流MOS管的漏源电压；
所述控制模块，用于在所述漏源电压大于或小于预设漏源电压时，获取电磁阀的驱动偏差，并基于PID控制算法和所述驱动偏差修正所述实际驱动电压；
所述电压调节模块，用于向所述电磁阀输出修正后的所述实际驱动电压。
5.根据权利要求4所述的一种基于PID控制的电磁阀驱动系统，其特征在于，所述反馈模块包括漏源电压检测单元和信号调理单元；
所述漏源电压检测单元，用于实时监测所述恒流MOS管的漏源电压；
所述信号调理单元，用于将所述漏源电压转换成数字信号并传输至所述控制模块。
6.根据权利要求4所述的一种基于PID控制的电磁阀驱动系统，其特征在于，所述电压调节模块包括固定输出驱动电源单元和可调DC/DC电路单元；
所述固定输出驱动电源单元，用于向所述电磁阀提供驱动电源；
所述可调DC/DC电路单元，用于根据修正后的所述实际驱动电压调节所述驱动电源的电压幅值，并传输至所述电磁阀。
7.根据权利要求4所述的一种基于PID控制的电磁阀驱动系统，其特征在于，所述预设漏源电压为所述恒流MOS管的开启电压与所述恒流MOS管的栅源电压的差值。
8.根据权利要求4所述的一种基于PID控制的电磁阀驱动系统，其特征在于，修正后的所述实际驱动电压为：
u(k)＝Kp*e(k)+Ki*[e(1)+e(2)+…+e(k)]+Kd*[e(k)-e(k-1)]；
其中，u(k)表示修正后的所述实际驱动电压，Kp表示比例系数，Ki表示积分系数，Kd表示微分系数，e(k)表示第k次修正时所述目标驱动电压与所述实际驱动电压的差值，e(k-1)表示第k-1次修正时所述目标驱动电压与所述实际驱动电压的差值。
9.一种电子装置，其特征在于，包括处理器和存储器；
所述存储器，用于存储所述处理器可执行指令；
所述处理器，被配置为执行如权利要求1-4中任意一项所述的一种基于PID控制的电磁阀驱动方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括存储的计算机程序，所述计算机程序运行时执行如权利要求1-4中任意一项所述的一种基于PID控制的电磁阀驱动方法。
Priority Applications (1)
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