CN1215160A - 用于检测磁阻型电磁致动器中衔铁位置的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种检测螺线管致动器线圈内部衔铁位置的装置,它将一固定频率的检测信号叠加到线圈驱动器信号上;将其合成施加于电磁线圈,并且交流量随衔铁位置所产生的电磁线圈的电感的变化而变化;电流检测器产生表示通过电磁线圈的电流强度的输出信号,以及一滤波器提取检测信号产生的输出信号的交流分量;位置电路从滤波器的输出确定衔铁的位置。

Description

用于检测磁阻型电磁致动器中衔铁位置的方法和装置
本发明涉及磁阻型电磁致动器，具体涉及在这种致动器中衔铁位置的检测。
许多类型的机械具有被液压缸和活塞机构操纵的可动零件。在压力下流体经-阀输送到液压缸、并且推动活塞以移动机械部件。通过调节阀的开启程度，可以改变流体的流速，从而以相应的速度推动活塞。一般情况下，阀的操纵是利用与阀内部的阀柱机械相连的杠杆手动进行的。
当前趋势是从手动操纵液压阀向电控电磁阀方向发展。电磁阀是众所周知的控制流体流动的磁阻电磁致动器。电磁阀包括沿着某一方向移动衔铁以开启阀的电磁螺线管。通过调节螺线管内流经的电流大小可以阀打开到各种程度。衔铁或者-阀件是被弹簧加载的，从而当电流从螺线管中消失时阀关闭。
在电动液压控制器中，操纵控制机构与阀之间没有机械连接。因此当操作者将控制机构移动到某一位置时，没有办法通过触觉、视觉或其它反馈手段获知阀的开启量是否合适。阀的实际位置随着操作特性的不同而不同。显而易见的解决方法是将机械位置检测装置附着在阀上，以提供指示阀相对位置的反馈信号。随后电子阀控制电路将检测的阀位置与操作者指令的需要位置进行比较，并调节施加在螺线管上的电流直到实现需要的位置。虽然这种机械位置传感器可以解决基本的反馈问题，但是它需要提供完全是电学而非机械的技术来检测这种致动器内衔铁的位置。那种可替换的方法发生机械故障的可能性较小，并且易于维护，而且具有较高的性能价格比。
本发明的目标是提供一种不用普通的物理位置传感器就能检测磁阻型电磁致动器中衔铁位置的装置。
本发明另一目标是提供一种非机械式位置检测装置。
本发明进一步的目标是提供这样一种检测装置，它根据螺线管的电信号确定衔铁位置。
本发明的再一目标是通过在用于电磁致动器线圈的电流调节信号上叠加检测信号进行衔铁位置检测，并且从与检测信号相关的线圈电流反馈中提取空间信息。
本发明的又一方面是将这种位置检测与电磁液压阀一起使用。
一种满足上述这些和其它目标的装置包括第一电流调节信号源，通过改变其电流大小以将衔铁移动到多个位置上。第二源生成固定频率的检测信号，它与电流调节信号组合形成合成信号。当合成信号施加在螺线管上时，衔铁位置变化引起的线圈电感变化导致交流分量的改变。
检测电路测量流经电磁线圈的电流强度，并提取与固定频率检测信号有关的交流分量。由于检测信号导致的交流分量主要因衔铁位置改变而变化，所以固定频率检测信号被叠加在电流调节信号上以提供检测衔铁位置的方法。位置电路利用交流分量来确定螺线管致动器的线圈内部的衔铁位置。
图1为典型的磁阻电磁致动器剖面图；
图2为按照本发明的磁阻电磁致动器中衔铁位置检测的一系统示意图；
图3A-3F为利用线性放大器的致动器系统中不同位置处信号的时域波形图；
图4A-4F为利用线性放大器的致动器系统中不同位置处信号的频域波形图；
图5为可以利用本发明的电磁先导阀的剖面图；
图6为包含本发明的利用脉冲宽度调制(PWM)螺线管驱动电路的示意图；以及
图7A-7F和8A-8F分别为利用PWM放大器的致动器系统中不同点的时域和频域信号。
首先参见图1，磁阻型电磁致动器200包括包围线圈204的磁性材料固定芯子202。衔铁206位于线圈204内部并且由非磁性轴承208分隔地延伸穿过固定芯子202内的开孔。弹簧210以离开线圈204的方向偏压衔铁。如下所述，衔铁与由衔铁移动所操纵的机构相连。
当电流施加在线圈204上时，产生了抵抗弹簧210作用力将衔铁206拉入线圈的磁场。磁通路径由衔铁206和固定芯子202提供。通过改变电流强度可以控制衔铁移入线圈204的距离。特别是该距离正比于电流强度。
图2示出了控制衔铁206位置的通用致动器系统220。功率放大器234可以是PWM螺线管驱动器或者线性螺线管驱动器，并且同样的方法可以应用于任一实施例。输入信号xa *表示需要的衔铁位置，并且通过第一求和节点222施加在衔铁位置控制器224的输入。衔铁位置控制器224生成与施加在磁阻电磁致动器200的电流强度对应的电流指令信号Ic *，以将衔铁206移动到所需位置。电流指令信号施加在第二求和节点206的一个输入上，其输出送至产生具有频率fb带宽的线圈电流调节信号V1的线圈电流调节器228。线圈电流调节信号在第三求和节点232与来自检测信号生成器230的固定频率f2的检测信号v2组合。图3A和3B示出了利用线性放大器的控制系统的线圈电流调节信号v1和检测信号v2。在第三求和节点232输出的组合信号v12示于图3C。图4A、4B和4C分别示出了这三个信号的频域表示。第三求和节点232的输出被送至产生驱动磁阻电磁致动器200的线圈204的电压Vcoil的功率放大器234。
检测器236检测流经线圈204的电流强度，并且产生表示电流强度的电流反馈信号Ic(图3D和4D)。该反馈信号Ic主要包括两个分量：直到电流调节带宽fb的低频分量和处于检测信号频率f2的交流分量。电流检测器输出信号Ic与低通滤波器238相连，滤波器提取输出信号中的低频分量I1pf并且将分量I1pf施加在第二求和节点226上作为电流控制反馈信号。理想情况下，控制反馈信号I1pf应该与电流指令信号Ic *一致。如果不是这样，则改变线圈电流调节器228的输入直到两个信号一致。
电流检测器输出信号Ic也与带通中心频率调谐至检测信号频率f2的带通滤波器240连接。这提取了施加在调幅(AM)检测器242输入上的交流分量Ibpf(图3E和4E)，检测器242检测交流分量的包络243，并且产生如图3F和4F所示的衔铁位置依赖信号Vx。
采用解调器242的输出来寻址查询表以确定流经线圈204的检测信号交流电流强度表示的衔铁相应位置。表示检测衔铁位置的信号施加在第一求和节点222的另一输入上，以将输入信号与所需衔铁位置Xa *进行比较。理想情况下，检测位置应该与衔铁所需位置匹配。如果不是这样，则改变施加在衔铁位置控制器224上的信号直到衔铁到达所需位置而两个信号一致。
检测衔铁位置的本方法可以用于各种磁阻型电磁致动器，例如图5所示的电磁阀。电磁阀10安装在液压流体分配块12内，并且包含贯通的纵向孔16的阀体14。阀体14具有穿过阀体14与内部孔16连通的横向入口通道18。出口通道20与阀座22处的入口通道18连通。主阀滑柱24可滑移地定位在中央孔16内并且选择性地与阀座22结合以闭合和打开入口与出口通道18和20之间的流体通道。
主滑柱24具有划分为入口部分26、出口部分28和阀钻孔16的中间腔体30的导向通道。如下所述，通过使先导阀32有选择地开启和闭合出口部分28进入中间腔体30的开孔控制经过导向通道的液压流体的流动。
先导阀32的运动由螺线管致动器36控制，它包括位于孔16一端并且由底盘40固定的电磁线圈。非磁性材料套筒41位于电磁线圈38的孔内部，并且管形的衔铁42在套筒41内延伸和向主阀滑柱24突起。衔铁42在底盘40与主阀滑柱24之间的套筒41内滑移以响应充电电磁线圈38产生的电磁场。先导阀32位于管形衔铁42的孔内，并且由弹簧46施压在衔铁一端。调整活塞48被螺纹片底盘40的孔内，以手动调整弹簧预加载力。
在电磁线圈38处于末通电状态时，主弹簧46将先导阀32压向衔铁42的孔内的台肩50，将衔铁和先导阀压向主阀滑柱24。在这种状态下，先导阀32的截头锥体部分44与导向通道出口部分28的开孔结合进入中间腔体，从而关闭导向通道。次级弹簧52偏压主阀滑柱24离开衔铁42。
施加在电磁线圈38的电流产生将衔铁42拉入电磁线圈并远离主阀滑柱24的电磁场。衔铁抵抗弹簧46的作用力移入电磁线圈的距离正比于电流强度。由于衔铁台肩50紧接靠着先导阀32，所以后一部件也可以移动离开主阀滑柱24。这种作用将截头锥体部分44移动离开导向通道的开孔，使得流体从入口通道18经导向通道入口部分26、中间腔体30和出口部分28到达出口通道20。流体的这种流动在中间腔体30与出口通道20之间形成压差，其中远处的腔体具有较小的压力。
由于存在这个压差，所以主阀滑柱24移动离开主主阀座22，使得入口通道18直接通向出口通道20。主阀滑柱24继续移动直到与先导滑柱32的截头圆锥部分44接触。因此主阀滑柱24相对阀座22的移动程度由衔铁42和先导滑柱32的位置决定。该位置也由流经电磁线圈38的电流强度控制。液压流体流经电磁阀10的流速直接正比于施加在电磁线圈38上的电流强度。
参见图6，电磁线圈38由包含在本发明中的电路60驱动，并且提供施加在电磁线圈上的脉宽调制电压Vcoil。对于手动控制的阀，操作者操纵与确定电磁阀10所需开启程度的可变电阻61耦合的控制机构。可变电阻61产生施加在微控制器62的模拟输入上的输入信号，并且由第一模拟-数字(ADC)63数字化。该输入信号表示将电磁阀10开启到操作者指示位置所需的电流强度。代替诸如可变电阻61之类的手动操纵控制机构，微控制器62可从另一电路接收相似的信号。此外，可以利用微控制器62控制一系列阀，并且在机械内完成其它功能。
第一ADC63的输出与求和节点64的一个输入相连，并且最终的信号施加在衔铁位置控制器65的一个控制输入上。送至衔铁位置控制器65的输入信号表示衔铁所需的位置，并且控制器65根据该位置信号产生输出信号Ic *，它表示将衔铁驱动到所需位置时电磁线圈所需的电流强度。来自衔铁位置控制器65的输出信号施加在另一求和节点66，其输出与电流调节器67的控制输入相连。在具体实施方案中，电流调节器67在线路68上生成表示固定频率f1的PWM信号占空比的电流调节或驱动器信号v1，其中每个脉冲的带宽正比于由施加在控制输入65上误差信号确定的所需电流。即，通过改变脉冲的持续时间或宽度改变电流强度。
来自电流调节器67的输出信号v1施加在另一求和节点70上，其具有接收由检测信号生成器72产生的第二信号v2的另一输入。检测信号v2较短，但是占空比恒定，与电流调节信号v1同时发生，但有一个不同的频率f2。频率f2小于PWM开关频率f1、而大于电流调节器带宽fb。比较好的是频率f1是频率f2的整数倍。第二(检测)信号v2与电流调节信号的关系对施加在主要起电流调节信号作用的电磁线圈的电流强度没有明显的影响。来自第二信号的交流分量不随操作者变化而主要随电磁线圈电感(它是衔铁位置的函数)的变化而变化。
具有频率分量f1、f2及其谐波的组合数字信号控制了脉宽调制(PWM)放大器74。特别是每个组合数字信号的数值存储在捕捉和比较寄存器73中，随后由来自定时器75的周期脉冲减小。只要其含量大于零，则捕捉和比较寄存器73的输出就有高的逻辑电平，否则输出为低逻辑电平。捕捉和比较寄存器输出与产生输出电压Vcoil的脉宽调制(PWM)放大器74的控制输入相连，只有当捕捉和比较寄存器73的输出处于高逻辑电平时输出电压Vcoil才具有正电压脉冲。输出电压Vcoil施加在电磁线圈38上以移动衔铁42，从而将电磁阀10开启到所需的程度。检测信号生成器72产生的作为检测信号的频率为f2的第二信号叠加在驱动螺线管38的电流调节信号上。占空比恒定的检测信号提供了基准信号，并且可以用来测量线圈的电感，而电感可以用来指示衔铁的位置。图7A-7C和8A-8C分别示出了时域和频域内的电流调节信号v1、检测信号和合成信号v12。
为了确保螺线管衔铁42移动到合适的位置，电流检测器76检测流经电磁线圈38的电流。应该理解的是，电磁线圈38的电感和线圈的交流分量的大小是电磁线圈内衔铁位置的函数。当衔铁改变位置时，线圈电感和交流分量也发生相应的变化。特别是，衔铁42进入电磁线圈越深，电磁线圈38的电感越大，而流经线圈的交流分量越小。因此通过检测电磁线圈消耗的交流分量可以确定衔铁42的相对位置。由于衔铁位置与主阀滑柱24的位置对应，所以衔铁位置也反映了通过电磁阀10的液压流体的流速。
电流检测器76产生与送至电磁线圈38的瞬时电流对应的输出电压。电流检测器输出与低通滤波器78相连，该滤波器从电流检测器信号中提取低频电流分量并且将该分量施加在求和节点64的第二输入上作为电流控制反馈信号。该信号由第二模拟-数值79数字化。在第二节点66处从衔铁位置微控制器62产生的电流强度信号中减去表示检测电流的数字化电流控制反馈信号以产生表示送至电磁线圈38的实际电流与所需电流强度之差的最终信号。该公共反馈环路与前述螺线管控制线路中所用的类似。这种反馈机理仅仅确保输出电流与所需的一致，并没有确定螺线管衔铁的位置是否正确。
为了确定螺线管衔铁是否在所需的位置，电流检测器76的输出也施加在具有高品质因子Q和中心频率调谐至检测信号频率f2的带通滤波器80上。因此带通滤波器80的输出(图7和8D)与来自检测信号生成器72的信号所决定的电流检测器信号的交流分量对应。滤波信号的振幅根据电磁线圈38的电感变化而改变。如图7E和8E所示，带通滤波器80的输出施加在普通的振幅调制检测器82的输入上，检测器82产生随滤波信号振幅变化而波动的衔铁位置跟随信号。
解调器82的输出被第三模拟-数值转换器84转换为数字值。最终的数字值与交流分量大小对应，并用来寻址包含有查询表86的数字存储器装置，查询表将检测到的交流分量映射到螺线管衔铁42的位置。在本发明的某些应用中，可以令人满意地仅仅从电流检测器信号中的交流分量振幅确定衔铁位置。但是在其它情况下，需要利用二维查询表86，其中也可以利用直流分量来寻址表中的特定存储位置。在该情况下中，与直流电流强度对应的低通滤波器78的输出为虚线85所示被送至查询表86。来自第一和第二模拟-数字转换器79和84的两个不同的输入被用来寻址二维表的不同轴线。地址的交点就是包含衔铁位置的存储位置。
查询表86的输出87施加在第一求和节点64的第二输入上，以将检测到的衔铁位置与指令衔铁位置进行比较，从而产生所需的流速。作为比较结果，改变所需的电流强度指令以将衔铁移入所需的位置并且产生所需的流速。

Claims (22)

1．一种检测螺线管致动器线圈内部衔铁位置的装置，其特征在于包括：
第一驱动器信号源，它有一电流，通过改变其电流大小以将衔铁移动到多个位置上；
第二位置检测信号源；
将驱动器信号与检测信号组合形成合成信号的装置；
将该装置与线圈连接的导体；
测量流经线圈的检测信号电流大小的检测电路；以及
与检测电路相连的位置电路，用来根据检测信号的电流大小确定螺线管致动器线圈内部衔铁的位置，位置电路产生指示衔铁位置的位置信号。
2．如权利要求1所述的装置，其特征在于第一源产生脉宽调制驱动器信号，其中脉冲宽度根据所需衔铁位置变化。
3．如权利要求1所述的装置，其特征在于第二源产生脉冲信号，其具有基本恒定的频率和基本恒定的占空比。
4．如权利要求1所述的装置，其特征在于第一源产生具有第一频率的脉宽调制驱动器信号；并且第二源产生具有第二频率的检测信号。
5．如权利要求4所述的装置，其特征在于第一频率是第二频率的整数倍。
6．如权利要求1所述的装置，其特征在于检测电路包含产生指示流经线圈的电流大小的输出信号的电流检测器和在第二频率使输出信号分量通过的带通滤波器。
7．如权利要求1所述的装置，其特征在于检测电路包含产生指示流经线圈的电流大小的输出信号的电流检测器；使得对应于第二频率的输出信号分量通过的带通滤波器；以及与带通滤波器输出相连的幅度检测器。
8．如权利要求1所述的装置，其特征在于位置电路包含从检测电路接收输出信号的查询表。
9．如权利要求1所述的装置，其特征在于位置电路包括从检测电路接收输出信号并产生数值的模拟-数字转换器；以及存储装置，其具有施加数值的地址输入并且包含存储有多个衔铁位置值的查询表。
10．如权利要求1所述的装置，其特征在于第一源为可变直流电源。
11．如权利要求1所述的装置，其特征在于第二源产生正弦检测信号，其具有基本恒定的频率和基本恒定的幅度。
12．如权利要求1所述的装置，其特征在于进一步包含控制电路，其具有接收指示所需衔铁位置的输入信号第一输入和从位置电路接收位置信号的第二输入，并且生成电流指令以响应输入和位置信号，其中电流指令控制第一源以改变驱动器信号的电流。
13．如权利要求12所述的装置，其特征在于进一步包含与检测电路输出相连的低通滤波器以产生电流反馈信号；以及另一产生源控制信号的装置，源控制信号对应于反馈信号与电流指令之差，其中源控制信号施加到第一源。
14．一种检测螺线管致动器线圈内部衔铁位置的装置，其特征在于电路包括：
第一驱动器信号源，它有第一频率，并被脉冲宽度调制以将衔铁移动到线圈内的多个位置上；
第二具有第二频率的信号源；
将驱动器信号与检测信号组合形成合成信号的装置；
将该装置与线圈连接的导体；
检测电路，包括：产生指示流经线圈的电流大小的输出信号的电流检测器；带通滤波器，使得对应第二频率的输出信号分量通过；以及与带通滤波器输出相连的幅度检测器；以及
与检测电路相连的位置电路，用来根据来自幅度检测器的信号确定螺线管致动器线圈内部衔铁的位置，该信号对应于检测信号的电流大小。
15．一种检测螺线管致动器线圈内部衔铁位置的方法，其特征在于该方法包括：
产生电流调节信号，通过改变该信号以将衔铁移动到多个位置上；
产生检测信号；
将电流调节信号与检测信号组合形成合成信号；
将合成信号施加在线圈上；
测量流经线圈的检测信号电流的大小；以及
根据检测信号电流的大小确定线圈内部衔铁的位置。
16．如权利要求15所述的方法，其特征在于生成电流调节信号产生脉冲宽度调制信号。
17．如权利要求15所述的方法，其特征在于检测信号为脉冲信号。
18．如权利要求15所述的方法，其特征在于生成驱动器信号产生具有第一频率的脉宽调制信号；以及生成步骤产生具有第二频率的检测信号，其中第一频率是第二频率的整数倍。
19．如权利要求15所述的方法，其特征在于检测信号电流大小的测定包括：带通滤波流经线圈的取样电流，从而提取与检测信号对应的分量信号；以及幅度调制该分量信号。
20．如权利要求15所述的方法，其特征在于检测信号电流大小的测定包括：带通滤波流经线圈的取样电流从而提取与检测信号对应的分量信号；以及用检测信号外差该分量信号以产生最终的信号。
21．如权利要求20所述的方法，其特征在于进一步包含低通滤波最终信号。
22．如权利要求15所述的方法，其特征在于确定衔铁位置包括：利用检测信号的电流大小来寻址存储装置内的查询表，并且从存储装置读取位置值。
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