CN111810699B - 一种电磁阀高动态控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁阀高动态控制系统及其方法。系统包括预加载电压源、高电压源、稳电压源、负电压源、零电压源、高速切换开关、电流检测器、电磁阀、压力传感系统和控制器；通过在电磁阀预期启闭时刻前，提前加载电压，使线圈电流保持在一个略小于开启电流的状态(开启阶段)，或保持在一个略大于关闭电流的状态(关闭阶段)，因此，大幅降低了启闭滞后时间。在开启阶段，采用高电压源激励，使电流快速上升，减小了开启阶段的运动时间；在关闭阶段，采用负电压源激励，使电流快速下降到0，减小了关闭阶段的运动时间。

Description

一种电磁阀高动态控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及电磁阀控制领域，具体涉及一种电磁阀高动态控制系统及其方法。

背景技术

在电磁阀的驱动中，安匝数和工作气隙对电磁铁的电磁力影响最大。安匝数即线圈匝数与单圈线圈中电流的乘积。在磁通量未饱和的情况下，电流越大，电磁力越大；工作气隙越小，电磁力越大。由于电磁阀在开启时往往是电磁铁中工作气隙最大的时候，而关闭时往往是电磁铁中工作气隙最小的时候，因此开启电流比关闭电流大。

目前液压领域的电磁阀大多采用单电压控制，即在预期开启时刻，接通驱动电压，使电磁阀线圈电流增大，直至电磁力足以克服各类阻力时，电磁阀开启；电磁阀开启滞后，线圈继续保持电压激励状态，因此线圈电流持续增大，直至当前驱动电压所能达到的最大电流值，直到预期关闭时刻到来，此时，驱动电压断开，线圈电流在无电压激励的情况下自然下降，电磁力也随之下降，直至电磁力不足以克服回复力，此时，电磁阀阀芯开始做复位运动。该方法控制简单，通过调节驱动电压的频率来实现电磁阀开关的频率，通过调节驱动电压的占空比来控制电磁阀在一个信号周期内的启闭时间。

然而，该控制方式存在一些不足，主要表现在：当驱动电压太小时，电流增大至使电磁阀开启所需的时间较长，因此开启滞后时间较长；当驱动电压太大时，电流在电磁阀开启后继续增大，直至电流所能达到的最大值，因此在电磁阀预期关闭时刻，电流初始值较大，线圈在零电压驱动的自然状态下，电流下降到使电磁阀关闭所需的时间较长，因此关闭滞后时间较长。所以，单电压驱动方法无法同时兼顾电磁阀开启和关闭两个阶段的动态特性。而且，该方法在阀已经开启的情况下，为了保持开启状态，驱动电压仍然处于高位，这样就容易导致线圈中的电流持续上升至能达到的最大值，从而引起线圈发热，降低电磁阀寿命。

发明内容

为了解决上述难点，本发明提出了一种电磁阀高动态控制系统及方法。

本发明首先公开了一种电磁阀高动态控制系统，其包括预加载电压源、高电压源、稳电压源、负电压源、零电压源、高速切换开关、电流检测器、电磁阀、压力传感系统和控制器；

所述高速切换开关具有六个接触头，其中第一接触头、第二接触头、第三接触头、第四接触头、第五接触头分别与预加载电压源、高电压源、稳电压源、负电压源、零电压源相连；第六接触头通过电流检测器与电磁阀线圈相连；所述控制器的输出端口与高速切换开关相连并可控制第六接触头与其余接触头的连接状态；压力传感系统与电磁阀各工作口连接用于获得电磁阀各工作口的压力状态；控制器与压力传感系统连接，所述控制器包含控制信号产生单元。

作为本发明的优选方案，所述的控制信号产生单元产生的控制信号为方波信号，方波信号的占空比即电磁阀目标开启时间和周期时间比。该控制信号由操作者通过控制器内部的控制信号产生单元编程生成，控制信号参与控制器内部运算。控制器实时获取控制信号产生单元产生的控制信号的占空比、频率、上升沿时刻和下降沿时刻。当控制信号发生改变时，控制器也能获知改变后的控制信号的占空比、频率、上升沿时刻和下降沿时刻，从而知道下一周期的控制信号上升沿何时到来。

本发明还公开了一种基于所述系统的电磁阀高动态控制方法，包括如下步骤：

控制信号产生单元产生控制信号，在控制信号上升沿到来之前，根据当前线圈电流状态和线圈的电气参数，控制器计算得到预加载阶段的持续时间，根据预加载阶段的持续时间，控制器提前将第六接触头与第一接触头连通进入预加载阶段，预加载阶段后线圈电流稳定在一个小于开启电流设定比例的预加载电流状态；

当控制信号上升沿到来时，控制器将第六接触头与第二接触头连接，线圈在高电压源的激励下，电流迅速上升，由于电流在控制信号上升沿到来前就已经稳定在一个略小于开启电流的状态，外加高电压源的激励，电流将在短时间内上升至开启电流，此时，电磁阀阀芯开启移动，进入开启阶段，第二接触头和第六接触头继续保持连接直到连接时间等于该电磁阀在0电流状态下，采用所述的高电压源激励至完全打开所需的时间；

到达设定的时间后，控制器将第六接触头与第三接触头连接，电流逐渐下降，并最终稳定在一个大于关闭电流设定比例的维持电流状态，以保持电磁阀开启的状态；

当控制信号下降沿到来时，控制器将第六接触头与第四接触头连接，在负电压源的激励下，线圈电流迅速降低至关闭电流，此时阀芯开始运动，进行复位，负电压继续激励，直至电流降低至0；

当电流达到0时，控制器将第六接触头与第五接触头连接，线圈电流在零电压源的激励下，继续保持0电流状态，直到下一个预加载阶段到来。

作为本发明的优选方案，所述预加载电压源的电压数值略小于电磁阀线圈电阻与开启电流的乘积，在本发明的优选方案中，小于电磁阀线圈电阻与开启电流乘积的5％-10％；稳电压源的电压数值略大于电磁阀线圈电阻与关闭电流的乘积，在本发明的优选方案中，大于电磁阀线圈电阻与关闭电流乘积的5％-10％。

作为本发明的优选方案，所述的预加载阶段所需的持续时间的计算过程为：控制器根据当前电磁阀电流、线圈电阻和电感，计算线圈电流上升至预加载电流所需的时间，该时间的基础上，延长设定的时间(优选，该时间的基础上，延长5％-10％的持续时间)，即作为预加载阶段的持续时间。

本发明具有的有益效果是：

1)电磁阀各工作口的压力可以通过压力传感系统获得，并反馈给运算器，运算器根据该电磁阀前期测试的数据自动计算出开启电流和关闭电流；

2)压力传感系统和控制器配合使用，工作过程中即使电磁阀的工况发生变化，控制器也能根据压力传感系统读取的压力值进行智能地调节，使电磁阀具有对工况的自适应能力；

3)通过在电磁阀预期启闭时刻前，提前加载响应的电压，使线圈电流保持在一个略小于开启电流的状态(开启阶段)，或保持在一个略大于关闭电流的状态(关闭阶段)，因此，大幅降低了启闭滞后时间。

4)本发明高电压源连接时间等于该电磁阀在0电流状态下，采用相同的高电压源激励至完全打开所需的时间；这样的做法好处在于：可以进一步提高开启阶段的动态特性，其原因是如果电磁阀动态特性很慢，但是电磁铁的电磁动态特性很好，那么就会存在电流快速上升到了开启电流，而电磁铁却还在运动，即未完全开启，如果这个时候就将高电压源切换成稳电压源，就会降低开启阶段的动态特性。

5)本发明在连通负电压源的状态下，使负电压继续激励，直至电流降低至0。该方法与现有技术中仅利用负电压源将电流降低至小于临界关闭电流的方案不同。电磁阀的动态特性比较弱，而电磁铁的而电磁动态特性比较好，利用现有技术中的方法会存在一个现象，即电流已经降低到了关闭电流，但是电磁铁还处在关闭运动阶段，且运动速度比较慢。如果这个时候就将负电压切换成零电压，那么电磁铁进行关闭运动的动态特性就无法进一步提升。因此，将电磁特的电流直接降低到零，可以最大程度上提升电磁铁关闭阶段的动态特性。

附图说明

图1为本发明电磁阀高动态控制系统的结构示意图；

图2为本发明的控制信号和电流曲线图。

图3为电磁阀高动态控制系统的电磁阀启闭特性(开启)。

图4为电磁阀高动态控制系统的电磁阀启闭特性(关闭)。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本实施例的电磁阀高动态控制系统包括预加载电压源1、高电压源2、稳电压源3、负电压源4、零电压源5、高速切换开关6、电流检测器7、电磁阀8、压力传感系统9、控制器10和控制信号11。其中，所述控制器10包含控制信号产生单元，控制信号11由操作者通过控制器内部的控制信号产生单元编程生成，控制信号参与控制器内部运算。控制器10实时获取控制信号产生单元产生的控制信号的占空比、频率、上升沿时刻和下降沿时刻。

高速切换开关内部设有6个接触头，分别为6-1,6-2,6-3,6-4,6-5和6-6，其中6-1至6-5分别与预加载电压源1、高电压源2、稳电压源3、负电压源4和零电压源5相连，6-6与电流检测器相连。控制器10可控制接触头6-6与其余5个触头的连接状态。压力传感系统9与电磁阀8各工作口连接，用于获得电磁阀各工作口的压力状态。控制器10与压力传感系统9连接。控制信号11由操作者输入，代表操作者期望获得的电磁阀启闭状态，为更清晰描述本方案，将控制信号画在控制器的外面(主要用于表示控制信号对控制器的作用关系)，其实该控制信号是由控制器本身生成(控制器内的控制信号生成单元生成)。

该系统在使用前，通过静态测试的方法，获得电磁阀线圈电阻和电感等电气参数。通过静态测试的方法，获得电磁阀在当前工况(当前工况指当前进油口压力PP和控制口压力PA，通过前期测试数据，用软件进行拟合可得电磁阀开启电流IO、电磁阀关闭电流IC与当前工况的函数表达式)开启所需的电流，定义为开启电流；在当前工况关闭所需的电流，定义为关闭电流。

预加载电压源1的电压数值小于电磁阀线圈电阻与开启电流乘积的5-10％，稳电压源3的电压数值大于电磁阀线圈电阻与关闭流乘积的5-10％。预加载电压源1和稳电压源3的具体数值是操作者可以自由设定的。

如图2所示，该系统实现电磁阀高动态特性的方法为：将电磁阀单个工作周期细分为5个阶段，根据时间顺序由前往后分别表示为①-⑤。

在系统启动时，控制器根据当前电流、线圈电阻和电感，计算线圈电流上升至预加载电流所需的时间，该时间的基础上，延长5-10％，即阶段①的持续时间；控制器根据计算结果，在控制信号上升沿到来时之前，提前将6-6与6-1联通，进入阶段①，由于阶段①是经过控制器精确计算的，因此，线圈电流会稳定在一个略小于开启电流的状态。

当控制信号上升沿到来时，此时代表操作者希望电磁阀开启，控制器将6-6与6-2连接，线圈在高电压源的激励下，电流会迅速上升至开启电流，此时，电磁阀阀芯开启移动，进入开启阶段，为了确保开启阶段的动态特性，6-6与6-2继续保持连接，直到持续时间Δt(即本发明高电压激励时间)为该电磁阀在电流状态为0时，采用同样的高压源持续加载直至阀完全开启的时间。采用本发明所选定的持续时间Δt肯定能够确保电磁阀在预加载电流的情况下经该持续时间后完全打开。因为本发明的预加载电流相比于起始电流为0时的情况已经增大了，所以，在0电流时经该时间能完全打开的话，那么在预加载电流的情况下，就肯定可以完全打开。

然后，控制器将6-6与6-3连接，因为稳电压源的数值略大于线圈电阻与关闭流的乘积，因此电流会逐渐下降，并最终稳定在一个略大于关闭电流的状态，以保持电磁阀开启的状态。当控制信号下降沿到来时，此时代表操作者希望电磁阀关闭，控制器将6-6与6-4连接，由于③阶段结束时，电流已经维持在一个略大于关闭电流的数值，因此在负电压的激励下，电流将迅速降低至关闭电流，此时阀芯开始运动，进行复位，因此，关闭阶段的滞后时间较短，负电压继续激励，直至电流降低至0，由于电流为0时，电磁铁不产生电磁力，因此，阀芯所获得的回复力最大，可以最大程度上加快阀芯回复运动，提高关闭阶段动态特性。当电流达到0时，控制器将6-6与6-5连接，线圈电流在0电压的激励下，继续保持0电流状态，直到下一个①阶段到来。①阶段到来的时刻，依然根据下一个控制信号上升沿到来时刻以及电流上升到一个略小于开启电流状态所需的时间，来决定。

该方法，通过预加载电压源1，使电流在开启指令到来前就已经处于一个略小于开启电流的状态，因此当控制信号上升沿(开启指令)到来时，电磁阀采用高电压激励，电流可以在最快的时间内上升至开启电流，从而降低开启滞后时间。并且，当电流达到开启电流后，高电压继续激励，直到连接时间等于该电磁阀在0电流状态下，采用所述的高电压源激励至完全打开所需的时间，从而在电磁阀开启运动过程中，持续增大电磁力，加快开启运动过程。该方法通过稳电压源，使电流在关闭指令到来前就已经处于一个略大于关闭电流的状态，因此当控制信号下降沿(关闭指令)到来时，电磁阀采用负电压激励，电流可以在最快的时间内下降至关闭电流，从而降低关闭滞后时间。并且，当电流达到关闭电流后，负电压继续激励，直到电流降低至0，从而在电磁阀开启运动过程中，持续减小电磁力，增大阀芯回复过程的合力，加快电磁阀关闭运动过程。

由于电磁阀的开启电流和关闭电流受到其各个工作口压力的影响，因此可提前获取被控电磁阀在各个工作口不同压力下的开启电流和关闭电流，并建立数据库，然后控制器通过压力传感系统，获取电磁阀当前的各工作口压力，并根据数据库中资料，获得当前工况下的开启电流和关闭电流，并在该系统工作时，用于实时更新预加载电压源1和稳电压源3的数值。

如图3-4所示，在本发明的一个具体实施例中，设定预加载电压源为15V、高电压源24V、稳电压源10V、负电压源-24V。控制信号启闭时刻分别为5ms和30ms。由于在高速开关阀开启预加载阶段采用15V电压对线圈进行提前激励，如图3所示，因此，线圈电流在开启指令信号到来时，便已经稳定在1.5A。本发明方法优化了开启阶段的初始电流，高速开关阀开启滞后时间缩短至0.6ms。当线圈电流在高速开关阀开启后达到开启触发电流值，控制器按照图2所示的电压切换机制，接通10V的关闭预加载电压对高速开关阀继续进行激励。因此，线圈电流逐渐下降，并稳定在1A左右，为高速开关阀的关闭运动提供了较小的初始电流。当关闭指令信号到来时，控制器切换至-24V的关闭电压进行激励，如图4所示，在负电压的卸荷作用下，电流可以更快速下降到0A电流状态，缩短高速开关阀的关闭滞后过程。

Claims (7)

1.一种电磁阀高动态控制系统，其特征在于包括预加载电压源（1）、高电压源（2）、稳电压源（3）、负电压源（4）、零电压源（5）、高速切换开关（6）、电流检测器（7）、电磁阀（8）、压力传感系统（9）和控制器（10）；

所述高速切换开关（6）具有六个接触头，其中第一接触头（6-1）、第二接触头（6-2）、第三接触头（6-3）、第四接触头（6-4）、第五接触头（6-5）分别与预加载电压源（1）、高电压源（2）、稳电压源（3）、负电压源（4）、零电压源（5）相连；第六接触头（6-6）通过电流检测器（7）与电磁阀线圈相连；所述控制器（10）的输出端口与高速切换开关（6）相连并可控制第六接触头（6-6）与其余接触头的连接状态；压力传感系统（9）与电磁阀（8）各工作口连接用于获得电磁阀各工作口的压力状态；控制器（10）与压力传感系统（9）连接，所述控制器（10）包含控制信号产生单元。

2.根据权利要求1所述的电磁阀高动态控制系统，其特征在于所述的控制信号产生单元产生的控制信号为方波信号，方波信号的占空比即电磁阀目标开启时间和周期时间比。

3.根据权利要求1所述的电磁阀高动态控制系统，其特征在于所述的控制器（10）实时获取控制信号产生单元产生的控制信号的占空比、频率、上升沿时刻和下降沿时刻。

4.一种如权利要求1所述电磁阀高动态控制系统的电磁阀高动态控制方法，其特征在于包括如下步骤：

在控制信号上升沿到来之前，根据预加载阶段的持续时间，控制器提前将第六接触头（6-6）与第一接触头（6-1）连通进入预加载阶段，预加载阶段后线圈电流稳定在一个小于开启电流设定比例的预加载电流状态；

当控制信号上升沿到来时，控制器将第六接触头（6-6）与第二接触头（6-2）连接，线圈在高电压源的激励下，电流迅速上升，由于电流在控制信号上升沿到来前就已经稳定在预加载电流状态，在外加高电压源的激励下，电流将在短时间内上升至开启电流，此时，电磁阀阀芯开启移动，进入开启阶段，控制第二接触头（6-2）和第六接触头（6-6）继续保持连接直到确保电磁阀完全开启；

然后，控制器将第六接触头（6-6）与第三接触头（6-3）连接，电流逐渐下降，并最终稳定在一个大于关闭电流设定比例的维持电流状态，以保持电磁阀开启的状态；

当控制信号下降沿到来时，控制器将第六接触头（6-6）与第四接触头（6-4）连接，在负电压源的激励下，线圈电流迅速降低至关闭电流，此时阀芯开始运动，进行复位，负电压继续激励，直至电流降低至0；

当电流达到0时，控制器将第六接触头（6-6）与第五接触头（6-5）连接，线圈电流在零电压源的激励下，继续保持0电流状态，直到下一个预加载阶段到来。

5.根据权利要求4所述的电磁阀高动态控制方法，其特征在于预加载电压源的电压数值小于电磁阀线圈电阻与开启电流的乘积，稳电压源的电压数值大于电磁阀线圈电阻与关闭电流的乘积。

6.根据权利要求4所述的电磁阀高动态控制方法，其特征在于所述的预加载阶段所需的持续时间的计算过程为：控制器根据当前电磁阀电流、线圈电阻和电感，计算线圈电流上升至预加载电流所需的时间，该时间的基础上，延长设定的时间作为预加载阶段的持续时间。

7.根据权利要求4所述的电磁阀高动态控制方法，其特征在于所述第二接触头（6-2）和第六接触头（6-6）的连接时间等于该电磁阀在0电流状态下，采用所述的高电压源激励至完全打开所需的时间。