CN116991095A - 一种can总线电控单元和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CAN总线电控单元和控制方法，其中电控单元包括CAN总线壳体、LVDT位移传感器、比例流量阀和主控电路板，LVDT位移传感器、比例流量阀和主控电路板安装在CAN总线壳体内，LVDT位移传感器、比例流量阀的控制端分别与主控电路板连接，比例流量阀包括动铁、推杆和盆靴阀套，动铁、推杆和盆靴阀套同轴线布置，推杆一端与动铁接触，另一端插入盆靴阀套内部，动铁与推杆接触端呈碗形结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种CAN总线电控单元和控制方法，属于电子控制系统技术领域。
背景技术
随着电子信息技术在液压控制领域的应用愈加广泛，液压阀等关键元件呈现出智能化、数字化的发展趋势，电控单元作为核心控制部件，其控制精度与响应速度对液压阀的性能具有重要影响，基于CAN总线传输的可靠性与快速性，集成CAN总线的电控产品逐渐投入市场应用。
截至目前，国外相关公司已推出成熟的CAN总线电控产品，例如Thomas公司的EHA、Rexroth公司的CPM等。德国Thomas公司开发的EHA电液执行器，内部集成两个传统比例减压阀用于被控阀的先导压力控制，通过霍尔位移传感器检测阀芯位移，实现被控阀芯位移闭环控制，电路板根据需求输出控制信号驱动比例减压阀及检测位移传感器的反馈信号，先导压力控制使用传统的比例减压阀完成，受电比例减压阀性能限制，响应时间较长，使用霍尔位移传感器检测阀芯位移，精度较低，对于实现阀芯位移的高精度控制具有一定的局限性。Bosch Rexroth公司开发的CPM电控模块则使用双线圈比例电磁阀控制先导压力，但双线圈比例电磁阀，轴向尺寸长，安装空间受限，不利于整阀体积压缩。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种CAN总线电控单元和控制方法，解决了现有技术中集成度低、灵活性差、控制精度低的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种CAN总线电控单元，包括CAN总线壳体、LVDT位移传感器、比例流量阀和主控电路板，
LVDT位移传感器为分体式结构，包括位移传感器主体和位移传感器变送电路板，位移传感器主体通过线圈引线连接位移传感器变送电路板；
比例流量阀数量为两个，对称安装在位移传感器主体两侧；
LVDT位移传感器、比例流量阀和主控电路板安装在CAN总线壳体内，位移传感器变送电路板、比例流量阀的控制端分别与主控电路板连接，比例流量阀油口端连接被控元件，位移传感器主体检测端连接被控元件阀芯；
比例流量阀包括动铁、推杆和盆靴阀套，动铁、推杆和盆靴阀套同轴线布置，推杆一端与动铁接触，另一端插入盆靴阀套内部。
进一步地，前述比例流量阀为两位三通电磁阀，
当比例流量阀的电磁线圈得电，进油口P与工作油口A连通；当比例流量阀的电磁线圈掉电，回油口T与工作油口A连通。
进一步地，前述动铁与推杆接触端呈碗形结构。
进一步地，前述CAN总线壳体包括CAN总线外壳和CAN总线端盖两部分，CAN总线外壳一端端面为安装面，安装面上设有比例流量阀安装孔和位移传感器安装孔，CAN总线外壳另一端面设有电路板安装腔，CAN总线端盖通过螺钉固定连接在CAN总线外壳上。
进一步地，前述CAN总线端盖与CAN总线外壳之间还设有异形密封圈。
进一步地，前述位移传感器主体包括线圈、骨架、承压管和LVDT推杆，骨架中空设置，尾部通过螺钉固定在CAN总线壳体1上，骨架其内部顶端设有弹性件，弹性件下端连接LVDT推杆，承压管套设在LVDT推杆上，线圈2.11采用两段三线制绕线方式绕制在骨架外圈上，位移传感器主体通过线圈引线连接位移传感器变送电路板。
进一步地，前述LVDT推杆包括导磁段与非导磁段，非导磁段一端通过弹性件与被控元件阀芯端面相抵，另一端与导磁段连接。
进一步地，前述承压管与CAN总线壳体之间设有密封圈。
进一步地，前述主控电路板包含电源模块、MCU控制模块、驱动模块、CAN通讯模块、抗干扰模块、过欠压保护模块；
电源模块提供可调电压到其他各模块，
驱动模块输出PWM信号，驱动比例流量阀动作，
所述过欠压保护模块连接电源模块输出端，判断电源模块输出电压是否出现过欠压，并在出现过欠压情形下断开电源模块与其他各模块的连接，用来提高电路板的可靠性，
所述抗干扰模块位于过欠压保护模块与驱动模块之间，用于过滤电压受外界电磁干扰产生的杂波，提高驱动模块的运行稳定性，
所述CAN通讯模块实现主控电路板（4）内各模块之间的数据交互，以及主控电路板（4）与外部连接件的信息传递， MCU控制模块控制其他各模块的协调动作，根据用户需求进行软件编程。
进一步地，前述还包括插接件和插接件转接板；
插接件连接主控电路板，插接件转接板连接插接件的插针。
一种CAN总线电控控制方法，包括如下步骤：
控制CAN总线电控单元中比例电磁阀动作；
获取CAN总线电控单元中被控元件的阀芯目标位移和实际位移；
计算目标位移和实际位移的偏差err，并与预设偏差带Δerr进行比较；
若err>Δerr，则控制CAN总线电控单元中任意一个比例流量阀单独作用，再通过单作用偏差调节器Con1进行偏差调节；否则，控制CAN总线电控单元中两个比例流量阀共同作用，再利用双作用偏差调节器Con2进行偏差调节。
本发明所达到的有益效果：
1、比例流量阀，推杆与阀芯结构一体化、盆靴与阀套结构一体化，信号输入端采用插针式设计，动铁与推杆接触面设计碗形结构，推杆，即阀芯的限位通过盆靴阀套实现，利于对中，整体尺寸小，集成度高；
2、LVDT位移传感器，采用两段式结构，缩小了轴向尺寸，线圈骨架与承压管分体式设计，安装方便；
3、LVDT位移传感器，较霍尔位移传感器，位移测量精度高，两位三通比例流量阀，和主控电路板，电控单元结构更紧凑，结合阀芯两端压力复合控制方法，阀芯位移控制精度更高；
4、整体可作为独立的电控模块与被控阀配合使用，使用灵活度高；
5、主控电路板包含电源模块、MCU控制模块、驱动模块、CAN通讯模块、抗干扰模块、过欠压保护模块，具备可编程能力和故障诊断能力，适用程度高，可匹配多种类型的阀使用。
附图说明
图1是本发明CAN总线电控单元原理图；
图2是本发明CAN总线电控单元结构图；
图3是本发明CAN总线电控单元结构剖面图；
图4是本发明LVDT位移传感器结构图；
图5是本发明比例流量阀结构剖面图；
图6是本发明主控电路板模块连接图；
图7是本发明复合控制方法框图；
图8是本发明复合调节器控制流程图。
图中附图标记的含义：1-CAN总线壳体；1.1-CAN总线外壳；1.2-CAN总线端盖；1.3-异形密封圈；2- LVDT位移传感器；2.1-位移传感器主体；2.2-位移传感器变送电路板；2.11-线圈；2.12-骨架；2.13-承压管；2.14-弹性件；2.15-LVDT推杆；2.16-第二密封圈；3-比例流量阀；3.1-动铁；3.2-推杆；3.3-盆靴阀套；4-主控电路板；5-插接件；6-插接件转接板。
具体实施方式
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
如图1所示，本实施例公开了一种CAN总线电控单元，该电控单元可通过螺钉固定在被控阀外侧，也可通过过渡块与被控阀连接，如图1所示，具体包括：CAN总线壳体1、LVDT位移传感器2、比例流量阀3、主控电路板4、插接件5和插接件转接板6。
结合图3，CAN总线壳体1包括CAN总线外壳1.1和CAN总线端盖1.2两部分，CAN总线外壳1.1一端端面作为安装面，该安装面上设置两个比例流量阀安装孔和一个位移传感器安装孔，另一端面设置一个电路板安装腔，CAN总线端盖1.2通过螺钉固定在CAN总线外壳1.1上，CAN总线端盖1.2与CAN总线外壳1.1之间通过异形密封圈1.3进行密封。
LVDT位移传感器2为两段分体式结构，如图3所示，分为位移传感器主体2.1和位移传感器变送电路板2.2两部分。
位移传感器主体2.1包括线圈2.11、骨架2.12、承压管2.13、弹性件2.14和LVDT推杆2.15；骨架2.12中空设置，其内部顶端设有弹性件2.14，弹性件2.14下端连接有LVDT推杆2.15；承压管2.13套设在LVDT推杆2.15上，安装在骨架2.12出口端；线圈2.11采用两段三线制绕线方式绕制在骨架2.12外圈上，减小了位移传感器的轴向尺寸。位移传感器主体2.1安装在CAN总线外壳1.1的位移传感器安装孔内，其轴线与CAN总线外壳1.1轴线重合，其LVDT推杆2.15伸出CAN总线外壳1.1外。骨架2.12尾部通过螺钉固定在CAN总线壳体1上，承压管2.13通过密封圈2.16与CAN总线壳体1形成密封，LVDT推杆2.15端部通过弹性件2.14与被控阀芯保持接触，LVDT推杆2.15分为导磁段与非导磁段，非导磁段一端与被控阀芯端面相抵，另一端与导磁段连接，LVDT推杆2.15跟随阀芯运动，产生的感应电动势经位移传感器变送电路板2.2传递到主控电路板4，从而实现阀芯位移闭环控制。位移传感器主体2.1线圈绕线完成后，引线并焊接到位移传感器变送电路板2.2上。
位移传感器变送电路板2.2通过螺钉紧固在CAN总线壳体1电路板装置腔内，通过插接件与主控电路板4连接，位移传感器变送电路板2.2将位移传感器主体2.1的感应电动势转换成主控电路板4可识别的电信号输出。
比例流量阀3为2个，对称安装在LVDT位移传感器2两侧，置于CAN总线外壳1.1的比例流量阀安装孔内，轴线与LVDT位移传感器2轴线平行，比例流量阀3通过插针与主控电路板4连接。
两个比例流量阀3结构相同，均为两位三通型流量阀，以其中一个为例，如图5所示，包括动铁3.1、推杆3.2和盆靴阀套3.3，动铁3.1、推杆3.2和盆靴阀套3.3的轴线在同一直线上；推杆3.2一端与动铁3.1接触，另一端插入盆靴阀套3.3内部，其中，推杆3.2既作为电磁力的输出机构，又作为比例流量阀的阀芯，盆靴阀套3.3同时承担了比例电磁铁盆靴和比例流量阀阀套的作用，该推杆阀芯一体化、盆靴阀套一体化的结构，缩短了比例流量阀3的整体尺寸，节省了安装空间，动铁3.1与推杆3.2接触端呈碗形结构，动铁3.1碗形槽底部为平面，推杆3.2碗形端面为平面，该结构形式保证了3.1动铁与3.2推杆运动过程中的对中性能。
比例流量阀3设置三个油口，分别为回油口T，进油口P，工作油口A。电磁铁线圈得电，进油口P与工作油口A连通，先导油腔进油；电磁铁线圈掉电，回油口T与工作油口A连通，先导油腔泄油。两个比例流量阀3在主控电路板4的控制信号下相互配合，进而精准控制阀芯位移。
主控电路板4通过螺钉装配在CAN总线壳体1电路板装置腔内，与LVDT位移传感器2、两个比例流量阀3轴线垂直；主控电路板4与LVDT位移传感器2、比例流量阀3连接，连接方式包括但不限于锡焊和插接件。如图6所示，主控电路板4包含电源模块、MCU控制模块、驱动模块、CAN通讯模块、抗干扰模块、过欠压保护模块等，电源模块提供可调电压到其他各模块，驱动模块输出PWM（脉宽调制）信号，驱动比例流量阀3动作，过欠压保护模块连接电源模块输出端，判断电源模块输出电压是否出现过欠压，并在出现过欠压情形下断开电源模块与其他各模块的连接，用来提高电路板的可靠性，抗干扰模块位于过欠压保护模块与驱动模块之间，用于过滤电压受外界电磁干扰产生的杂波，提高驱动模块的运行稳定性， CAN通讯模块实现主控电路板内各模块之间的数据交互，以及主控电路板与外部连接件的信息传递，外部连接件包括LVDT位移传感器、比例流量阀、插接件，MCU控制模块可根据用户进行软件编程，主控电路板4具备故障诊断功能，可编程能力，可在宽电压宽温域条件下工作，可靠性高，使用灵活性强。
为对CAN总线控制单元进行供电与外部数据交互，插接件5焊接到主控电路板4上，弯针式设计便于与控制器连接，特别的，插接件转接板6焊接到插接件5的插针上，减少CAN总线电控单元内部接口，避免造成主控电路板4空间浪费。插接件5通过螺钉紧固在CAN总线壳体1上，插接件5与CAN总线壳体1之间通过密封垫进行密封。
结合图7、图8，当对被控阀芯进行位移闭环控制时，指令信号通过上位机或主机控制器通过插接件6传递到主控电路板4，经主控电路板4处理后，转换成PWM信号，驱动比例流量阀3推杆3.8动作，比例流量阀3进油口P与工作油口A连通，被控阀芯一端先导控制腔进油，阀芯动作，LVDT位移传感器2的LVDT推杆2.15跟随被控阀芯移动，将阀芯位移反馈到主控电路板4，主控电路板4将阀芯目标位移与实际位移作差，复合调节器根据位移偏差大小，选择对应的控制逻辑，对两个比例流量阀3分别进行控制，通过独立调节阀芯两端背压，实时控制阀芯位移，提高阀芯位移控制的灵活性与节能性。
本实施例CAN总线壳体分成CAN总线外壳和CAN总线端盖两部分，二者配合构成位移传感器、比例流量阀和主控电路板的容纳空间；LVDT位移传感器采用两段分体式设计，安装在CAN总线壳体内部，推杆跟随被控阀芯移动，并将阀芯位移信号实时反馈到主控电路板，实现位移闭环控制；比例流量阀采用阀芯推杆一体化、阀套盆靴一体化的高度集成式设计，为两个结构相同的两位三通型比例流量阀，对称分布在LVDT位移传感器两侧，电磁铁线圈得电时，比例流量阀进油口P与工作油口A连通，先导腔进油，电磁铁线圈断电时，比例流量阀回油口T与工作油口A连通，先导腔泄油；主控电路板包括电源模块、MCU控制模块、驱动模块、CAN通讯模块、抗干扰模块、过欠压保护模块等，通过控制程序驱动比例流量阀控制被控阀芯先导腔压力，调度位移传感器反馈信号以及实现外部数据交互等。本发明提供的CAN总线电控单元采用被控阀芯控制腔复合压力控制方法，主阀芯两端背压既可独立调节，也可成对逻辑控制，结合被控阀芯位移偏差，对被控阀芯位移进行实时调整，实现阀芯位移高精度控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种CAN总线电控单元，其特征在于，包括CAN总线壳体（1）、LVDT位移传感器（2）、比例流量阀（3）和主控电路板（4），
所述LVDT位移传感器（2）为分体式结构，包括位移传感器主体（2.1）和位移传感器变送电路板（2.2），所述位移传感器主体（2.1）通过线圈引线连接位移传感器变送电路板（2.2）；
所述比例流量阀（3）数量为两个，对称安装在位移传感器主体（2.1）两侧；
所述LVDT位移传感器（2）、比例流量阀（3）和主控电路板（4）安装在CAN总线壳体（1）内，所述位移传感器变送电路板（2.2）、比例流量阀（3）的控制端分别与主控电路板（4）连接，所述比例流量阀（3）油口端连接被控元件，所述位移传感器主体（2.1）检测端连接被控元件阀芯；所述比例流量阀（3）包括动铁（3.1）、推杆（3.2）和盆靴阀套（3.3），所述动铁（3.1）、推杆（3.2）和盆靴阀套（3.3）同轴线布置，所述推杆（3.2）一端与动铁（3.1）接触，另一端插入盆靴阀套（3.3）内部。
2.根据权利要求1所述的一种CAN总线电控单元，其特征在于，所述比例流量阀（3）为两位三通电磁阀，
当比例流量阀（3）的电磁线圈得电，进油口P与工作油口A连通；当比例流量阀（3）的电磁线圈掉电，回油口T与工作油口A连通。
3.根据权利要求1所述的CAN总线电控单元，其特征在于，所述动铁（3.1）与推杆（3.2）接触端呈碗形结构。
4.根据权利要求1所述的CAN总线电控单元，其特征在于，所述CAN总线壳体（1）包括CAN总线外壳（1.1）和CAN总线端盖（1.2），所述CAN总线外壳（1.1）一端端面为安装面，所述安装面上设有比例流量阀安装孔和位移传感器安装孔，所述CAN总线外壳（1.1）另一端面设有电路板安装腔，所述CAN总线端盖（1.2）通过螺钉固定连接在CAN总线外壳（1.1）上。
5.根据权利要求4所述的CAN总线电控单元，其特征在于，所述CAN总线端盖（1.2）与CAN总线外壳（1.1）之间还设有异形密封圈（1.3）。
6.根据权利要求1所述的CAN总线电控单元，其特征在于，所述位移传感器主体（2.1）包括线圈（2.11）、骨架（2.12）、承压管（2.13）和LVDT推杆（2.15），所述骨架（2.12）中空设置，尾部通过螺钉固定在CAN总线壳体（1）上，所述骨架（2.12）内部顶端设有弹性件（2.14），所述弹性件（2.14）下端连接LVDT推杆（2.15），所述承压管（2.13）套设在LVDT推杆（2.15）上，所述线圈（2.11）采用两段三线制绕线方式绕制在骨架（2.12）外圈上，所述位移传感器主体（2.1）通过线圈（2.11）引线连接位移传感器变送电路板（2.2）。
7.根据权利要求6所述的CAN总线电控单元，其特征在于，所述LVDT推杆（2.15）包括导磁段与非导磁段，非导磁段一端通过弹性件（2.14）与被控元件阀芯端面相抵，另一端与导磁段连接。
8.根据权利要求6所述的CAN总线电控单元，其特征在于，所述承压管（2.13）与CAN总线壳体（1）之间设有密封圈（2.16）。
9.根据权利要求1所述的CAN总线电控单元，其特征在于，所述主控电路板（4）包含电源模块、MCU控制模块、驱动模块、CAN通讯模块、抗干扰模块、过欠压保护模块；
所述电源模块提供可调电压到其他各模块，
所述驱动模块输出PWM信号，驱动比例流量阀动作，
所述过欠压保护模块连接电源模块输出端，判断电源模块输出电压是否出现过欠压，并在出现过欠压情形下断开电源模块与其他各模块的连接，用来提高电路板的可靠性，
所述抗干扰模块位于过欠压保护模块与驱动模块之间，用于过滤电压受外界电磁干扰产生的杂波，提高驱动模块的运行稳定性，
所述CAN通讯模块实现主控电路板（4）内各模块之间的数据交互，以及主控电路板（4）与外部连接件的信息传递，
所述MCU控制模块控制其他各模块的协调动作，根据用户需求进行软件编程。
10.根据权利要求1所述的CAN总线电控单元，其特征在于，还包括插接件（5）和插接件转接板（6）；
所述插接件（5）连接主控电路板（4），所述插接件转接板（6）连接插接件（5）的插针。
11.一种CAN总线电控控制方法，其特征在于，应用如权利要求1所述的CAN总线电控单元，包括如下步骤：
控制CAN总线电控单元中比例电磁阀（3）动作；
获取CAN总线电控单元中被控元件的阀芯目标位移和实际位移；
计算目标位移和实际位移的偏差err，并与预设偏差带Δerr进行比较；
若err >Δerr，则控制CAN总线电控单元中任意一个比例流量阀（3）单独作用，再通过单作用偏差调节器Con1进行偏差调节；否则，控制CAN总线电控单元中两个比例流量阀（3）共同作用，再利用双作用偏差调节器Con2进行偏差调节。
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2023
- 2023-06-30 CN CN202310792862.1A patent/CN116991095A/zh active Pending
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