JP2011001971A - 弁におけるアーマチュアの動作を制御するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スプールが接合要素の物理的表面に選択的かつ物理的に接触する前において、ソフトランディングを提供すること。
【解決手段】弁において移動可能なコア（１２）の動作を制御するためのシステムは、第１コイル（１４）及び第２コイル（１６）と、第１コイル（１４）に対する第１位置と、第２コイル（１６）に対する第２位置との間で選択的に移動できる移動可能コアと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、弁におけるアーマチュアの動作を制御するためのシステム及び方法に関する。

ソレノイド弁（すなわち、１個以上のソレノイドによって駆動される弁）は、完全に開かれた又は完全に閉じられた構造体の中の、流体又は気体の流れを制御するのに使用される電気機械式装置である。ソレノイド弁は、１個以上のコイルに電流を送ることにより動作し、もって、所望の方向（一般的には、開状態を示す第１位置から閉状態を示す第２位置の方向、又はこの逆の方向）に、磁性材料からなるコア又はスプールを移動する電磁力を発生させる。

公知のソレノイド弁の構造体では、スプールが一方の弁位置から他方の弁位置に移動する動作は、スプールが第２位置に近づくにつれてスプールの速度が増加し続けるために制御されず、高速度による衝撃を生じさせる。特に、スイッチングが速いと、この制御されない動作及び高い衝撃のランディングが、動作上の雑音、部品の劣化、機械的ストレス、及び望まれないスプールの振動を創出する。従って、以下に記載の実施形態は、ソレノイド弁における非制御のスプールの動作に関連するこれら及び他の欠点を鑑みて開発された。

デュアルコイル弁におけるスプールの動作を制御するためのシステム及び方法が提供されている。該システム及び方法は、所定かつ任意の動作プロファイルに従い、弁の両コイル間に電流を分配させることによって、スプールの動作を制御することを含む。換言すれば、動作プロファイルは、第１コイルに流れる電流と、第２コイルに流れる電流との間の最適な関係を定めており、その結果、両コイルが協働してスプールの動作を制御することによって、下記に論じられるような、スプールが接合要素の物理的表面に選択的かつ物理的に接触する前において、「ソフトランディング」を提供している。動作プロファイルの進行には、所望のスプール挙動及び許容電流と利用可能な駆動電圧レベルにおける制限等の実用的な制約並びにエネルギー及び衝撃速度等を示す性能指標に基づいた、オフラインにおける最適な動作プロファイルを発生させることを含んでいる。一旦、オフラインにおける動作プロファイルが発せられると、動作プロファイルを制御かつ安定させると共に、モデル及び測定の不確かさを明らかにするために、フィードバックのアルゴリズムが適用される。

図１は、実施形態に従う、デュアルコイル弁の組立体の一例である。 図２は、実施形態に従う、動作形態を生じさせるステップの一例を示す工程図である。 図３Ａは、実施形態に従う、位置プロファイルの一例を示すグラフである。 図３Ｂは、実施形態に従う、速度プロファイルの一例を図示するグラフである。 図３Ｃは、実施形態に従う、弁組立体における電流と力との関係の一例を示すグラフである。 図３Ｄは、実施形態に従う、電圧プロファイルの一例を示すグラフである。 図４は、実施形態に従う、典型的な制御フィードバック体系の一例を示すグラフである。

[例示的なシステム]
デュアルコイル弁におけるスプールの動作を制御するための１以上のシステム及び方法は、特にソレノイド弁を例として以下に述べられているが、当業者であれば、この例示的な詳述は、スプリング負荷弁に限定されることなく、この負荷弁を含む他の機械的弁の設計に適用できることを理解するであろう。

図１は、第１コイル１４と第２コイル１６との間に配置された移動可能なスプール１２を有する例示的なソレノイド弁組立体１０の断面図である。各々のコイルは、電流が供給されたときに電磁力を発生することができる。第１コイル１４及び第２コイル１６は、長手方向の軸Ａ−Ａに沿って延在するハウジング２１の円筒状端部キャップ１８、２０の中にそれぞれ部分的に配置されている。スプール１２の第１端部２２は、第１コイル１４の最内部周辺によって形成された内部空間を移動し、一方、該スプールの第２端部２４は、第２コイル１６の最内部周辺の内部を移動する。図１に示された実施形態では、空隙Ｚは、端部キャップ１８とスプール１２の第２端部２４との間の距離に等しい。一方、空隙Ｚ´は、端部キャップ２０とスプール１２の第２端部２４との間の距離に等しい。Ｚ_１は、Ｚがとり得る最大値であり、かつ、ＺとＺ´との合計値である。Ｚが時間の関数であること、並びに、スプール１２の位置、すなわち、Ｚ_１は一定のまま維持されるが、空隙Ｚ、Ｚ´は動作中に変化することを、当業者は認めるであろう。空隙Ｚ_１の全体は弁組立体１０の構造の特徴によって変わる。

コイル１４及び１６を例とするハウジングの固定要素に対するスプール１２の相対的な動作は、第１コイル１４及び第２コイル１６のいずれか１つ又はその両方によって発生した磁力の強さに依存する。磁力の強さは、一部は、第１及び第２コイル１４、１６に供給される電流の作用による。他の要因としては、スプール１２の長さ及び質量、空隙Ｚ_１の大きさ、対応する空隙Ｚ及びＺ´の相対的寸法、並びにコイル１４、１６を流れる電流によって創出されるコイル１４、１６を通る磁束が影響する。これらの関係は、ｉを、第１コイル１４又は第２コイル１６のいずれか１つを流れる電流、λを磁束結合、Ｚを上述されたような端部キャップ１８に対するスプール１２の位置、Ｖ_ｄｒｖをコイル１４、１６の駆動電圧、ｍをスプール１２の質量、Ｃ_μを粘性摩擦係数、及び、Ｆ_ｍａｇを磁力とすると、次の微分方程式を用いて表すことができる。

式１は、印加される駆動電圧Ｖ_ｄｒｖに基づくコイル１４、１６の一方を通る電流変化を表す。この電流変化は、スプール１２のスタート位置に依存して、すなわち、第１コイル１４から第２コイル１６に移動する位置、又は、その逆の方向に移動する位置により決まる時刻において、一方のコイルに対してのみ演算が行われることに注目する。
式１の第１括弧内は、コイルのインダクタンスを表す。第２括弧内の第１要素は、供給された電流iに基づくコイルのオーム抵抗（Ｒ_Ｌ）による電圧降下である。第２項の第２要素は、zの１階微分（ｚドット）がスプール１２の速度である磁束結合λの微分係数（コイルを流れる電流とスプールの位置との関数）の誘導電圧である。第２項の第３要素（最終要素）は、コイル駆動電圧を表す。

式２は、ニュートンの第２運動法則（すなわち、Ｆ＝ｍａ、Ｆは全ての外力の合計、ｍは質量、及びａは加速度である）から導出される。加速度について解くと、式２は、スプールの位置の２階微分によって表され、かつ、スプール１２のための全ての力の合計に等しい。括弧内の第１項は、コイルを通る電流とスプール１２の位置との関数としての、コイル（第１コイル１４又は第２コイル１６のいずれか１つ）による磁力である。第２項は、電流がゼロのときの残余磁束によって、他方側からスプールに作用する力である。第３項（最終項）は、スプール１２の速度に比例する粘性摩擦力である。

[例示的なプロセス]
図２は、デュアルコイル弁におけるスプールの動作を制御するための動作形態を生じさせる例示的なプロセスを示すフローチャートである。物理的構成要素に付された参照符号は、図１で示した例示的な要素の参照符号と対応している。ステップ１００では、適正なコスト関数が選択される。該コスト関数は、制限はないが、エネルギーの消費及び衝撃速度等の一定の設計基準に重み付けをするか、又はそこに制限を加える。スプール１２の位置に基づく任意の動作プロファイル及び所望のスプールの軌跡は、ステップ１０２で選択される。例示的な動作プロファイルは、図３Ａ及び図３Ｂで示されている。ここでは、図３Ａが、時間ｔに関するスプールの位置Ｚを示し、かつ、図３Ｂが、上述のようにスプールの第１端部２２が端部キャップ１８に近づくので、時間ｔにわたる速度（ｄｚ／ｄｔ）の関数としてのスプール１２に関する速度を示す。
図３Ｂにおける速度は、スプールの位置（すなわち空隙Ｚ）が繰り返し減少してゆくことから、負であることに注目してほしい。図３Ａ及び図３Ｂを見ると、空隙が減少するので、例えば０．４ｍｓの時間でスプール１２の速度の絶対値は実質的に最大になる。空隙は、さらに減少するので、スプール１２の絶対速度も、実質的に最大になる。以下にさらに詳述するように、スプールの速度減少、その結果として得られるソフトランディングは、第２コイルに供給される電流による。それは、空隙の長さに基づいており、スプール１２の速度を減少させるための対向する磁力を創出する。一実施形態では、空隙の長さはスプール速度に基づき概算されるが、これは電圧及び電流の測定に基づく。他の実施形態では、空隙の長さは、端部キャップ１８、２０の内部に配置された近接センサによって決定される。スプリング負荷弁において、測定値は、測定されるばね力の結果によって得られたものである。

図２を参照すると、ステップ１０４では、第１コイル１４及び第２コイル１６における公称電圧Ｖ^＊ _drv（ｔ）及び公称電流ｉ^＊（ｔ）、並びに得られる力のプロファイルは、式１及び式２を用いてステップ１０２から読み出され、かつ、図３Ａ及び図３Ｂのそれぞれに示されているスプールの位置及び所望のスプールの軌跡に基づいて演算される。これは、システムが異なるフラットネス特性を有するので、式１及び式２から演算が可能である。測定誤差やモデルの不確実さにより、ステップ１０４では、公称値を補正する必要がある。結果として、ステップ１０６では、第１コイル１４と第２コイル１６の両コイルのための電流及び電圧の実際値が、下の式３の組を用いて演算される。

ステップ１０８では、電流及び電圧のプロファイルは、従前に決めたコスト関数及び弁組立体１０の物理的制限に従い、設計通りに実現可能か否かについてチェックされる。ステップ１１０では、標準的なフィードバック制御ループに基づいてオフラインにおいて立案した、電流及び電圧に対して補正がなされる。例えば、上記式３の組のｉ_ctrl（ｔ）及びＶ_ｄｒｖ（ｔ）は、フィードバックループ（すなわち、制御法則）を示し、このフィードバックループは、動作プロファイルを安定化するのに用いることができ、さらに、推定値又は測定値（例えば、電流、電圧、摩擦係数、その他の当該値）における不確かさによるいかなる誤差も補正することができる。式３の組における制御法則は、非線形力学を補償するための、フィードフォワード量としての電圧及び電流のための公称値を使用する。フィードバックは、式３の組による公称量(*の記号によって式３の組の中で示されている)と現実の測定値との間の差に、重み付けすることによって導かれる。この制御構造は、一般に、力学的な補償項を用いた、状態空間のフィードバック制御器として知られている。

図４は、電流基準プロファイル４０（オフラインで発生したプロファイル）が、測定又は推定された電流プロファイル４２（実際のプロファイル）と比較されて、その差を演算する制御体系の全体を示すが、この差は、電流の補正を生じさせる。同様に、速度基準プロファイル４４は、速度の補正要因を決定するために、スプール１２の測定又は推定された速度４６と比較される。同じ法則が、位置補正要因を得るためには、位置の基準プロファイル４８、及びスプール１２の測定又は推定された位置５０に適用される。スプール動作がソフトランディングとなるように制御されるように、弁組立体１０のために最適化された動作プロファイルを示す制御電圧を創出するために、補正要因のそれぞれが合算される。

図３Ｃ及び図３Ｄは、第１コイル１４及び第２コイル１６のそれぞれのための、両コイル（図３Ｃ）に流れる電流と、その結果得られる電圧分布（図３Ｄ）の関数として得られる力のプロファイルを示す。弁１０のための全体動作プロファイルは、図３Ａから図３Ｄにおけるグラフにまとめて示されている。図３Ｃは、コイル１４、１６のそれぞれに流れる電流間の関係、各コイル１４、１６に対して得られる磁力、さらに、その結果得られるスプール１２の速度に対する衝撃を最も良く示す。時刻ゼロから約０．４ｍｓに略等しい時間に注目すると、結果として得られる力は、第１コイル１４における電流によるものである。図３Ａ及び図３Ｂを参照することによって、この時間は、空隙が小さくなり、かつ、理想的な最大速度がピークに達した時間であることを理解できるであろう。ソフトランディングを達成するために、第１コイル１４における電流はゼロに向かうが、一方、第２コイル１６における電流は第１コイル１４の磁場と対向する第２コイル１６における磁力を創出しながら増加する。空隙Ｚがゼロに向かって減少するので、上記の対向する力が、スプール１２の速度を減少させる。その結果が、ソフトランディングである。

本発明は、上記の好適実施形態を参照して、特に示されかつ記載されてきたが、当業者によって、ここに記載した本発明の実施形態に対して様々な変形例が、以下に添付する請求項で限定される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明を実施して使用することができる。以下に添付する請求項が、本発明の範囲を画定し、かつ、それによって包含される請求項又はその均等の範囲で、本発明の方法及びシステムを定めることが意図されている。本発明の当該記載は、ここで記載された全ての新規かつ非自明な組み合わせを含むことを理解されるべきである。上記の実施形態は例示的なものであって、1つの特徴又は要素は、本出願又は後の出願において請求項とされうるすべての可能性のある組み合わせに必須なものである。請求項が、それに均等の「１つ」又は「第１」の要素を規定する場合は、このような請求項は、１又はそれ以上の要素を合体させたものを含むものと理解されるべきであり、２つ又はそれ以上の要素を必要とするものでも、除外するものではないことが理解されるべきである。

Claims (13)

1. 第１コイル及び第２コイルと、
   前記第１コイルに対する第１位置と、前記第２コイルに対する第２位置との間で、選択的に移動可能なスプールと、
   を含み、
   該スプールの前記第１位置及び前記第２位置が、動作プロファイルに従って制御されることを特徴とするシステム。
2. 前記第１コイル及び前記第２コイルに供給される電流が、前記第１位置と、前記第２位置との間で、前記スプールの動作を制御する磁力を生じさせることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記動作プロファイルは、前記第１コイルに供給された第１電流と、前記第２コイルに供給された第２電流と、
   を含み、
   前記第１位置から前記第２位置に動くような前記スプールの動作が、前記動作プロファイルに従って制御されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記第１電流及び前記第２電流が、前記第１コイル及び前記第２コイルに供給されて、前記スプールの速度を制御し、
   前記スプールが、前記第１位置から移動して前記第２位置に近づくように速度を低減させることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記動作プロファイルは、所望のスプールの挙動にしたがって選択される任意の動作プロファイルであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記第１コイルに供給される第１電流が、前記第１位置から前記第２位置までスプールを移動させる磁力を生じさせ、
   前記第２コイルに供給される第２電流が、前記スプールが前記第２位置に近づくときに前記スプールの前記速度を減じるように、反対方向の磁力を生じさせることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記弁が、ソレノイド弁であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 前記弁が、スプリング負荷弁であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 前記第２位置が、接触のための物理的表面を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
10. 弁におけるスプールを制御する方法であって、
    スプールを第１位置から第２位置に移動させ、
    該スプールが第２位置に近づくときに減速させるようにスプールの動作を制御する任意の動作プロファイルを選択し、
    前記動作プロファイルを、第１コイルと第２コイルとの間のスプール位置及び所望のスプール軌道に位置付け、
    前記任意の動作プロファイルに基づいて、前記第１コイル及び前記第２コイルのそれぞれに対して、電流値及び電圧値を演算し、
    前記電流値及び前記電圧値に基づいて、力のプロファイルを生じさせる、各工程を含むこと特徴とする方法。
11. 前記電流値が第１電流を含み、該第１電流を前記第１コイルに供給し、
    これによって、前記スプールを前記第１位置から前記第２位置の方に移動する磁力を創出し、
    さらに、前記電流値は第２電流を含み、該第２電流を前記第２コイルに供給し、
    これによって、反対方向の磁力を創出して、前記スプール速度を低減させ、前記第２位置に、前記スプールをソフトランディングさせることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 第１演算電流値を前記第１コイルに供給して、第１磁力を生じさせることによって、前記スプールが、第１位置から第２位置に移動するように前記スプールの速度を制御し、
    さらに、第２演算電流値を前記第２コイルに供給して、前記第１磁力に対向する第２磁力を生じさせることによって、前記スプールが前記第２位置に近づくときに、前記スプールの速度を低減することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 弁におけるスプールを制御する方法であって、
    前記スプールが、第１位置から第２位置に移動するときに、
    前記第１コイルと第２コイルとの間のスプールの位置、及び、所望のスプールの軌道に基づく、前記スプールの動作を制御する任意の動作プロファイルを選択し、
    前記任意の動作プロファイルに基づく、前記第１コイル及び前記第２コイルのそれぞれのための公称電流値及び公称電圧値を演算し、
    前記公称電流値及び前記公称電圧値に基づく、力のプロファイルを演算し、
    実現性のある基準を設計するために前記公称電流値と前記公称電圧値とを比較し、
    前記第１コイル及び前記第２コイルの各々に対する実電流値と実電圧値とを演算し、
    前記公称電流値及び前記公称電圧値を、前記実電流値及び前記実電圧値と比較し、前記公称電流値及び前記公称電圧値を、前記実電流値及び前記実電圧値と比較した結果から得られた差に基づいて、測定誤差及びモデルの不確かさを補償する補正係数を決定する、各工程を含むことを特徴とする方法。

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