一种电磁阀高动态高频响控制系统及其方法
阅读说明：本技术 一种电磁阀高动态高频响控制系统及其方法 (High-dynamic high-frequency-response control system and method for electromagnetic valve ) 是由 钟麒 孙造诣 何贤剑 王军 汪谢乐 李研彪 陈波 孙鹏 于 2020-01-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电磁阀高动态高频响控制系统及其方法。系统包括预加载高电压源、预加载稳电压源、高电压源、反向电压源、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,提前加载预加载高电压源,并通过预加载稳电压源使线圈电流保持在一个略小于开启电流的状态。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；在维持阶段前采用了反向电压源激励,能更快的将线圈电流从开启电流下降到维持电流；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。(The invention discloses a high dynamic high frequency response control system and method for an electromagnetic valve. The system comprises a pre-loading high-voltage source, a pre-loading voltage stabilizing source, a high-voltage source, a reverse voltage source, a voltage stabilizing source, a negative voltage source, a zero-voltage source, a high-speed change-over switch, a current detector, an electromagnetic valve, a pressure sensing system and a controller; the pre-loading high-voltage source is loaded in advance before the expected opening and closing time of the electromagnetic valve, and the coil current is kept in a state slightly smaller than the opening current through the pre-loading voltage stabilizing source. In the starting stage, a high-voltage source is adopted for excitation, so that the current rises rapidly, and the movement time in the starting stage is reduced; a reverse voltage source is adopted for excitation before a maintenance stage, so that the current of the coil can be reduced from starting current to maintaining current more quickly; in the closing stage, the current is rapidly reduced to 0 by adopting the excitation of a negative voltage source, and the movement time of the closing stage is reduced.)
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高频响控制系统及其方法。
背景技术
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。
目前大多数液压电磁阀采用单电压控制方式，即电磁阀接通电源后，驱动电压使电路中电流增大，同时由电流产生的电磁力也随之增大，当电磁力增大至足以克服电磁铁工作阻力时，电磁阀开启；驱动电压关闭后，电路中电流下降，同时电磁力随之下降，当电磁力下降至不足以克服电磁阀工作阻力时，电磁阀开始复位。
然而，该方法并不适用于对电磁阀动态响应有较高要求的场合。由于电磁铁和线圈具有电感效应，在阀开启和关闭时刻都会产生一定的滞后。若采用较小的驱动电压，在开启阶段电流上升速度慢，会造成较长的开启滞后时间；若采用较大的驱动电压，关闭时由于初始电流大，会造成较长的关闭滞后时间。因此单电压源控制方式无法同时缩短开启和关闭时的电磁阀滞后时间。
已有技术中高频电磁阀领域采用3电压源控制方式，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，使电流在短时间内下降至关闭电流。达到同时缩短开启和关闭时电磁阀滞后时间的效果。
然而，已有3电压源控制(专利[CN201610015304.4])方式仅将一个周期划分为了四个阶段，达到缩短周期时间，提高电磁阀工作频率的效果，但是并未对每个阶段进行更深一步的优化。在电磁阀的开启、维持、关闭阶段均可采取一定的措施，使对每个阶段的耗时缩短，这可大幅提高高频电磁阀的工作频率。
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高频响控制系统及其方法。
本发明首先公开了一种电磁阀高动态高频响控制系统，其包括预加载高电压源、预加载稳电压源、高电压源、反向电压源、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；
所述高速切换开关含有八个接触头，其中第一接触头与预加载高电压源相连，第二接触头与预加载稳电压源相连，第三接触头与高电压源相连，第四接触头与反向电压源相连，第五接触头与稳电压源相连，第六接触头与负电压源相连，第七接触头与零电压源相连，第八接触头与电流检测器相连；电流检测器与电磁阀的线圈相连，压力传感系统与电磁阀相连实时获得电磁阀各工作口的压力状态；控制器与压力传感系统相连，所述控制器包含控制信号产生单元；所述控制器的输出端口与高速切换开关相连并可控制第八接触头与其余7个接触头的接触状态。
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。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。
作为本发明的优选方案，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。
本发明还公开了一种所述系统的控制方法，其包括如下步骤：
控制器产生控制信号，在控制信号上升沿到来之前，控制器根据当前线圈电流状态和线圈的参数计算出采用预加载激励电压将线圈电流提高至预加载电流所需的时间，并将该时间作为预加载激励阶段的持续时间；根据预加载激励阶段的持续时间，控制器提前将第八接触头与第一接触头连通进入预加载激励阶段；在预加载高电压源的作用下，线圈电流达到预加载电流值；
达到预加载电流值后，控制器控制第八接触头与第二接触头连通进入预加载维持阶段，在预加载稳电压源作用下，电流一直维持在预加载电流状态；
控制信号上升沿到来时，控制器控制第八接触头与第三接触头连通进入开启阶段，线圈在高电压源的激励下，电流迅速上升，随后阀芯开始移动，电磁阀进入开启阶段；高电压源继续维持直至确保电磁阀完全打开；
然后控制器控制第八接触头与第四接触头连通进入反向激励阶段；控制器根据线圈参数、当前线圈电流算出在反向电压源作用下，线圈电流从开启阶段结束后的开启电流下降到维持电流所需的时间，该时间为反向激励阶段的持续时间；在反向电压源的作用下，线圈电流快速下降，电流降低至一个大于关闭电流设定比例的维持电流状态，以保持电磁阀开启状态；
之后控制器控制第八接触头与第五接触头连通进入维持阶段，在稳电压源的作用下，线圈电流一直稳定在维持电流状态，以保持电磁阀开启状态；
控制信号下降沿到来时，控制器控制第八接触头与第六接触头连通进入关闭阶段，在负电压源的作用下，电流迅速下降至关闭电流，此时电磁阀开始关闭，负电压源继续激励，直至电流降低至0；
控制器控制第八接触头与第七接触头连通进入关闭维持阶段，在零电压源的作用下，线圈中一直保持零电流状态，直至下一个周期的到来。
作为本发明的优选方案，所述预加载高电压源电压与所述高电压源电压相等，预加载电流小于开启电流设定比例。
作为本发明的优选方案，所述预加载稳电压源的大小等于预加载开启电流和线圈电阻的乘积。
作为本发明的优选方案，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。
作为本发明的优选方案，所述反向电压源的数值大小与高电压源相同，电流方向相反。
作为本发明的优选方案，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，作为预加载激励阶段的持续时间。
作为本发明的优选方案，所述预加载维持阶段的持续时间为1～2ms；
作为本发明的优选方案，所述开启阶段的持续时间等于该电磁阀在0电流状态下，采用所述的高电压源激励至电磁阀完全打开的所需时间。
本发明具有的有益效果是：
(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)，采用两段电压源激励，即先用预加载高电压源激励，使线圈电流快速上升至预加载电流值。再用预加载稳电压源维持，使电流维持在预加载电流状态。传统方法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乘积。传统方法中预加载电压相对于本发明中的预加载激励电压，其数值较小，因此电流在该预加载电压的作用下增长速率较慢，导致电流增长至预加载电流所需的时间较长，整个预加载过程延长。因此，对于一些高频开关的场合，采用单电压源进行预加载的方法往往无法达到更高频率启闭的要求。而且，随着工作占空比的变化，当开启占空比较大时，留给开启预加载阶段的时间就会减少，当时间减少到无法使电流上升至预加载电流时，预加载阶段的作用就会进一步减弱。因此，采用单电压进行预加载的方法存在诸多局限性。本发明的方法与预加载阶段只使用一段电压源的控制方式相比，由于采用高电压源激励，电流上升速率更大，电流将更快的上升至预加载电流状态，使预加载阶段耗时更短。适用于一些开关频率更高的场合。
(2)由于预加载阶段结束后线圈电流已经维持在稍小于电磁阀开启电流的状态，在开启阶段中只需很短的时间就能达到开启电流，随即电磁阀开启，使电磁阀开启阶段的动态特性更佳，电磁阀开启时的滞后时间缩短。
(3)所述反向激励阶段采用了反向电压源激励，能更快的将线圈电流从开启阶段结束后的开启电流下降到维持电流，这大大缩短了已有技术中稳电压源的作用时间。现有技术均采用稳电压源进行激励，使电流最终稳定在一个略大于关闭电流的状态，但采用稳电压源直接进行激励，电流下降至维持电流所需的时间长。如果控制信号频率较高，有可能出现电流还未降低至维持电流，而控制信号下降沿就已经到来的情况，这样的情况将不利于电磁阀动态特性的进一步优化。而本发明，将反向激励阶段采用反向电压，维持阶段采用维持电压的方法，可以利用反向电压的卸荷特性，快速将电流降低至维持电流，然后通过维持阶段的维持电压，使电流一直保持在维持电流的状态。本发明相比较现有技术，在高电压激励结束后(即认为电磁阀已经完全开启)，便立刻接入反向电压，使电流快速降低至维持电流，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。
(4)本专利中将开启阶段的持续时间做如下规定，即该电磁阀在0电流状态下，采用所述的高电压源激励电磁阀至完成行程所需时间。
一般情况下，电磁阀动态特性较弱，而其电磁线圈的电流动态特性较好。在已有技术中，如专利[CN201610015304.4]中，将电流增大至开启电流后立即将高电压源切换至较低的稳电压源，这会导致由于电磁阀动态特性较弱，而其电磁线圈的电流动态特性较好，因此当线圈电流达到开启电流时，阀仍处于开启运动状态，未完成行程。此时立即将高电压源切换成稳电压源，便会降低电磁阀开启阶段的驱动力，会降低电磁阀开启阶段的动态特性。而本专利中将阶段3的持续时间做如下规定，即该电磁阀在0电流状态下，采用所述的高电压源激励电磁阀至完成行程所需时间。因为，如果在0电流状态下，改用该高电压进行激励，都能够使阀完全开启，那么，在已经具备一定预加载电流的情况下，相同的激励时间则肯定可以使阀完全开启(在这段时间内持续采用高电压激励，能够最大程度上确保其开启阶段的动态特性)。
(5)在现有技术中，如专利[CN201610015304.4]中，在电磁阀的关闭阶段，采用负电压将电流降低至关闭电流后便立即切换至零电压。该方法的不足之处在于，当部分开关阀动态特性较弱，而其电磁线圈的电流动态特性较好时，当电流下降到了关闭电流，阀处于关闭运动状态，此时就将负电压切换成零电压，便会降低电磁阀关闭阶段的驱动力，由此会降低阀在关闭阶段的动态特性。而本发明关闭阶段中采用负电压源激励将电流直接降低至0，因为0电流时产生的电磁力最少，使关闭过程中的驱动力一直保持在最大值，阀关闭的最快。
(6)多电压源控制方式使得一个周期内，电压处于高位的时间大大缩短，可最大程度的降低线圈发热，延长设备寿命。
附图说明
图1为本发明7电压源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为单电压驱动的电磁阀的启闭特性；
图4为本发明系统和方法驱动的电磁阀的启闭特性；
图5为不包含反向电压源的比较例的电磁阀的启闭特性。
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，本实施例的系统包括预加载高电压源(1)、预加载稳电压源(2)、高电压源(3)、反向电压源(4)、稳电压源(5)、负电压源(6)、零电压源(7)、高速切换开关(8)、电流检测器(9)、电磁阀(10)、压力传感系统(11)和控制器(12)；
其中，所述控制器12包含控制信号产生单元，控制信号13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11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。
所述高速切换开关(8)含有八个接触头，其中第一接触头(8-1)与预加载高电压源(1)相连，第二接触头(8-2)与预加载稳电压源(2)相连，第三接触头(8-3)与高电压源(3)相连，第四接触头(8-4)与反向电压源(4)相连，第五接触头(8-5)与稳电压源(5)相连，第六接触头(8-6)与负电压源(6)相连，第七接触头(8-7)与零电压源(7)相连，第八接触头(8-8)与电流检测器(9)相连；电流检测器(9)与电磁阀(10)的线圈相连，压力传感系统(11)与电磁阀相连实时获得电磁阀各工作口的压力状态；控制器(12)与压力传感系统相连，所述控制器(12)包含控制信号产生单元；所述控制器(12)的输出端口与高速切换开关相连并可控制第八接触头(8-8)与其余7个接触头的接触状态。
控制器实时获得压力传感系统中的数据，从而计算出当前状态下的系统开启电流和关闭电流。控制器产生控制信号，即该控制信号由控制器本身产生，参与控制器内部计算和数字触发等运算。为方便阐述，图1中将控制信号画在控制器外面。该控制信号为频率和占空比均可调的方波。由于该控制信号为控制器本身产生，因此，控制器也能获知不同状态下的控制信号的占空比、频率、上升沿时刻和下降沿时刻，得知下一个周期的控制信号上升沿何时到来。
将电磁阀单个工作周期划分为7个阶段，如图2所示，分别用1-7的***数字表示。其中1代表预加载激励阶段，2代表预加载维持阶段，3代表开启阶段，4代表反向激励阶段，5代表维持阶段，6代表关闭阶段，7代表关闭维持阶段。阶段2结束时刻与控制信号上升沿时刻重合，阶段5结束时刻与控制信号下降沿重合。
控制器产生控制信号，在控制信号上升沿到来之前，控制器根据当前线圈电流状态和线圈的参数算出采用预加载激励电压将线圈电流提高至预加载电流所需的时间，并将该时间作为预加载激励阶段的持续时间。根据预加载激励阶段的持续时间，控制器提前将第八接触头与第一接触头连通进入阶段1。在预加载高电压源的作用下，线圈电流将很快达到预加载电流值。所述预加载高电压源(1)电压与所述高电压源(3)电压相等。预加载电流稍小于开启电流。
因为阶段1的持续时间是控制器根据当前线圈的电器参数计算得到的，因此，当阶段1的持续时间结束时，电流大小正好达到预加载开启电流。此时，阶段1的持续时间结束，控制器控制第八接触头与第二接触头连通进入阶段2，在预加载稳电压源作用下，电流一直维持在阶段1结束后所到达的预加载电流状态。所述预加载稳电压源的电压大小等于预加载开启电流和线圈电阻的乘积。
阶段2结束后，即控制信号上升沿到来时，控制器控制第八接触头与第三接触头连通进入阶段3，线圈在高电压源的激励下，电流迅速上升，由于在预加载阶段电流已经稳定在略低于开启电流的预加载电流状态，阶段3中电流将在很短时间内上升到开启电流，随后阀芯开始移动，电磁阀进入打开阶段。高电压源继续维持，维持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电磁阀至完成行程所需时间；
阶段3结束后，控制器控制第八接触头与第四接触头连通进入阶段4，控制器根据当前线圈参数、线圈电流算出在反向电压源作用下，线圈电流从阶段3结束后的开启电流下降到维持电流(维持电流略大于关闭电流)所需的时间，该时间就是阶段4的持续时间。
在反向电压源的作用下，线圈电流快速下降，并在阶段4结束时，使电流降低至维持电流状态，以保持电磁阀开启状态；
阶段4结束后，控制器控制第八接触头与第五接触头连通进入阶段5，因为阶段4的持续时间是控制器根据当前线圈的电器参数计算得到的，因此，当阶段4的持续时间结束时，电流大小正好达到维持电流。在稳电压源的作用下，线圈电流一直稳定在阶段4结束后的电流状态，以确保电磁阀继续处于关闭状态；(稳电压源的大小等于维持电流和电阻的乘积)
阶段5结束后，即控制信号下降沿到来时刻，控制器控制第八接触头与第六接触头连通进入阶段6，在负电压源的作用下，电流迅速下降至关闭电流，此时电磁阀开始关闭，负电压源继续激励，直至电流降低至0，此时阶段6结束；
阶段6结束后，控制器控制第八接触头与第七接触头连通进入阶段7，在零电压源的作用下，线圈中一直保持零电流状态，直至下一个周期的阶段1到来，系统重复上述过程；
所述方案中预加载稳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，一般小于电磁阀线圈电阻与开启电流的乘积的5％～10％，即采用预加载稳电压源进行激励，当电流稳定时，电流大小小于开启电流的5％-10％，此时的电流大小即预加载电流；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，一般大于电磁阀线圈电阻与关闭电流的乘积的5％～10％，即采用稳电压源进行激励，当电流稳定时，电流大小大于关闭电流的5％-10％，此时的电流大小即维持电流。
所述方案中的预加载激励阶段(阶段1)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，作为阶段1的持续时间；
所述方案中的预加载维持阶段(阶段2)所需的持续时间为：通常情况下持续时间为1～2ms,可根据不同工况适当增减；
所述方案中的开启阶段(阶段3)所需的持续时间的计算过程为：高电压持续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电磁阀完成行程的所需时间，即作为阶段3的持续时间；阶段3开始时刻为控制信号上升沿到来时刻。根据控制信号上升沿到来时刻，以及阶段1和阶段2持续的时长，控制器自动计算出阶段1和阶段2开始和结束的时刻。
所述方案中的反向激励阶段(阶段4)所需的持续时间的计算过程为：阶段3结束后的线圈电流在反向电压源的激励下下降至维持电流所需要的时间。
所述方案中的维持阶段(阶段5)所需的持续时间的计算过程为：阶段4结束时刻至该控制信号下降沿到来时刻所持续的时间。
所述方案中的关闭阶段(阶段6)所需的持续时间的计算过程为：阶段5结束后的维持电流在负电压源激励下下降至0电流所需要的时间。
所述方案中的关闭维持阶段(阶段7)所需的持续时间的计算过程为：阶段6结束时刻至下一个阶段1开始时刻所持续的时间。
如图3所示，为采用24V单电压驱动的电磁阀的启闭特性示意图，从图中可见，经测试，该电磁阀的开启滞后3ms，开启运动2ms，关闭滞后6.8ms，关闭运动6.1ms。
如图4所示为本发明系统和方法控制的电磁阀的启闭特性示意图，在本实施例中，预加载高电压源(1)、预加载稳电压源(2)、高电压源(3)、反向电压源(4)、稳电压源(5)、负电压源(6)、零电压源(7)的电压分别为24V，8V，24V，-24V，5V，-24V，0V；经测试得到开启滞后0.2ms，开启运动1.9ms，关闭滞后0.1ms，关闭运动1.7ms。如图4所示，本发明在线圈电流在开启指令信号到来时，便已经稳定在预加载电流阶段，在开启阶段，将高电压激励时间设定为等于该电磁阀在0电流状态下，采用所述的高电压源激励电磁阀至完成行程所需时间，以保证电磁阀完全开启。本发明中设计有反向激励阶段，在反向激励阶段，采用电压数值等于高电压源反向电压源，使线圈电流快速下降至维持电流，这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。
如图5所示为不设置反向激励阶段的比较例，该比较例的工作过程与本申请相似，但不包含反向激励阶段。该比较例的电压源包括预加载高电压源、预加载稳电压源、高电压源、稳电压源、负电压源、零电压源，电压分别为24V，8V，24V，5V，-24V，0V。从图4和图5的对比可知，本发明通过添加反向电压源(4)，使得线圈电流降低至维持电流的时间大大缩减，可以更好的适用于控制信号频率较高的场合。