一种基于电压脉宽调制技术的电磁阀高动态高频响控制方法技术

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高频响控制方法。本发明专利技术将电磁阀单个工作周期划分预加载激励阶段、预加载维持阶段、开启阶段、反向激励阶段、开启维持阶段、关闭阶段、关闭维持阶段。本发明专利技术采用单电压源，在预加载阶段先采用经占空比为100％的高频方波信号调制后的电压源激励，电流上升速率更大，电流将更快的上升至预加载电流状态，使预加载激励阶段耗时更短；而后使电流维持在预加载电流状态。本方法在反向激励阶段采用经占空比为‑100％的高频方波信号调制后的电压源激励，快速将电流降低至维持电流；本发明专利技术不仅降低了工作周期内的平均电流大小，降低了电磁能耗，还使得电磁阀可以适应更好的启闭工况。

【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高频响控制方法
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高频响控制方法。
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，专利[CN201610015304.4]中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，这会产生一个问题：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，该方法会导致电磁阀阀芯处在运动状态时切换电压源，从而降低电磁阀开启和关闭时的动态特性。具体为在电磁阀开启阶段，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，此时就切换电压源，会降低开启阶段的动态特性。在电磁阀的关闭阶段，会出现电流已经降低到关闭电流以下，而电磁铁阀芯还处在缓慢回复的关闭运动状态中，此时若将反向电压源切换成零电压源，则会降低其关闭阶段的动态特性。且多电压源的控制方式容易在电源切换时造成短路等重大事故。
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高频响控制方法。本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高频响控制方法，所述电磁阀的线圈通过电流检测器与电压源相连，电压源与占空比控制器相连，占空比控制器与控制器相连，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；所述控制方法包括如下步骤：预加载激励阶段：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，预加载激励阶段后线圈电流刚好达到预加载电流，预加载电流值略小于开启电流；预加载维持阶段：控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为α的高频方波信号给电压源，电压源开始输出占空比为α的电压方波，其中0<α<1，在此维持电压的作用下，线圈电流一直围绕在预加载电流值做高频小幅波动，即到达预加载电流状态；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幅波动，在占空比为100％的电压方波的激励下，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；反向激励阶段：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，控制器根据当前线圈参数、线圈电流算出在经占空比为-100％的高频方波信号调制后的电压源作用下，线圈电流从开启阶段的开启电流下降到维持电流所需的时间，该时间作为反向激励阶段的持续时间；在该电压源的作用下，线圈电流快速下降，至维持电流；所述的维持电流大于关闭电流设定比例；开启维持阶段：电流下降到维持电流后，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的电压方波，其中0<β<1，并最终围绕在维持电流数值上做高频小幅波动，维持电流略大于关闭电流，以保持电磁阀开启状态；关闭阶段：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，在占空比为-100％的电压方波的激励下，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；关闭维持阶段：控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为0的高频方波信号给电压源，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，所述预加载维持阶段中，电压源输出的占空比为α的高频电压方波信号，经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。作为本专利技术的优选方案，占空比为β的高频电压方波信号经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。作为本专利技术的优选方案，所述开启阶段的持续时间等于该电磁阀在0电流状态下，采用经占空比为100％的高频电压方波信号调制后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，所述的预加载激励阶段所需的持续时间的计算过程为：控制器根据当前驱动电压、电磁阀电流、线感电阻和电感，计算线圈当前电流上升至预加载电流所需的时间，作为预加载激励阶段的持续时间。作为本专利技术的优选方案，所述的预加载维持阶段所需的持续时间为1～2ms。作为本专利技术的优选方案，所述的控制器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，控制信号的上升沿表示操作者希望电磁阀开启，控制信号高电位表示操作者希望电磁阀处于开启状态，控制信号下降沿表示操作者希望电磁阀关闭，控制信号低电位表示操作者希望电磁阀处于关闭状态；所述的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。作为本专利技术的优选方案，所述的占空比控制器与电压源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。本专利技术的有益效果是：(1)所述预加载阶段(包括预加载激励阶段和预加载维持阶段)，采用两段经不同占空比调制后的电压激励，即先用占空比为100％的高频方波信号调制后的电压激励，使线圈电流快速达到预加载电流状态。再用经占空比为α的高频方波信号调制后的电压维持，使电流维持在预加载电流状态。传统多电压源控制技术用于实现预加载电流的功能，通常采用单个电压进行预加载激励，由于预加载电流是一个相对固定的值，结合当前的电阻情况，其对应的预加载电压也是相对固定的，其大小等于预加载电流与电阻的本文档来自技高网...

【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高频响控制方法，其特征在于：所述电磁阀(4)的线圈通过电流检测器(3)与电压源(2)相连，电压源(2)与占空比控制器(1)相连，占空比控制器(1)与控制器相连，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所述控制方法包括如下步骤：/n预加载激励阶段：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，在该等效电压的激励下，电流快速上升，直到电流达到设定的预加载电流，此时预加载激励阶段结束。预加载电流略小于开启电流；/n预加载维持阶段：控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为α的高频方波信号给电压源，电压源开始输出占空比为α的电压方波，其中0<α<1，在此维持电压的作用下，线圈电流一直围绕在预加载电流数值上做高频小幅波动，即达到预加载电流状态；/n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幅波动，在占空比为100％的电压方波的激励下，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；/n反向激励阶段：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，控制器根据当前线圈参数、线圈电流算出在经占空比为-100％的高频方波信号调制后的电压源作用下，线圈电流从开启阶段的开启电流下降到维持电流所需的时间，该时间作为反向激励阶段的持续时间；在该电压源的作用下，线圈电流快速下降至维持电流，所述的维持电流大于关闭电流设定比例；/n开启维持阶段：电流下降到维持电流后，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的电压方波，其中0<β<1，电流围绕在维持电流数值上做高频小幅波动，维持电流略大于关闭电流，以保持电磁阀开启状态；/n关闭阶段：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，在占空比为-100％的电压方波的激励下，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；/n关闭维持阶段：控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为0的高频方波信号给电压源，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。/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高频响控制方法，其特征在于：所述电磁阀(4)的线圈通过电流检测器(3)与电压源(2)相连，电压源(2)与占空比控制器(1)相连，占空比控制器(1)与控制器相连，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；
所述控制方法包括如下步骤：
预加载激励阶段：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，在该等效电压的激励下，电流快速上升，直到电流达到设定的预加载电流，此时预加载激励阶段结束。预加载电流略小于开启电流；
预加载维持阶段：控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为α的高频方波信号给电压源，电压源开始输出占空比为α的电压方波，其中0<α<1，在此维持电压的作用下，线圈电流一直围绕在预加载电流数值上做高频小幅波动，即达到预加载电流状态；
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幅波动，在占空比为100％的电压方波的激励下，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；
反向激励阶段：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，控制器根据当前线圈参数、线圈电流算出在经占空比为-100％的高频方波信号调制后的电压源作用下，线圈电流从开启阶段的开启电流下降到维持电流所需的时间，该时间作为反向激励阶段的持续时间；在该电压源的作用下，线圈电流快速下降至维持电流，所述的维持电流大于关闭电流设定比例；
开启维持阶段：电流下降到维持电流后，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的电压方波，其中0<β<1，电流围绕在维持电流数值上做高频小幅波动，维持电流略大于关闭电流，以保持电磁阀开启状态；
关闭阶段：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-10...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟麒，汪谢乐，何贤剑，王军，孙造诣，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