本发明专利技术公开一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应PWM控制方法，将阀芯的开启过程定义：阀芯开启滞后阶段，阀芯开启运动阶段以及阀芯最大开口维持阶段，并通过在复合PWM控制信号的基础上增加一个反向电压信号；对反向电压信号的开始激励时间和结束激励时间的设计包括：步骤一、建立电磁式高速开关阀的数学模型；步骤二、通过仿真分析反向电压的开始激励时间和结束激励时间对阀芯软着陆和动态特性的影响规律；步骤三、提出反向电压的开始激励时间和结束激励时间的设计准则，并基于多项式拟合给出了设计公式。本发明专利技术所设计的PWM信号可以在不同供油压力下减小阀芯的振动，并较好地维持阀芯的动态特性，提高其鲁棒性。
An adaptive PWM control method for soft landing of electromagnetic high speed on-off valve
【技术实现步骤摘要】
一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应PWM控制方法
：本专利技术涉及电磁式高速开关阀的驱动控制方法，尤其涉及一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应PWM控制方法。
技术介绍
：高速开关阀作为数字液压系统中的核心控制元件，主要用于控制液压系统的输出流量和压力。电磁式高速开关阀一般采用脉宽调制(PulseWidthModulation,PWM)控制方法，其阀芯仅工作在两种状态下：全开或全关，相对于传统的比例/伺服阀，电磁式高速开关阀具有无泄漏、无死区和抗干扰能力强等优势，在工程机械、发动机燃油调节以及汽车制动等领域得到了一定的应用。目前，为了提高电磁式高速开关阀的切换频率，现有专利一般采用多电压控制策略和基于电流反馈的PWM控制策略，如中国专利CN105805392公开的一种提升高速开关电磁阀响应速度的控制方法和CN108518520A公开的一种电磁式高速开关阀的双电压驱动电路，均是通过在阀芯开启阶段对线圈施加高电压激励来达到阀芯高速开启的目的；中国专利CN105443840A公开的一种电磁阀智能控制系统及其方法和CN105676690A公开的一种基于电压脉宽调制的电磁阀智能控制系统及其方法，均是通过实时监测电流，通过实时理论计算得到开启电压以实现阀芯高速开启的目的。然而，在实现电磁式高速开关阀高速开启的同时，意味着阀芯以较高的速度撞击阀座，这将引起电磁式高速开关阀的强振动和噪声等问题，甚至恶化阀芯与阀座的磨损和疲劳程度，并降低电磁式高速开关阀的使用寿命，因此在满足电磁式高速开关阀响应的需求下，应尽可能减小阀芯与阀座的撞击速度。与硬件电路方法相比，最简单有效的办法是从数字信号产生的机理出发，通过对PWM信号进行改进，以达到兼顾电磁式高速开关阀的高响应和软着陆性能的效果。
技术实现思路
：本专利技术是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应PWM控制方法，该控制方法不仅可以使电磁式高速开关阀在不同供油压力下实现软着陆，还能够较好的维持其动态特性。本专利技术所采用的如下技术方案：本专利技术公开一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应PWM控制方法，方案是：一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应PWM控制方法，电磁式高速开关阀阀芯的开启过程设置三个阶段，包括：阀芯开启滞后阶段，阀芯开启运动阶段以及阀芯最大开口维持阶段；阀芯开启滞后阶段为阀芯在一段时间内处于零开口状态；阀芯开启运动阶段为阀芯从零开口状态运动至刚到达最大开口状态；阀芯最大开口维持阶段为阀芯在一段时间内处于最大开口状态；在复合PWM控制信号的基础上增加一个反向电压信号；所述反向电压信号的开始激励时间(t11)和结束激励时间(t12)的设计包括以下步骤：步骤一、建立电磁式高速开关阀的数学模型；步骤二、通过仿真分析反向电压的开始激励时间(t11)，结束激励时间(t12)以及供油压力分别对阀芯软着陆性能和动态特性的影响规律；步骤三、在上述影响规律的基础上，提出反向电压的开始激励时间(t11)，结束激励时间(t12)的设计准则，基于多项式拟合方法给出了设计公式。所述反向电压信号可以减小电磁力，优化了阀芯在开启运动阶段的受力特性，进而减小阀芯的撞击速度，但同时会影响阀芯的动态特性。所述反向电压信号的开始激励时间(t11)和结束激励时间(t12)决定了阀芯何时开始调节速度、何时结束调节速度，因此反向电压的开始激励时间(t11)和结束激励时间(t12)的设计对于电磁式高速开关阀阀芯的软着陆性能尤为重要。为了分析所述反向电压信号的开始激励时间(t11)和结束激励时间(t12)对电磁式高速开关阀软着陆和动态特性的影响规律，并对其进行优化设计，其实现包括以下步骤：步骤一中、建立电磁式高速开关阀的数学模型，根据基尔霍夫电压定律，线圈的电压平衡方程为式中，U和I分别为驱动电压和线圈电流；L和R分别为等效电感和等效电阻。根据磁路方程可以分别得到NI＝HcLc+HgLg＝HcLeq(10)式中，N为线圈匝数；Hc和Hg分别为磁芯和气隙中的等效磁场强度；Lc和Lg分别为磁芯和气隙中的等效磁路长度；Leq为磁路的等效长度；B为磁芯的磁感应强度；uc为磁芯的绝对磁导率；和ψ分别为磁芯的磁通和磁链；S为衔铁的截面积。其中Leq为Leq＝Lc+ur(δ-xp)(13)式中，ur、δ和xp分别为磁芯的相对磁导率、初始气隙长度和阀芯位移。根据公式(1)～(4)可以得到L为则电磁力为式中，u0和λ分别为空气磁导率和漏磁系数。根据牛顿第二定律，阀芯的动力学方程为式中，mp为阀芯的位移；Bv为阀芯运动的阻尼系数；ps和As分别为电磁式高速开关阀的供油压力和进油口面积。步骤二中、基于步骤一所建立的电磁式高速开关阀数学模型，通过仿真得到以下结论：所述反向电压的开始激励时间(t11)过小，意味着负电压在阀芯距离零开口较近的位置开始激励，此时阀芯总是在正电压的再次激励过程中(t>t12)达到最大开口位置；并且，随着反向电压的结束激励时间(t12)的增加，阀芯与阀座的撞击速度先减小再增加，而阀芯达到最大开口状态的时间逐渐增加。所述反向电压的开始激励时间(t11)过大，意味着负电压在阀芯距离零开口较远的位置开始激励，此时阀芯总是在负电压激励的初始过程中达到最大开口状态，这会导致撞击速度优化效果不明显，但阀芯达到最大开口状态的时间较小；此外，如果反向电压的结束激励时间(t12)偏大，则会导致阀芯反向运动，引起阀的泄漏问题。当所述反向电压的开始激励时间(t11)和结束激励时间(t12)为定值时，供油压力的变化对阀芯的动态特性和软着陆性能均产生显著的影响，因此，反向电压的开始激励时间(t11)和结束激励时间(t12)需要进行优化设计来补偿供油压力的影响，以确保可以同时兼顾阀芯的碰撞速度和开启时间，并且消除阀芯反向运动的隐患。步骤三中、根据步骤二的分析，可知反向电压的开始激励时间(t11)的设计需要兼顾阀芯的软着陆性能和动态特性，反向电压的结束激励时间(t12)的设计需要确保阀芯在达到最大开口位置后，不会出现反向运动趋势，故可以得到t11和t12的设计准则：(1)t11的数值需要优化设计以确保阀芯能够在负电压激励的结束阶段达到最大开口位置；(2)t12的数值需要优化设计以确保阀芯能够在达到最大开口位置后，阀芯受到的合力始终大于0，避免出现反向运动。基于以上两条设计准则，通过仿真得到了不同供油压力下t11和t12最优解集合，并基于多项式曲线拟合方法对最优解进行拟合得到了t11和t12的最优解与供油压力、理想撞击速度的函数关系，如下式所示σ＝[t11-0.16(ps-3)](11)式中，vimpact为阀芯与阀座的理想撞击速度。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提出的一种用于本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应PWM控制方法，其特征在于：电磁式高速开关阀阀芯的开启过程设置三个阶段，包括：阀芯开启滞后阶段，阀芯开启运动阶段以及阀芯最大开口维持阶段；阀芯开启滞后阶段为阀芯在一段时间内处于零开口状态；阀芯开启运动阶段为阀芯从零开口状态运动至刚到达最大开口状态；阀芯最大开口维持阶段为阀芯在一段时间内处于最大开口状态；/n在复合PWM控制信号的基础上增加一个反向电压信号；/n所述反向电压信号的开始激励时间(t
【技术特征摘要】
1.一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应PWM控制方法，其特征在于：电磁式高速开关阀阀芯的开启过程设置三个阶段，包括：阀芯开启滞后阶段，阀芯开启运动阶段以及阀芯最大开口维持阶段；阀芯开启滞后阶段为阀芯在一段时间内处于零开口状态；阀芯开启运动阶段为阀芯从零开口状态运动至刚到达最大开口状态；阀芯最大开口维持阶段为阀芯在一段时间内处于最大开口状态；
在复合PWM控制信号的基础上增加一个反向电压信号；
所述反向电压信号的开始激励时间(t11)和结束激励时间(t12)的设计包括以下步骤：
步骤一、建立电磁式高速开关阀的数学模型；
步骤二、通过仿真分析反向电压的开始激励时间(t11)，结束激励时间(t12)以及供油压力分别对阀芯软着陆性能和动态特性的影响规律；
步骤三、在上述影响规律的基础上，提出反向电压的开始激励时间(t11)，结束激励时间(t12)的设计准则，基于多项式拟合方法给出了设计公式。
2.根据权利要求1所述的用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应PWM控制方法，其特征在于，步骤一中，电磁式高速开关阀数学模型的构建包括以下步骤：
根据基尔霍夫电压定律，线圈的电压平衡方程为
式中，U和I分别为驱动电压和线圈电流；L和R分别为等效电感和等效电阻；
根据磁路方程可以分别得到
NI＝HcLc+HgLg＝HcLeq(2)
式中，N为线圈匝数；Hc和Hg分别为磁芯和气隙中的等效磁场强度；Lc和Lg分别为磁芯和气隙中的等效磁路长度；Leq为磁路的等效长度；B为磁芯的磁感应强度；uc为磁芯的绝对磁导率；和ψ分别为磁芯的磁通和磁链；S为衔铁的截面积；
其中Leq为
Leq＝Lc+ur(δ-xp)(5)
式中，ur、δ和xp分别为磁芯的相对磁导率、初始气隙长度和阀芯位移；
根据公式(1)～(4)可以得到L为
则电磁力为
式中，u0和λ分别为空气磁导率和漏磁系数；
根据牛顿第二定律，阀芯的动力学方程为
式中，mp为阀芯的位移；Bv为阀芯运动的阻尼系数；ps和As分别为电磁式高速开关阀的供油压力和进油口面积。
3.根据权利要求1所...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱玉川，高强，江裕雷，吴昌文，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，南京航启电液控制设备有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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