CN1257517C - 用于控制在自保护直流电路中的电磁铁的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制连接在自保护直流电路中、可受控在两个切换位置间来回切换、并用于操纵一个液压阀的闭锁物体的电磁铁的方法，其中借助于一个电子的控制装置在电磁铁电枢的吸动状态下电磁铁的线圈被馈给一个励磁电流，而在电枢的吸持状态下电磁铁的线圈被馈给一个比励磁电流小的吸持电流，本发明还涉及一种用来实现吸持电流的下降的装置。按照本发明，在控制电磁铁之后线圈中的实际电流被连续地测量，并且评估此电流，以了解电枢的运动。本发明方法一方面基于电磁活动件的力正比于流过的电流，另一方面基于活动件的运动引起磁线圈中的反向电感，它使测得的线圈中的实际电流值下降。在电枢的运动开始时或其后短时间内就立即识别出电枢的运动，从而使能量调节可以以最佳的方式进行，最好通过脉宽调制将电流降低到吸持电流值上。

Description

用于控制在自保护直 流电路中的电磁铁的方法和装置

技术领域：

本发明涉及一种用于控制连接在自保护直流电路中、可受控在两个开关位置之间来回切换的、用以操纵液压阀的闭锁物体的电磁铁的方法，其中借助于一个电子控制装置，电磁铁的线圈在电磁铁电枢的吸动状态下被馈给一个励磁电流，而在电枢的吸持状态下被馈给一个相比励磁电流较小的吸持电流。本发明还涉及一种用于控制连接在自保护直流电路中、可受控在两个开关位置之间来回切换的、用以操纵液压阀的闭锁物体的电磁铁的装置，该装置包括具有线圈和电枢的电磁铁，还包括电子控制装置，借助于该电子控制装置，馈给的电流在电枢的吸动状态下可调节到一个励磁电流上，而在吸持状态下可调节到一个较小的吸持电流上。

背景技术：

在井下电液压设备中一例如支撑开采面后面的井下开采室的结构单元-由于要闭合的电磁铁的供电有被爆破和电击的危险，采用了自保护直流电路。在此已知，利用一个配置给电磁铁的电子控制装置将吸持状态下的吸持电流降低到比励磁电流小的电流值上(DE3229835C2)。在矿井中具有相应控制装置的电磁铁也是采用降低吸持电流的电磁铁。在降低吸持电流到较低的吸持电流值上的情况中，在电磁铁的切换过程中所产生的剩磁力被用于电枢的吸持，并进而用于液压阀的闭锁物体的吸持。电磁铁的电枢和液压阀的闭锁物体通常在电磁铁断路后通过一个弹簧的复位力返回到开始时的开关位置。

在井下应用中，将电磁铁作为液压阀的致动器(Aktoren)用在自保护电路中时，必须考虑许多问题。在吸动状态下的励磁电流必须足够高，以在压力峰值或在液压侧上的工作压力增大情况下保证液压阀的闭合。在吸持状态下，吸持电流值和由电磁铁产生的吸持力必须足够大，以在上述压力峰值或工作压力增大的情况下可以可靠地保持闭合状态。另一方面，利用单个的自保护直流电路应可控制和切换结构单元的尽可能多个电液压阀，以维持用于井下安装的自保护电路的较低设备费用。这些在井下自保护电路中存在的问题已由DE3229835C2提出，它对这些问题作了说明。

除了DE3229835C2之外，还已知在电磁铁的电枢和液压阀的闭锁物体之间采用一个传动件，例如一个杠杆(DE3717403；DE3823681A1)，以能够尽可能精确地调整开关位置，并在必要时通过利用杠杆比可以减小由电磁铁产生的闭合力。在另一种采用降低吸持电流的电液压阀系统中，在一个固定的、以电磁铁的控制为起始的时间间隔之后降低电流(EP0006843A1)。

总之，至今所用的控制电液压阀的电磁铁的方法和装置具有以下缺点：它们以一个固定的、与供电电压有关的电流降低进行工作。考虑到在井下自保护电路中，基本上现有的工作电压预留导致在吸持状态下流过比所需更大的电流，并且直到由吸动状态切换到吸持状态的时间内消耗了比所需更多的能量。这种对于单个电磁铁过高的电耗在井下生产设备中呈指数增加，因为在一个井下支撑面上需要切换超过二百个具有相应电液压阀的结构单元。至今所用的降低吸持电流的技术限制了井下生产设备所能达到的经济效益。为了获得井下生产设备的经济效益，必须可以通过控制电液压阀产生明显更大的液压压力，而不增加单个阀和整个生产设备的能耗。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种用于控制电液压阀的方法和装置，它们可以减小单个电磁铁的能耗。

上述有关方法的任务由权利要求1所述的发明完成，有关装置的任务由权利要求9所述的发明完成。本发明的方法是，在控制电磁铁之后连续测量线圈中的实际电流值，并且评估此电流值，用以了解电枢的运动。本发明的方法一方面基于以下认识：电磁铁活动体的力与流过的电流成比例；另一方面又基于以下认识：活动体的运动在励磁线圈中引起反向电感，使线圈中的实际电流值降低。在电枢开始运动时或在时间上接近于它开始运动时就立即得知电枢的运动，这使得找出最佳的能量调节方法成为可能。

在本发明所述方法的优选实施方式中，电枢的运动借助于测得的实际电流曲线的至少一个上升变化而被检测。一般地，在控制电磁铁之后，在线圈上可测得的实际电流曲线中可检测到两个上升变化，其中第一个上升变化出现在电枢开始运动时，而第二个上升变化出现在电枢运动结束时，为了用本发明所述的方法来调整电磁铁的能量消耗，最好利用实际电流值作为用于将馈入电流降低到吸持电流值的调节参数。因为伴随着电枢运动的开始和结束，在测得的实际电流中出现变化，特别是出现上升变化，以本发明所述的方法，基于连续地监测线圈的实际电流，可以找到将馈入的电流降低到吸持电流值的最佳时刻。为此，在优选实施方式中，测得的实际电流值被送到调节装置，它在测得的实际电流曲线出现第二个上升变化之后不久，将馈入的电流降低到较低的吸持电流值上。在优选实施方式中，调节装置由一个比例调节器构成，它按照一个额定电流值调节馈入的电流。这里比例调节器可借助于一个微处理器实现，其中特别具有优点的是，额定电流值可通过控制软件来参数化。

如果在吸持状态下将馈入的电流通过脉冲控制，尤其是通过脉宽调制而置于较小的吸持电流水平上，则实现了该方法的进一步改进。通过脉宽调制，与常规的对施加到线圈上的控制电压的调整相比，在吸持状态中的损耗功率被最小化了。

按照本发明所进行的对线圈中实际电流值的连续测量，不仅能优化降低吸持电流，而且还能实现在电液压开关装置上不受运行干扰和磨损影响的固定。为了实现这一点，电子控制装置最好具有一个微处理器，它检测在测得的实际电流曲线中的上升变化，并通过与参考值比较对其进行评估，以实现对电磁铁的运行干扰和/或磨损的故障诊断。

通过连续的电流测量，以及对磁电枢的实际运行状况与最佳的、作为参考值被存贮的运动状况的比较，可以得出对运动来讲非常重要的信息。例如在电枢的运动开始时的电流强度是对其运行平滑性的一个判据。一个过大的用于起动电枢运动所要求的电流意味着刚开始的腐蚀、损伤或过大的切换压力。两个上升变化之间的持续时间也可作为进行故障诊断的依据。此外，也可以由过高的实际电流值得知磁线圈中的短路，由错误的或过小的电流得知工作电路中的信号中断，以及由反管完全断开调节装置，但所需的吸持电流值仍然过低的情况得知接地问题。

上述任务也由权利要求9所述的装置完成。按照本发明，该装置包括用于测量线圈中实际电流的测量装置，以及用于借助于所测得的实际电流值了解电枢运动的评估装置。本发明的要点还在于在该装置中连续地测量线圈中的实际电流值，并不断了解电枢的运动，以能够借助于测量装置和评估装置来确定应该开始降低吸持电流的最佳时刻。合理的是，电磁铁的线圈前接一个用于测量实际电流的测量电阻。此外具有优点的是：评估装置由构成电子控制装置的微处理器组成。这种微处理器例如PIC处理器或DSP处理器，可以集成到装置的外壳中，并成为电磁铁的固定组成部分。利用此微处理器可借助于适当的控制软件构成一个调节装置，尤其是一个比例调节器，并且由电磁铁的吸动状态推断出电磁铁的机械、电子或磁的故障状态。在优选实施例中，测得的实际电流值可作为用于将馈入的电流降低到吸持电流值上的调节参数被送到微处理器。为了使降低吸持电流时的能耗最小，电子控制装置可具有一个脉宽调制单元，用于将馈入的电流调整和保持在较小的吸持电流值上。

此外如果电磁铁具有一个由铁磁性材料构成的、带有两个用于装入具有所属线圈和电枢的两个电磁铁的两个安装孔的外壳，对于进一步降低单个装置的所需电流是有好处的，两个电磁铁最好可由一个共用的电子控制装置来控制。这种双电磁铁尤其适合在井下应用中推广，并且通过由铁磁性材料构成的外壳，由于更大的铁心体积，可在同样的线圈电流下提高磁力。

附图说明：

下面借助附图详细说明本发明。附图中：

图1以符号表示一个具有两个单个磁铁和两个多路阀门的电液压控制阀门，以及所属的控制装置；并且

图2以曲线图表示吸持电流降低的电磁铁中根据本发明所测得的电流变化过程。

具体实施方式：

图1中在整体上用10标记的电液压控制阀为模块结构，它包含一个由铁磁性材料构成的、包含两个电磁铁2、3的电磁铁外壳1，如大家所知的那样，这两个电磁铁分别具有一个图中未表示出的电枢，它通过在一个所属的、图中也未表示出的线圈中施加电流，可以在出发位置和开关位置之间来回运动。在电磁铁外壳1上用法兰盘连接一个阀门模块4，它包括两个多路液压阀5、6，它们可借助于电磁铁2、3相互独立地开闭。这里图1所示的液压阀5处于开关位置，其中用户连接端子A1被连接到高压导线P，而所示液压阀6处于出发位置，其中用户连接端A2被连接到回程导线T。电液压阀10还包括一个固定在电磁铁外壳1上的电路盒7，它用于容纳在整体上用20标记的电子控制装置，用此装置实现电磁铁2、3在吸持状态下的吸持电流降低，这在后面还要进一步说明。

电磁铁2、3通过电子控制装置20连接到一个设置在上面的支杆控制装置上，并通过导线8、9或者一根总线由自保护直流电路供给直流电流。电子控制装置20包括用于实现本发明所述方法的一个微处理器21，作为用于降低吸持电流的调节装置，电子控制装置20还包括一个脉宽调制单元22，用以无耗和不升温地将馈入的电流降低到较小的吸持电流值。在向电磁铁2、3的线圈的电流馈入中断之后，其电枢以及液压阀5、6的闭锁物体通过复位弹簧11、12返回到出发位置。

现在借助图2说明本发明所述方法的实施例。图2中的曲线图以图示表示出三条曲线30、40、50，其中曲线30表示按照本发明进行调整并可测得的、在控制电磁铁2、3并施加电流之后、其线圈中的实际电流值的电流变化过程。曲线40表示在电枢固定不动时测得的线圈中的电流变化过程，此外曲线50表示电磁铁在电枢运动时而不降低吸持电流情况下可测得的电流变化过程。

在电磁铁线圈中的电流上升可以通过在线圈中的电感L和损耗电阻R以及所施加的恒定电压U由下式描述：

$i\left(t\right)=\frac{U}{R}*(1-e^{-\frac{t*R}{L}})$

在具有线圈和电枢的电磁铁中，由于电枢的运动而在电枢的吸动状态下在线圈中出现一个反向电感，它在电流曲线30中引起了在时刻T₁-它是电枢运动的开始时刻-与时刻T₂-在此时刻电枢的运动结束，且电枢到达开关位置-间流过线圈的电流I的短暂下降。图2中时刻T₀对应于例如电磁铁2的控制或加电。此时控制装置20优选地允许有一个较大的电流流过，使得电磁铁2的电枢能克服液压阀5的复位弹簧11的复位力和液压阀5的闭锁物体的锁闭力。在时刻T₀和T₁之间，在电磁铁2的线圈中流过一个励磁电流，在给定情况下它不受电子控制装置20的影响，而是充分利用直流电路中全部提供的工作电压。在时刻T₁电磁铁2的电枢开始运动。此运动产生电磁铁2线圈中的反向电感，按照本发明，前接在线圈中的测量电阻R₁(或R₂)对于电磁铁2(或对于电磁铁3)被测量并计算。在电枢吸动状态下可继续向电磁铁馈送较大的励磁电流，或者馈送的电流水平在时刻T₁已被调整了。设置在电磁铁2、3的所属测量电阻R₁或R₂上的线圈中的实际电流接收短时间下降，并且测得的电流曲线30在时刻T₁和T₂之间有一个负增长过程。在时刻T₂，测得的实际电流值增长的符号更新，并重新变为正增长。在测得的实际电流值中第二个增长符号变化的时刻T₂形成了开始降低吸持电流的最佳时刻，因为在此时刻上电枢、以及液压阀的闭锁物体都已到达其开关位置(开启位置)，并且电磁铁的吸持状态开始。

按照本发明，调节装置利用微处理器21实现，它例如通过软件被设计为比例调节器，并且基于在测量电阻R₁或R₂上测得的实际电流值将馈入电磁铁2的线圈的电流降低到一个较低的吸持电流值上。用来在用户端的压力波动时保证液压阀5的闭锁物体的开启状态的吸持电流值可以软件参数的额定值送至微处理器21，并且这个由微处理器21实现的比例调节器这样来调节馈入的电流，使得测得的实际电流跟随额定值。因为测得的实际电流还用作调节参量被保持，在欠电压或供电电应波动时不会导致电磁铁不希望的切换，而是用于维持所需的吸持电流值。用微处理器21实现的比例调节器的输出信号被送入一个脉宽调制调节单元22，它通过脉冲控制将吸持电流维持在较低的吸持电流水平上。

在实际运行中，吸持电流的降低不是在时刻T₂开始，而是在一个确定的延迟时间之后，在时刻T₃开始。在时刻T₃，控制装置已经检测出并确认了流过受控电磁铁线圈的电流在电压波动中的上升。时刻T₂对应于测得的实际电流曲线的增长符号改变时刻T₂与开始降低吸持电流的时刻T₃之间的时间间隔形成一个安全时间间隔，它优选地也可以通过微处理器21用的软件进行调整。利用本发明所述的方法和新的吸持电流下降方式，可以达到160毫安的切换电流，其中时刻T₃在控制相应的电磁铁之后约100毫秒。吸持电流值可为约35毫安。

连续测得的电磁铁2或3的线圈中的实际电流值也可用于确定电液压阀10中电气的、电子的、机械的或磁的运行故障。在不出现反向电感时可给出一个警告信号，它表明相应的电磁铁没有被切换。如果时刻T₁和T₂之间的持续时间太长，可以考虑为电磁铁的磨损。时刻T₁和在此时刻测得的电流强度也可被评估为出现了磨损。如果电磁铁连接在一根总线上，可以读回电枢的开关状态，并且可以监测电枢在电磁铁断电之后返回出发位置的复位。

Claims (11)

1.一种用于控制连接在自保护直流电路中、可受控地在两个开关位置间来回切换、并用于操纵一个液压阀的闭锁物体的电磁铁的方法，其中借助于电子控制装置，在电磁铁电枢的吸动状态下，电磁铁的线圈被馈给一个励磁电流，而在电枢的吸持状态下，电磁铁的线圈被馈给一个比励磁电流小的吸持电流，其特征在于，所述电子控制装置具有一个微处理器，在控制电磁铁之后，所述微处理器通过线圈前接入的测量电阻(R1；R2)连续地测量线圈中的实际电流值，由所述微处理器检测出测得的实际电流曲线中的上升变化，根据所检测出的至少一个上升变化来确定电枢的运动状态，并且所述微处理器通过将测得的实际电流与参考值进行比较，来诊断电磁铁的工作故障和/或磨损。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，实际电流值被用作调节参量，用以将馈入的电流降低到吸持电流水平上。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，测得的实际电流值被送至调节装置，它在测得的实际电流曲线中出现第二个上升变化后在短时间内将馈入的电流降低到较低的吸持电流水平上。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，调节装置由比例调节器构成，它根据额定电流值调整馈入的实际电流值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，额定电流值通过控制软件被参量化。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在吸持状态下，馈入的电流通过脉冲控制维持在较低的吸持电流水平上。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述脉冲控制是脉宽调制。

8.控制连接在自保护直流电路中、可受控在两个切换位置间来回切换、并用于操纵一个液压阀(5、6)的闭锁物体的电磁铁(2、3)的装置，它包括具有线圈和电枢的电磁铁(2、3)和电子控制装置(20)，借助于所述电子控制装置(20)，在电枢的吸动状态下将馈入的电流调节到一个励磁电流值上，而在吸持状态下将馈入的电流调节到一个较低的吸持电流值上，其特征在于，所述电子控制装置(20)具有一个微处理器(21)，所述微处理器(21)通过线圈前接入的测量电阻(R1；R2)测量线圈中的实际电流值，由所述微处理器检测出测得的实际电流曲线中的上升变化，根据所检测出的至少一个上升变化来确定电枢的运动状态，并且所述微处理器通过将测得的实际电流与参考值进行比较，来诊断电磁铁的工作故障和/或磨损。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，测得的实际电流值可作为调节参量送至微处理器，用以将馈入的电流降低到吸持电流值上。

10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，电子控制装置(20)具有用于将馈入的电流调整并维持在较低的吸持电流值上的脉宽调制单元(22)。

11.权利要求8所述的装置，其特征在于，电磁铁具有一个由铁磁性材料构成的、带有两个用于装入具有相应线圈和电枢的电磁铁的安装孔的电磁铁外壳，这两个电磁铁由共用的电子控制装置(20)控制。

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