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CN102434703B - 双稳态脉冲电磁阀控制系统和方法以及小便器和水龙头 - Google Patents

双稳态脉冲电磁阀控制系统和方法以及小便器和水龙头 Download PDF

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CN102434703B CN2011103521238A CN201110352123A CN102434703B CN 102434703 B CN102434703 B CN 102434703B CN 2011103521238 A CN2011103521238 A CN 2011103521238A CN 201110352123 A CN201110352123 A CN 201110352123A CN 102434703 B CN102434703 B CN 102434703B
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Abstract

本发明提供一种双稳态脉冲电磁阀控制系统和方法，控制系统包括：双稳态脉冲电磁阀；驱动电流采样检测电路，用于采集通过双稳态脉冲电磁阀的电流的变化过程而形成采样结果；主控制电路，主控制电路对采样结果进行判断后产生相应的控制信号；极性变换控制电路，用于接收控制信号并根据相应控制信号来控制双稳态脉冲电磁阀的线圈电流的方向以及通断时间。还提供了采用上述控制系统的自动出水的水龙头和小便器。采用上述控制系统，节省开关阀时间，节约功耗，延长干电池的使用寿命。

Description

双稳态脉冲电磁阀控制系统和方法以及小便器和水龙头
技术领域
本发明涉及一种双稳态脉冲电磁阀控制系统和方法，并涉及采用该双稳态脉冲电磁阀控制系统的小便器和水龙头。
背景技术
在现有的卫浴洁具中，特别在自动出水的水龙头或小便器中，通常采用红外感应装置与电磁阀配合以控制出水。这一系统通过干电池供电，可降低对使用环境的依赖性，从而可增大适用范围。然而，干电池电能十分有限，在日益倡导节约能源的当下，如何降低整个系统的电能消耗并保证和延长干电池的使用寿命，成为本领域中急需解决的问题。
图1示出了现有技术中一种双稳态脉冲电磁阀100的结构。如图1所示，双稳态脉冲电磁阀100包括永磁铁1、线圈2、阀芯3、框架4、线圈骨架5。框架4封装永磁铁1、线圈2、阀芯3、线圈骨架5。阀芯3位于线圈骨架5内部，在线圈骨架5外壁上围绕有线圈2。两个永磁铁1分置于线圈2的两侧，优选地，永磁铁1的N极靠近线圈2，S极远离线圈2。
图2示出了在图1结构中线圈未通电时两个永磁铁磁场的分布。
如图2所示，处于阀芯3的上下方的两个永磁铁1所发出的磁力线均分为两组贯穿过阀芯3，其中一组磁力线方向水平向左，而另一组磁力线方向水平向右。一般而言，阀芯3不会相对于永磁铁1处于绝对正中。当阀芯3相对于永磁铁1偏左时，方向向左的一组磁力线对阀芯3施加的向左的磁力将大于方向向右的一组磁力线对阀芯3施加的向右的磁力。此时，阀芯3所受到的磁力合力方向向左，从而使阀芯3向左滑动直至在框架4的左边界停下。可以理解的是，当阀芯3相对于永磁铁1偏右时，阀芯3在磁力合力的作用下将向右滑动直至在框架4的右边界停下。在此设定阀芯3初始时停留在框架4的左边界处，此时电磁阀未通电而处于关闭状态。
图3示出图1所示结构中线圈通电情况下的磁场分布。
如图3所示，对线圈2通电，线圈2上部电流方向垂直纸面向外，线圈2下部电流方向垂直纸面向里。根据安培定则，此时线圈2内部产生由左向右的平行于阀芯3的磁场。由此，阀芯3将受到方向向右的电磁场力的作用，该电磁力的方向与上文所述的永磁铁1对阀芯3产生的向左的永磁场合力方向相反。
线圈2中电流逐渐增大。在初始阶段，由于电流较小，所产生的电磁场较小，由此使阀芯3所受的电磁力也相对较小。此时，阀芯3所受的向右的电磁力仍小于永磁铁1对阀芯3产生的向左的永磁场合力，因此无法拖动阀芯3向右运动。在此情况下，阀芯3仍然停留在框架4左边界处。
线圈2中电流持续增大，使所产生的电磁场也继续增大，由此使阀芯3所受的电磁力不断增大。当阀芯3所受的向右的电磁力大于永磁铁1对阀芯3产生的向左的永磁场合力时，阀芯3开始被拖动而向右移动。此时，永磁铁1对阀芯3施加的永磁场合力仍然方向向左。
阀芯3继续向右移动。当阀芯3的中心越过永磁铁1而处于永磁铁1右侧时，如上文所述，永磁铁1对阀芯3施加的永磁场合力方向将变为向右，而与阀芯3所受的电磁力同向。在这种情况下，阀芯3将在同向的永磁场合力和电磁力的共同作用下被向右拖动，直至阀芯3到达框架4的右边界时停下。
此时，如果线圈2中断电而无电流流过，则线圈2对阀芯3施加的电磁力消失，阀芯3将只受到方向向右的永磁场合力作用而稳定地停留在框架4的右边界处。此时，电磁阀处于打开状态。
图4示出现有技术中双稳态脉冲电磁阀应用时的电路模块图。
如图4所示，主控制电路40负责接收感应信号输送正脉冲或负脉冲给极性变换控制电路20，极性变换控制电路20根据接收到的脉冲信号的正负极性来变换双稳态电磁阀线圈的电压方向，给出开阀信号或关阀信号，从而变换电磁阀100中线圈2的电流方向。
在这一过程中，很难准确把握线圈该何时断电。如果线圈断电时间过早，则阀芯还未完全到达打开位置，容易造成操作失败。因此，为防止操作失败，通常就不得不确保足够长的断电时间。然而，如果断电时间过长，虽然能充分确保阀芯已经达到打开位置，但功耗过大，造成了不必要的功耗损失。反之，在关闭阀芯的过程中也存在相同的问题。
经研究发现，电磁阀的开关动作，即线圈通电时间，这期间所消耗的能量占了整个系统能量消耗的大部分。因此，急需一种在保证电磁阀可靠开关的情况下有效减小电磁阀功耗从而降低整个系统功耗的有效方法。
另外，由于电磁阀的生产工艺、应用环境的水压和水质的差异，导致电磁阀开关阀供电时间有所不同。因此，为避免操作失败而使电磁阀操作可靠，通常在电磁阀供电时间上设定一定的余量。现有技术中，一般设定开关阀时间为14毫秒。经研究发现，开关阀的大量时间都浪费在上述“余量”上。因此，急需一种有效方法较为精确地检测电磁阀已开阀或关阀到位，从而减少这种“余量”的设定，进而有效减少电磁阀功耗。
发明内容
本发明采用双稳态脉冲电磁阀控制系统和方法，旨在解决现有技术中的上述缺陷，有效减少电磁阀系统功耗并延长电磁阀使用寿命。
具体而言，本发明提供一种双稳态脉冲电磁阀控制系统和方法，所述控制系统包括：双稳态脉冲电磁阀，其包括永磁铁、线圈、阀芯、框架、线圈骨架，框架封装永磁铁、线圈、阀芯、线圈骨架，阀芯位于线圈骨架内部，在线圈骨架外壁上围绕有线圈，两个永磁铁分置于线圈的两侧；主控制电路，该主控制电路接收感应信号从而输送脉冲信号；极性变换控制电路，该极性变换控制电路从主控制电路接收所述脉冲信号，并根据脉冲信号的正负极性来变换线圈的电压方向，从而变换线圈中的电流方向；和驱动电流采样检测电路，用于采集通过双稳态脉冲电磁阀的电流的变化过程而形成采样结果，主控制电路对采样结果进行判断后产生相应的控制信号，极性变换控制电路接收控制信号并根据相应控制信号来控制双稳态脉冲电磁阀的线圈电流的方向以及通断时间。
优选地，对线圈通电，设定阀芯在框架第一端开始移动时产生的电流为第一拐点，阀芯在框架的与第一端相对的第二端停下时的即时电流为第二拐点，在第二拐点的时刻主控制电路向极性变换控制电路发送相应的控制信号，随之极性变换控制电路对双稳态脉冲电磁阀断电。
优选地，采用电流检测芯片来实现驱动电流采样检测电路。
更优选地，电流检测芯片是ZXCT1009F集成电路芯片。
更优选地，极性变换控制电路通过BD7931F集成电路芯片实现。
优选地，驱动电流采样检测电路的输出电流通过一模数转换电路得到数字量，将此数字量反馈回主控制电路。
优选地，通过驱动电流采样检测电路检测电流变化异常，从而检测到所述双稳态脉冲电磁阀的异常状况。
更优选地，双稳态脉冲电磁阀的异常状况包括如下三种情况中的一种或多种：(1)阀芯在中途被卡住，导致阀芯不再移动；(2)线圈断开或电路损坏导致线圈断电；(3)线圈断开或电路损坏导致短路。
本发明还提供一种自动出水的水龙头，采用如上文所述的双稳态脉冲电磁阀控制系统。
本发明还提供一种自动出水的小便器，采用如上文所述的双稳态脉冲电磁阀控制系统。
通过采用根据本发明的双稳态脉冲电磁阀控制系统和方法，极大地节省了开关阀时间，相应地大大节约了功耗，延长了干电池的使用寿命。另外，本发明采用驱动电流采样检测电路，还能识别在电磁阀运行过程中可能出现的各种异常状况。
附图说明
图1示出了现有技术中一种双稳态脉冲电磁阀的结构；
图2示出了在图1结构中线圈未通电时两个永磁铁磁场的分布；
图3示出图1所示结构中线圈通电情况下的磁场分布；
图4示出现有技术中双稳态脉冲电磁阀应用时的电路模块图；
图5示出双稳态脉冲电磁阀通电过程中线圈中电流-时间的曲线图；
图6示出根据本发明的双稳态脉冲电磁阀的电路控制系统的电路模块图；
图7中示出根据本发明一优选实施例的采用ZXCT1009F集成电路芯片作为电流检测芯片来实现驱动电流采样检测电路的系统电路图；
图8-10示出了电流变化异常的情况下的三种电流-时间曲线图。
具体实施方式
下文中，相同的附图标记指代相同的元件。
需要注意的是，下文所提及的双稳态脉冲电磁阀100的基本结构可参照本说明书“背景技术”章节所述，与前述相同的附图标记也表示相同的元件。
众所周知，在线圈通电时，如果在线圈内部加入磁芯，会使线圈所产生的磁通量大增。而磁芯在线圈内部的轴线运动，也将会改变线圈中的磁通量。根据法拉第电磁感应定律，磁通量的改变将导致线圈中产生与原施加电压方向相反的感应电动势。
图5示出双稳态脉冲电磁阀通电过程中线圈中电流-时间的曲线图。
如图5所示，在初始阶段，线圈2中的电流随时间推移逐渐增大。然而，线圈2对阀芯3所施加的电磁力小于永磁铁1对阀芯3施加的永磁力合力，因此不足以推动阀芯3移动。在此阶段，阀芯3保持静止，因此线圈2内部的磁通量没有改变。线圈2内的电流仅仅随着所施加电压的增大而增大。
随着线圈2中的电流逐渐增大，使线圈2对阀芯3所施加的向右的电磁力正好大于阀芯3所受的向左的永磁力合力。此时刻记录电流拐点A。此时，对线圈2所施加的电压不再增大。阀芯3开始向右移动。阀芯3在线圈2内向右移动，导致线圈2内的磁通量出现变化。根据法拉第电磁感应定律，线圈2内将出现感应电动势。该感应电动势的极性方向与原先所施加电压的方向相反，导致线圈2中的总电压下降，由此使线圈2中通过的电流变小。如图5所示，线圈2内的电流从拐点A开始下降。
随后，阀芯3将一直向右移动，直至阀芯3抵达框架4的右边界而停下。此时阀芯3不再在线圈2中移动，使线圈2中的磁通量不再发生变化，相应地，线圈2中的感应电动势将消失。此时，线圈2中的电流到达图5中的拐点B。自拐点B开始，由于感应电动势消失，线圈2所受总电压又开始逐渐增大，导致线圈2中的电流重新逐渐增大。
根据图5所示的电流随时间变化曲线，如果能够捕捉到电流拐点B处的时刻，即阀芯3运动到另一边界处的时刻，在此时刻停止通电，就可以有效地节约余量，减小电磁阀的功耗。
为此，本发明在现有技术的电路基础上增加了一驱动采样检测电路。
图6示出根据本发明的双稳态脉冲电磁阀的电路控制系统的电路模块图。
如图6所示，驱动电流采样检测电路30采集通过双稳态脉冲电磁阀100的电流的变化过程，将采样结果输送至主控制电路40，主控制电路40对采样结果进行判断后产生相应的控制信号，将该控制信号输送给极性变换控制电路20，极性变换控制电路20根据相应控制信号来控制双稳态脉冲电磁阀的线圈电流的方向以及通断时间。
例如，主控制电路40根据驱动电流采样检测电路30所提供的采样结果可以即时捕捉到上述电流拐点B，并在此时刻向极性变换控制电路20发送相应的控制信号，随之极性变换控制电路20对双稳态脉冲电磁阀100断电。
驱动电流采样检测电路30的工作过程可以通过通常的电流检测芯片实现，而且并不限于特定种类的电流检测芯片。
图7中示出根据本发明一优选实施例的采用ZXCT1009F集成电路芯片作为电流检测芯片来实现驱动电流采样检测电路的系统电路图。
如图7所示，驱动电流采样检测电路30通过极性变换控制电路20连接到双稳态脉冲电磁阀100。其中，极性变换控制电路20由ZXCT1009F集成电路芯片实现。ZXCG1009F集成电路芯片是一种高端电流感应监视芯片，其电压输入范围为2.5-20V，输出电压可根据需要进行调整。该芯片的1、2号端为输入端。
图7中还显示，极性变换控制电路20可通过BD7931F集成电路芯片实现。该芯片的1号端连接电源，2、3号端连接电磁阀100的输入端，4号端接地，5号端接地，6号端连接逻辑电源，7、8号端连接主控制电路的开阀关阀信号输出端。
ZXCT1009F集成电路芯片的工作原理是将电磁阀100的电流转换成电压Uab，输入该芯片的2、3端，通过芯片处理后转换成电流Iout输出，电压Uab和电流Iout之间的对应关系举例如下表：
  Uab   Iout
  0V   4μA
  10mV   104μA
  100mV   1.002mA
  200mV   2.0mA
  1V   9.98mA
如上表所示，除静态电流外，其他电压Uab和电流Iout之间均存在一定的对应关系。
在图7中，在连接电源的电阻R24确定的情况下，电压Uab与通过电磁阀100的电流成正比，因此电流Iout与通过电磁阀100的电流也存在一定的对应关系。
优选地，驱动电流采样检测电路30的输出电流可通过一模数(AD)转换电路得到数字量，将此数字量反馈回主控制电路40。当主控制电路40收到反馈显示电流处于拐点B时，便控制断电，从而保证阀芯3已经运动到位，有效实现开阀或关阀，同时节约功耗。
电磁阀100的开关阀时间与水压也有较大关系。因此，在供电5.5V的情况下，通过电流采样和拐点判断技术，实测空载、2千克水压、5.5千克水压以及8千克水压这些典型状态下的开关阀时间，如下表所示：
  压力   开阀   关阀
  空载   8ms-   7ms-
  2KG   8ms   7ms
  5.5KG   8ms   7ms
  8KG   8ms+   7ms+
如上表所示，在0-8千克水压下，电磁阀通电时间只需要：开阀：8毫秒；关阀：7毫秒。
如本文“背景技术”章节所提，现有技术中开关阀均需要大约14毫秒。因此，相比于现有技术，本发明在开关阀上大约节省了一半时间，相应地节省了一半功耗，由此能使干电池寿命延长大约33％。
另外，本发明在原有电路上增加了上述驱动电流采样检测电路30，因为能一直检测到电流变化。因此，如果电流变化发生异常，还能进一步反映电磁阀的异常状况。
图8-10示出了电流变化异常的情况下的三种电流-时间曲线图。
如图8所示，如果阀芯3在中途被卡住，则阀芯3不再移动，由此在阀芯3运动到中途时线圈2内磁通量将不会发生变化，相应地，也将不再产生与原施加电压相反的感应电动势，线圈电流将不会下降。
如图9所示，如果线圈2断开或驱动芯片损坏导致断电，则无法产生电流。
如图10所示，如果线圈2短路或驱动芯片导致短路，则通电后电流快速上升且远大于正常值。
上述三种异常状况下的电流-时间曲线与正常情况差异极为明显，通过上述驱动电流采样检测电路30就可以方便地识别这三种异常状况。当然，可以理解的是，驱动电流采样检测电路30也同样可以识别其他可能出现的异常状况。
通过采用根据本发明的双稳态脉冲电磁阀控制系统和方法，极大地节省了开关阀时间，相应地大大节约了功耗，延长了干电池的使用寿命。另外，本发明采用驱动电流采样检测电路，还能识别在电磁阀运行过程中可能出现的各种异常状况。
本领域技术人员还可以理解的是，本发明的保护范围并不仅限于上述实施例，所有对本发明的等同变换均落在本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种双稳态脉冲电磁阀控制系统，包括：
双稳态脉冲电磁阀，其包括永磁铁、线圈、阀芯、框架、线圈骨架，框架封装永磁铁、线圈、阀芯、线圈骨架，阀芯位于线圈骨架内部，在线圈骨架外壁上围绕有线圈，两个永磁铁分置于线圈的两侧；
主控制电路，所述主控制电路接收感应信号从而输送脉冲信号；和
极性变换控制电路，所述极性变换控制电路从主控制电路接收所述脉冲信号，并根据脉冲信号的正负极性来变换所述线圈的电压方向，从而变换所述线圈中的电流方向，
其特征在于，
所述双稳态脉冲电磁阀控制系统还包括驱动电流采样检测电路，用于采集通过双稳态脉冲电磁阀的电流的变化过程而形成采样结果，所述主控制电路对采样结果进行判断后产生相应的控制信号，所述极性变换控制电路接收控制信号并根据相应控制信号来控制双稳态脉冲电磁阀的线圈电流的方向以及通断时间。
2.根据权利要求1所述的双稳态脉冲电磁阀控制系统，其特征在于，对线圈通电，设定阀芯在框架第一端开始移动时产生的电流为第一拐点(A)，阀芯在框架的与第一端相对的第二端停下时的即时电流为第二拐点(B)，在第二拐点(B)的时刻主控制电路向极性变换控制电路发送相应的控制信号，随之极性变换控制电路对双稳态脉冲电磁阀断电。
3.根据权利要求1所述的双稳态脉冲电磁阀控制系统，其特征在于，采用电流检测芯片来实现驱动电流采样检测电路。
4.根据权利要求3所述的双稳态脉冲电磁阀控制系统，其特征在于，所述电流检测芯片是ZXCT1009F集成电路芯片。
5.根据权利要求3所述的双稳态脉冲电磁阀控制系统，其特征在于，极性变换控制电路通过BD7931F集成电路芯片实现。
6.根据权利要求1所述的双稳态脉冲电磁阀控制系统，其特征在于，驱动电流采样检测电路的输出电流通过一模数转换电路得到数字量，将 此数字量反馈回主控制电路。
7.根据权利要求1所述的双稳态脉冲电磁阀控制系统，其特征在于，通过驱动电流采样检测电路检测电流变化异常，从而检测到所述双稳态脉冲电磁阀的异常状况。
8.根据权利要求7所述的双稳态脉冲电磁阀控制系统，其特征在于，所述双稳态脉冲电磁阀的异常状况包括如下三种情况中的一种或多种：
(1)阀芯在中途被卡住，导致阀芯不再移动；
(2)线圈断开或电路损坏导致线圈断电；
(3)线圈断开或电路损坏导致短路。
9.一种自动出水的水龙头，其特征在于，采用如权利要求1-8所述的双稳态脉冲电磁阀控制系统。
10.一种自动出水的小便器，其特征在于，采用如权利要求1-8所述的双稳态脉冲电磁阀控制系统。
11.一种用于双稳态脉冲电磁阀的双稳态脉冲电磁阀控制方法，所述双稳态脉冲电磁阀包括永磁铁、线圈、阀芯、框架、线圈骨架，框架封装永磁铁、线圈、阀芯、线圈骨架，阀芯位于线圈骨架内部，在线圈骨架外壁上围绕有线圈，两个永磁铁分置于线圈的两侧，所述控制方法包括如下步骤：
采用主控制电路接收感应信号从而输送脉冲信号；和
采用极性变换控制电路从主控制电路接收所述脉冲信号，并根据脉冲信号的正负极性来变换所述线圈的电压方向，从而变换所述线圈中的电流方向，
其特征在于，
采用驱动电流采样检测电路采集通过双稳态脉冲电磁阀的电流的变化过程而形成采样结果；
通过所述主控制电路对采样结果进行判断后产生相应的控制信号，
通过所述极性变换控制电路接收控制信号并根据相应控制信号来控制双稳态脉冲电磁阀的线圈电流的方向以及通断时间。
12.根据权利要求11所述的双稳态脉冲电磁阀控制方法，其特征在 于，进一步包括如下步骤：在线圈通电的情况下，设定阀芯在框架第一端开始移动时产生的电流为第一拐点(A)，阀芯在框架的与第一端相对的第二端停下时的即时电流为第二拐点(B)，在第二拐点(B)的时刻主控制电路向极性变换控制电路发送相应的控制信号，随之极性变换控制电路对双稳态脉冲电磁阀断电。
13.根据权利要求11所述的双稳态脉冲电磁阀控制方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：通过一模数转换电路将驱动电流采样检测电路输出电流转换得到数字量，将此数字量反馈回主控制电路。 
14.根据权利要求11所述的双稳态脉冲电磁阀控制方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：通过驱动电流采样检测电路检测电流变化异常，从而检测到所述双稳态脉冲电磁阀的异常状况。 
15.根据权利要求14所述的双稳态脉冲电磁阀控制方法，其特征在于，所述异常状况包括如下三种情况中的一种或多种： 
（1）阀芯在中途被卡住，导致阀芯不再移动； 
（2）线圈断开或电路损坏导致线圈断电； 
（3）线圈断开或电路损坏导致短路。 
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