RU2149274C1

RU2149274C1 - Electric valve fast control switch

Info

Publication number: RU2149274C1
Application number: RU97107184A
Authority: RU
Inventors: И.В. Киселев
Original assignee: Государственное предприятие Научно-исследовательский институт машиностроения
Priority date: 1997-05-06
Filing date: 1997-05-06
Publication date: 2000-05-20

Abstract

FIELD: electrical engineering, automatic control. SUBSTANCE: fast switch has first flip- flop controlling current limiting operations whose output is connected to inverting input of comparator controlling power supply connection to electric valve in response to feedback signal using high-power switching stage; it also has additional switching stage that handles reverse-spike limiting circuit. Switch is provided, in addition, with delay unit that has second flip-flop with integrating circuit whose input is connected to device input and output, to first flip-flop input. EFFECT: improved speed of valve. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, автоматики и может быть использовано в различных областях народного хозяйства, где требуется управление электроклапанами, форсунками, реле, имеющими в своем составе электромагнит или коммутируемую индуктивную нагрузку. The invention relates to the field of electrical engineering, automation and can be used in various fields of national economy, where it is necessary to control electrovalves, nozzles, relays, incorporating an electromagnet or a switched inductive load.

Известны различные ключи управления индуктивной нагрузкой, начиная от простейших подключающих/отключающих напряжение питания и кончая сложными схемами с обратными связями. There are various keys to control inductive load, ranging from the simplest connecting / disconnecting the supply voltage and ending with complex circuits with feedbacks.

К общим недостаткам известных устройств можно отнести: во - первых, неполное использование потенциального быстродействия электроклапана, во-вторых, значительное влияние разброса индуктивностей электромагнитов на их быстродействие или, в конечном итоге, расходную характеристику клапанов, закладываемую при их изготовлении, в-третьих, зависимость быстродействия клапана от питающего напряжения. The common disadvantages of the known devices include: firstly, the incomplete use of the potential speed of the electrovalve, secondly, the significant influence of the dispersion of the inductors of the electromagnets on their speed or, ultimately, the flow rate characteristic of the valves laid in their manufacture, thirdly, the dependence valve response from supply voltage.

Наиболее близким из известных технических решений является электронный ключ для управления форсункой в системе впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания [1] фиг. 2. The closest known technical solutions is an electronic key for controlling the nozzle in the fuel injection system of the internal combustion engine [1] of FIG. 2.

Устройство содержит триггер FF1, управляющий величиной ограниченного тока через форсунку L1, компаратор CP1, управляющий подключением источника питания к форсунке L1 под действием сигнала обратной связи с датчика тока R1, и переключаемую цепь ограничения обратного выброса напряжения, состоящую из трех ключевых каскадов на транзисторах Q4, Q5, Q2 и диоде D1. The device contains a trigger FF1, which controls the value of the limited current through the nozzle L1, a comparator CP1, which controls the connection of the power source to the nozzle L1 under the action of a feedback signal from the current sensor R1, and a switchable reverse voltage surge circuit, consisting of three key stages on transistors Q4, Q5, Q2 and diode D1.

Недостатком известного устройства является неполное использование потенциального быстродействия клапана и зависимость времени срабатывания от напряжения питания. Чтобы получить максимальное быстродействие клапана необходимо обеспечить максимальную скорость нарастания тока или, по - другому, обеспечить максимальную скорость нарастания напряженности магнитного поля электромагнита клапана. Это можно выполнить за счет уменьшения его индуктивности, но в данном устройстве скорость нарастания тока ограничивается, с одной стороны, предельно допустимым уровнем тока I_p [1] фиг. 3с при выборе силового транзистора Q1 или из соображений помехоустойчивости самого устройства, а с другой стороны, ограничивается временем нарастания тока до значения I_p, это время наоборот должно быть достаточно большим, чтобы клапан успел открыться, или почти открыться, и только после этого можно переходить на ток удержания I_н, то есть скорость нарастания тока сдерживается запаздыванием срабатывания механической части клапана. Кроме того, выбор значения тока I_p должен определяться в первую очередь не из электрических соображений, а насыщением сердечника электромагнита, т. к., после насыщения сердечника дальнейшее наращивание тока не имеет смысла из-за того, что усилие электромагнита больше не увеличивается. Выбор же тока I_p из электрических соображений имеет смысл делать тогда, когда ток насыщения сердечника оказывается настолько высоким, что приходится его ограничивать так и не достигнув насыщения, но тем не менее эффект увеличения быстродействия будет, хотя и не максимальный.A disadvantage of the known device is the incomplete use of the potential speed of the valve and the dependence of the response time on the supply voltage. In order to obtain maximum valve performance, it is necessary to provide a maximum slew rate of the current or, in another way, to provide a maximum slew rate of the magnetic field of the valve’s electromagnet. This can be done by reducing its inductance, but in this device the current rise rate is limited, on the one hand, by the maximum permissible current level I _p [1] of FIG. 3c, when choosing a power transistor Q1 or for reasons of noise immunity of the device itself, and on the other hand, it is limited by the time of the current rise to the value of I _p , this time, on the contrary, should be large enough for the valve to open or almost open, and only then to the holding current I _n , that is, the slew rate of the current is constrained by the delay of the mechanical part of the valve. In addition, the choice of the current value I _p should not be determined primarily from electrical considerations, but by the saturation of the core of the electromagnet, since, after saturation of the core, further increase in current does not make sense because the force of the electromagnet no longer increases. The choice of current I _p from electrical considerations makes sense when the saturation current of the core is so high that it is necessary to limit it without reaching saturation, but nevertheless the effect of increasing speed will be, although not maximum.

Целью изобретения является повышение быстродействия клапана, уменьшение зависимости времени срабатывания от напряжения питания и значительное ослабление влияния разброса индуктивностей электромагнитов при их изготовлении на расходную характеристику клапанов в целом. The aim of the invention is to increase the speed of the valve, reducing the dependence of the response time on the supply voltage and significantly weakening the influence of the spread of the inductances of the electromagnets in their manufacture on the flow characteristics of the valves as a whole.

Указанная цель достигается тем, что электронный ключ управления клапаном, содержащий первый триггер, управляющий величиной ограничения тока, выход которого соединен с инверсным входом компаратора, управляющего подключением источника питания к клапану по сигналу обратной связи посредством мощного ключевого каскада, а также имеющий дополнительный ключевой каскад, коммутирующий цепь ограничения обратного выброса, снабжен устройством временной задержки, состоящим из второго триггера с интегрирующей цепью, вход которого подключен к входу устройства, а выход - к входу R первого триггера. This goal is achieved by the fact that the electronic key control valve containing a first trigger that controls the magnitude of the current limit, the output of which is connected to the inverse input of the comparator, which controls the connection of the power source to the valve by feedback through a powerful key stage, and also having an additional key stage, the switching circuit for limiting the reverse ejection is equipped with a time delay device consisting of a second trigger with an integrating circuit whose input is connected to the input the device, and the output - to the input R of the first flip-flop.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема импульсного ключа для управления электроклапаном. На фиг. 2 - временная диаграмма напряжения и тока в точке А принципиальной схемы, поясняющая работу устройства. In FIG. 1 is a schematic diagram of a pulse switch for controlling an electrovalve. In FIG. 2 is a timing diagram of voltage and current at point A of the circuit diagram, explaining the operation of the device.

Импульсный ключ для электроклапана содержит три ветви управления. Первая из них состоит из ключевого каскада на транзисторе 1, источника опорного напряжения 2, компаратора 3 с резисторами 4, 5 образующими гистерезис, трех ключевых каскадов на транзисторах 6, 7 и 8, последний из которых подает напряжение В⁺ на клапан 9 и ограничивает напряжение обратного выброса диодом 10, резистора обратной связи по току 11 и двух усилительных каскадов на транзисторах 12 и 13. Вторая ветвь управления состоит из трех ключевых каскадов на транзисторах 14, 15, 16, последний из которых нагружен на диод 17 и вновь на клапан 9 при отключении напряжения В⁺. Третья ветвь управления состоит из триггера 18, вход C которого соединен со входом устройства, вход D - с питанием В⁺, вход S - с общим проводом, вход R - с конденсатором 19 и резистором 20, образующими интегрирующую цепь, определяющую величину задержки. Выход Q триггера 18 подключен к другому выводу резистора 20, а выход /Q со входом R триггера 21, который подает через транзистор 22 и резистор 23 дополнительное смещение на компаратор 3, а запускается командой управления T_p через конденсатор 24.The pulse switch for the electrovalve contains three control branches. The first of them consists of a key stage on transistor 1, a reference voltage source 2, a comparator 3 with resistors 4, 5 forming hysteresis, three key stages on transistors 6, 7 and 8, the last of which supplies voltage B ⁺ to valve 9 and limits the voltage the reverse ejection by the diode 10, the current feedback resistor 11 and two amplifier stages on the transistors 12 and 13. The second control branch consists of three key stages on the transistors 14, 15, 16, the last of which is loaded on the diode 17 and again on the valve 9 when shutdown on voltage B ⁺ . The third control branch consists of a trigger 18, input C of which is connected to the input of the device, input D - with power B ⁺ , input S - with a common wire, input R - with a capacitor 19 and resistor 20, forming an integrating circuit that determines the amount of delay. The output Q of flip-flop 18 is connected to the other output of resistor 20, and the output / Q with input R of flip-flop 21, which supplies an additional bias to comparator 3 through transistor 22 and resistor 23, is triggered by the control command T _p through capacitor 24.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

В исходном состоянии после включения питания, при отсутствии команды управления клапаном, компаратор 3 под действием сигнала В⁺ на прямом входе находится во "взведенном" состоянии, следовательно, транзисторы 6 закрыт, 7 закрыт и 8 закрыты, ток через клапан 9 отсутствует, а значит и нет напряжения на датчике тока 11, в результате после усилителя па транзисторах 12, 13 напряжение на инверсном входе компаратора ниже, чем на прямом входе, что поддерживает компаратор устойчиво во "взведенном" состоянии.In the initial state after turning on the power, in the absence of a valve control command, the comparator 3 is in the “charged” state under the action of the B ⁺ signal at the direct input, therefore, transistors 6 are closed, 7 are closed and 8 are closed, there is no current through valve 9, which means and there is no voltage on the current sensor 11, as a result, after the amplifier on transistors 12, 13, the voltage at the inverted input of the comparator is lower than at the direct input, which keeps the comparator stable in the cocked state.

Состояние второй ветви управления в исходном состоянии: транзистор 14 закрыт, значит, транзистор 15 тоже закрыт, следовательно, база - эмиттерный переход транзистора 16 закрыт и диод 17, ограничивающий обратный выброс напряжения, не подключен. The state of the second control branch is in the initial state: the transistor 14 is closed, which means that the transistor 15 is also closed, therefore, the base — the emitter junction of the transistor 16 is closed and the diode 17 restricting the reverse voltage surge is not connected.

Состояние третьей ветви управления в исходном состоянии: триггеры 21 и 18 находятся в неопределенном положении, и дополнительное смещение через резистор 23 на инверсный вход компаратора установлено произвольно. Триггер 21 предназначен осуществлять переход с пускового тока I_p на ток удержания I_н, как и прежде, путем подключения/отключения дополнительного смещения через резистор 23 на инверсный вход компаратора 3.The state of the third control branch is in the initial state: the triggers 21 and 18 are in an undefined position, and the additional bias through the resistor 23 to the inverse input of the comparator is set arbitrarily. The trigger 21 is designed to carry out the transition from the starting current I _p to the holding current I _n , as before, by connecting / disconnecting an additional bias through a resistor 23 to the inverse input of the comparator 3.

При поступлении команды управления состояние основной ветви изменяется следующим образом: транзистор 1 открывается, подключая источник опорного напряжения 2 на прямой вход компаратора, то есть напряжение на прямом входе уменьшилось от В⁺ до (В⁺ - U_диода2), компаратор переключается, установив на своем выходе уровень "нуля". В результате последовательно открываются транзисторы 6, 7, 8, и через клапан 9 течет нарастающий ток под действием почти полностью приложенного к нему напряжения питания В⁺.When a control command is received, the state of the main branch changes as follows: the transistor 1 opens, connecting the reference voltage source 2 to the direct input of the comparator, that is, the voltage at the direct input decreases from B ⁺ to (B ⁺ - U of _diode2 ), the comparator switches, setting on its output level is "zero". As a result, transistors 6, 7, 8 open sequentially, and an increasing current flows through valve 9 under the influence of a supply voltage B ⁺ almost completely applied to it.

Команда одновременно поступает на вход C триггера 18 и на вход S триггера 21 через конденсатор 24. В результате, триггер 18 устанавливает на выходе /Q уровень "нуля" и начинает отрабатывать длительность временной задержки, величина которой приблизительно равна времени срабатывания клапана t_сраб, т. е. моменту его полного открывания, а триггер 21 устанадливается в "единицу", открывая инверсным выходом транзистор 22, тем самым устанавливая большее напряжение на инверсном входе компаратора 3, соответствующее ограничению тока через клапан 9 на уровне I_p.The command simultaneously arrives at input C of flip-flop 18 and at input S of flip-flop 21 through capacitor 24. As a result, flip-flop 18 sets the output “Q” to “zero” and begins to work out the duration of the time delay, the value of which is approximately equal to the valve response time t _srab , t ie, the moment of its full opening, and the trigger 21 is set to “one”, opening the transistor 22 with an inverse output, thereby setting a higher voltage at the inverse input of the comparator 3, corresponding to the current limit through the valve 9 at level I _p .

Команда одновременно поступает и на ветвь управления цепью ограничения обратного выброса напряжения, которая не изменилась, т. е. транзистор 14, открывается, открывая последовательно транзисторы 15 и 16, последний подключает диод 17 параллельно клапану, тем самым ограничивая обратный выброс до минимума. The command simultaneously arrives at the control branch of the voltage back-surge limiting circuit, which has not changed, i.e., transistor 14, opens, opening transistors 15 and 16 in series, the latter connects the diode 17 in parallel with the valve, thereby limiting the reverse surge to a minimum.

Увеличивающееся напряжение, снимаемое с датчика тока 11, усиливается транзисторами 12 и 13 и поступает уменьшающимся на инверсный вход компаратора 3. The increasing voltage taken from the current sensor 11 is amplified by transistors 12 and 13 and is supplied decreasing to the inverse input of the comparator 3.

Как только напряжение на инверсном входе станет меньше величины (В⁺ - U_оп _диода2), компаратор переключается, установив на выходе высокий уровень, последний закрывает транзисторы 6, 7, 8, отключая напряжение питания от клапана (фиг. 2, точка 1).As soon as the voltage at the inverse input becomes less than the value (B ⁺ - U _op _diode2 ), the comparator switches, setting the output to a high level, the latter closes the transistors 6, 7, 8, disconnecting the supply voltage from the valve (Fig. 2, point 1).

Далее индуктивность клапана становится источником тока, двигающегося по цепи 9 ---> 11 ---> 16 ---> 17 ---> 9, величина которого уменьшается, и, как только достигнет величины I_PL, вновь срабатывает компаратор и через транзисторы подключает напряжение питания к клапану (фиг. 2, точка 2). Ток через клапан снова увеличивается, но уже до величины I_PH, определяемой гистерезисом, и вновь переключается компаратор, и вновь отключается питание от клапана. Этот процесс генерации длится до окончания команды Т_p, но после отрабатывания задержки триггером 18 в момент времени t_зад триггер 21 закрывает транзистор 22, снижая смещение компаратора 3, (фиг. 2, точка 3) и процесс геиерадии начинает поддерживать ток меньшей величины, соответствующий току удержания клапана в диапазоне от минимального I_HL до максимального I_HH. Частота генерации определяется скоростью нарастания и скоростью спада тока через клапан и величиной гистерезиса Δ I = I_HH - I_HL определяемой выходным напряжением компаратора 3 и соотношением его элементов 5/4.Further, the inductance of the valve becomes a source of current moving along the circuit 9 ---> 11 ---> 16 ---> 17 ---> 9, the value of which decreases, and as soon as the value reaches I _PL , the comparator again transistors connects the supply voltage to the valve (Fig. 2, point 2). The current through the valve increases again, but already to the value of I _PH determined by the hysteresis, and the comparator switches again and the power from the valve switches off again. This generation process lasts until the command T _p ends, but after the delay has worked out by the trigger 18 at time t, the _back trigger 21 closes the transistor 22, reducing the offset of the comparator 3, (Fig. 2, point 3) and the process of geradiation starts to maintain a current of a smaller value corresponding to holding current of the valve in the range from minimum I _HL to maximum I _HH . The generation frequency is determined by the rate of rise and fall rate of the current through the valve and the hysteresis Δ I = I _HH - I _HL determined by the output voltage of the comparator 3 and the ratio of its elements 5/4.

При отключении команды (фиг. 2, точка 4) происходит отключение диода 17 в цепи ограничения обратного выброса напряжения клапана посредством последовательного закрытия транзисторов 14, 15, 16, и теперь окончательный спад тока через клапан уже идет по цепи 9 ---> 11 ---> к-э 8 ---> 9, а напряжение обратного выброса на эмиттере 8 ограничено в общем случае величиной U = U_бэ7 + U₁₀ + В⁺.When the command is turned off (Fig. 2, point 4), the diode 17 in the circuit for limiting the reverse voltage surge of the valve is switched off by sequentially closing the transistors 14, 15, 16, and now the final drop in the current through the valve is already going through the circuit 9 ---> 11 - -> k-e 8 ---> 9, and the reverse surge voltage at the emitter 8 is generally limited to U = U _be7 + U ₁₀ + V ⁺ .

Таким образом, в данном устройстве скорость нарастания тока через клапан 9, а значит и быстродействие клапана, ограничивается, во-первых, величиной максимального тока I_p, равного току насыщения сердечника электромагнита, при котором обеспечивается заданное усилие клапана, во-вторых, быстродействием электрической схемы. Индуктивность электромагнита определяется уже после выбора тока I_p по известной скорости его нарастания. Переход на ток удержания теперь производится после срабатывания клапана, в момент времени t_сраб, т. е. после выполнения временной задержки триггером 18. Малая величина индуктивности электромагнита способствует и уменьшению времени отпускания клапана за счет быстрого рассасывания малой величины накопленной энергии к катушке, это дополнительно увеличивает быстродействие клапана. Скорость нарастания тока через клапан 9 зависит от питающего напряжения только до точки 1 (фиг. 2), значит чем короче этот отрезок времени по сравнению с временем срабатывания, тем слабее зависимость последнего от напряжения питания В⁺, и от разброса индуктивностей клапанов при их изготовлении.Thus, in this device, the rate of increase of the current through the valve 9, and hence the speed of the valve, is limited, firstly, by the maximum current I _p equal to the saturation current of the core of the electromagnet, at which a predetermined valve force is provided, and secondly, by the speed of the electric schemes. The inductance of the electromagnet is determined after selecting the current I _p from the known rate of rise. The transition to the holding current is now made after the valve is triggered, at time t _srb , that is, after the time delay is performed by the trigger 18. The small magnitude of the inductance of the electromagnet also contributes to a decrease in the valve release time due to the quick absorption of the small amount of stored energy to the coil, this is additional increases valve performance. The rate of increase of the current through valve 9 depends on the supply voltage only to point 1 (Fig. 2), which means that the shorter this time interval compared to the response time, the weaker the dependence of the latter on the supply voltage B ⁺ , and on the spread of valve inductances during their manufacture .

Экспериментальные исследования заявляемого импульсного ключа управления электроклапаном показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототипом) заявляемый ключ позволяет существенно повысить быстродействие клапана, ослабив зависимость быстродействия от напряжения питания и влияние разброса индуктивностей клапанов при изготовлении на их динамику и, в конечном итоге, на расходную характеристику. Experimental studies of the inventive impulse control key of an electrovalve have shown that, in comparison with a device of a similar purpose (prototype), the inventive key can significantly increase the speed of the valve, weakening the dependence of speed on the supply voltage and the influence of the spread of valve inductances during manufacture on their dynamics and, ultimately, on flow characteristic.

Литература
1. Заявка Франции N 2418336, МПК F 02 D 5/00, пр. 27 февраля 1978 г., заявки N 881326, 881327, 881328, 881343.Literature
1. Application of France N 2418336, IPC F 02 D 5/00, etc. February 27, 1978, applications N 881326, 881327, 881328, 881343.

Claims

A solenoid valve pulse control key, comprising a first trigger that controls the current limit value, the output of which is connected to the inverse of the comparator, which controls the power supply to the valve by a feedback signal using a powerful key stage, and also has an additional key stage that commutes the feedback circuit characterized in that it is equipped with a time delay device consisting of a second trigger with an integrating circuit, the input of which is connected to the input of the device roystva, and an output - to the input R of the first flip-flop.