一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统及其方法。系统包括占空比控制器、电压源、电流检测器、电磁阀、压力传感系统、控制器；通过在电磁阀预期开始时刻前，使线圈电流保持在一个略小于开启电流的状态，在电磁阀预期关闭时刻前，保持在一个略大于关闭电流的状态，大幅降低了启闭滞后时间。在开启阶段，使电流快速上升，减小了开启阶段的运动时间；在关闭阶段，使电流快速下降到0，减小了关闭阶段的运动时间。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统及方法
本专利技术涉及电磁阀控制领域，具体涉及一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统及方法。
技术介绍
在电磁阀中，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。已有技术中高频电磁阀领域采用多电压源方式以达到高频控制功能，即采用高电压源作为激励电压，使电磁阀在短时间内开启；稳压电源提供维持电压，使电流保持在一个略大于关闭电流的值；负电压源提供一个较大的反向电压，使电流在短时间下降至关闭电流。三段式电压方法使电磁阀工作频率加快。然而，该控制方法存在着一些不足。首先，多电压源使得系统的工况变得复杂，会产生较大误差。其次，该控制方法中各段电压的切换时间是根据系统电路中实际电流数值与理论电流数值的大小关系而确定的，并未考虑电磁阀阀芯的工作行程。而在高速电磁阀中，由于电磁阀的动态特性较弱，电磁铁的电流动态特性较好，该方法可能会导致电磁阀阀芯还未到达预期的工作行程而电压源提前切换。
技术实现思路
为了解决上述难点，本专利技术提出了一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统及方法。本专利技术首先公开了一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统，包括占空比控制器、电压源、电流检测器、电磁阀、压力传感系统、控制器；压力传感系统与电磁阀各工作口连接实时获取电磁阀各工作口的压力状态；控制器与压力传感系统相连实时获取压力传感系统中的数据，控制器可根据获取的所述数据计算出当前状态下的系统开启电流和关闭电流，所述控制器包括控制信号产生单元，控制器产生控制信号；所述控制器与占空比控制器相连，占空比控制器与电压源相连，占空比控制器可输出高频方波信号(频率大于10kHz)给电压源，电压源接收到来自占空比控制器的高频方波信号后，将该高频方波信号进行放大，并输出高频电压方波(具体的放大规则为：经电压源放大后的高频方波信号频率不变，幅值变为与电压源相等)；电压源通过电流检测器与电磁阀的线圈相连。作为本专利技术的优选方案，所述电压源输出高频的电压方波信号，其对电磁铁的激励作用可以等效成一个模拟电压，通过调节其电压方波信号的占空比来调节其输出的等效电压的值。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。本专利技术还公开了一种所述系统的基于电压脉宽调制的电磁阀高动态控制方法，其包括如下步骤：在控制信号上升沿到来之前，根据预加载阶段的持续时间，控制器提前触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为α的高频方波信号给电压源，电压源输出占空比为α的高频电压方波，其中0<α<1，预加载阶段后线圈电流围绕在一个略小于开启电流的数值上，做高频小幅的波动；当控制信号上升沿到来时，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为100％的高频方波信号给电压源，电压源输出占空比为100％的电压方笔，线圈在电压源的激励下，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，继续维持电压源的激励直至确保电磁阀完全开始；然后，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为β的高频方波信号给电压源，电压源开始输出占空比为β的高频电压方波，其中0<β<1，电流逐渐下降，并最终围绕在一个略大于关闭电流的数值上做高频小幅的波动，以保持电磁阀开启状态；当控制信号下降沿到来时，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为-100％的信号给电压源，在电压源的激励下，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，电压源继续激励，直至电流降至0；控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为0的方波信号给电压源，电压源开始输出占空比为0的电压方波，即不供电；直到下一个预加载阶段到来。作为本专利技术的优选方案，所述预加载阶段中，经占空比为α的电压方波信号调制后的等效电压数值小于电磁阀线圈电阻与开启电流的乘积，在本专利技术的优选方案中，小于电磁阀线圈电阻与开启电流乘积的5％-10％。经占空比为β的电压方波信号调制后的等效电压数值大于电磁阀线圈电阻与关闭电流的乘积。在本专利技术的优选方案中，大于电磁阀线圈电阻与关闭电流乘积的5％-10％。作为本专利技术的优选方案，所述开始阶段的持续时间等于该电磁阀在0电流状态下，采用所述的电压源激励电磁阀至完成行程所需时间，以确保电磁阀完全开始。作为本专利技术的优选方案，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，计算线圈电流在采用占空比为α的高频电压方波所对应的等效电压进行激励时，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。本专利技术的有益效果是：1)压力传感器可以实时检测电磁阀进油口和工作口的油压，并反馈给控制器，控制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的压力值进行智能调节，使电磁阀具有工况的自适应能力；3)通过在电磁阀预期启闭时刻前，提前加载相应的电压，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)本专利技术中经占空比为100％的高频方波信号调制后的电压源等于该电磁阀在0电流状态下，采用所述的电压源激励至电磁阀完成行程的所需时间；此方法的优势在于：可以保证电磁阀阀芯完成预期工作行程，并可以进一步提高开启阶段的动态特性。其原因是本专利技术采用了预加载的方法，从而使电磁阀完成行程所需时间小于一般情况下电磁阀完成行程的所需时间。且会存在一种情况，具体为：电磁阀动态特性较慢，而电磁铁的电流动态特性较好，如此一来，便会出现电流快速上升到了开启电流，而电磁铁却还在运动，即未完全开启的问题，如果此时占空比控制器就输出占空比为β的方波信号给电压源，就会降低开启阶段的动态特性，缩短开启阶段耗时。因此，本方案将高电压持续时间设置该电磁阀在0电流状态下，采用所述的经占空比为100％的高频方波信号调制后的电压源激励至电磁阀完成行程的所需时间，如此一来，便可确保在整个电压激励的阶段，电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统，其特征在于包括占空比控制器(1)、电压源(2)、电流检测器(3)、电磁阀(4)、压力传感系统(5)、控制器(6)；/n压力传感系统(5)与电磁阀(4)各工作口连接实时获取电磁阀各工作口的压力状态；控制器(6)与压力传感系统(5)相连实时获取压力传感系统(5)中的数据，控制器(6)可根据所述数据计算出当前状态下的系统开启电流和关闭电流，所述控制器包括控制信号产生单元，控制信号产生单元产生控制信号；/n所述控制器与占空比控制器(1)相连，占空比控制器(1)与电压源(2)相连并可输出高频方波信号给电压源，电压源根据接收到的高频方波信号，将高频方波信号进行放大，放大后的高频方波信号频率和占空比不变，幅值变为与电压源相等；电压源(2)通过电流检测器(3)与电磁阀(4)的线圈相连。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统，其特征在于包括占空比控制器(1)、电压源(2)、电流检测器(3)、电磁阀(4)、压力传感系统(5)、控制器(6)；
压力传感系统(5)与电磁阀(4)各工作口连接实时获取电磁阀各工作口的压力状态；控制器(6)与压力传感系统(5)相连实时获取压力传感系统(5)中的数据，控制器(6)可根据所述数据计算出当前状态下的系统开启电流和关闭电流，所述控制器包括控制信号产生单元，控制信号产生单元产生控制信号；
所述控制器与占空比控制器(1)相连，占空比控制器(1)与电压源(2)相连并可输出高频方波信号给电压源，电压源根据接收到的高频方波信号，将高频方波信号进行放大，放大后的高频方波信号频率和占空比不变，幅值变为与电压源相等；电压源(2)通过电流检测器(3)与电磁阀(4)的线圈相连。


2.根据权利要求1所述的基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统，其特征在于所述的控制器产生的控制信号为方波信号，控制信号的占空比即电磁阀目标开启时间和周期时间比，控制信号高电位即电磁阀目标开启状态，控制信号低电位即电磁阀目标关闭状态。


3.根据权利要求1所述的基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制系统，其特征在于所述的控制器(6)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所述系统的基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态控制方法，其特征在于包括如下步骤：
预加载阶段：在控制信号上升沿到来之前，根据预加载阶段的持续时间，控制器提前触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为α的高频方波信号给电压源，电压源输出占空比为α的电压方波，其中0<α<1，预加载阶段后线圈电流在一个小于开启电流设定比例的预加载电流数值上小幅波动；
开启阶段：当控制信号上升沿到来时，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为100％的高频方波信号给电压源，电压源输出占空比为100％的电压方波，线圈在占空比为100％的电压方波的激励下，电流迅速上升，由于电流在控制信号上升沿到来前就已经在预加载电流数值上小...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟麒，孙造诣，王军，何贤剑，汪谢乐，李研彪，陈波，孙鹏，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33