阅读说明：本技术 一种基于速度控制器实现高速开关阀阀芯运动可控的方法 (Method for realizing motion controllability of valve core of high-speed switch valve based on speed controller ) 是由 钟麒 汪谢乐 谢耿 王军 何贤剑 李研彪 于 2020-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于速度控制器实现高速开关阀阀芯运动可控的方法,属于高速开关阀控制领域。将高速开关阀的一个工作周期分为多个阶段,通过控制每个周期各阶段的占空比,使电压源输出相应占空比的电压方波,进行高速开关阀高动态控制。在高速开关阀开启、关闭阶段中,在初始阶段采用较大的电压驱动(关闭阶段采用较大的负电压),当速度达到设定值时(速度可根据用户期望进行调整),为降低阀芯受到刚性冲击而产生的损耗,利用速度闭环控制器对占空比进行实时调整,使开启阶段和关闭阶段的最终速度的数值维持在较低的水平。本发明可以兼顾动态特性和柔性启闭,提高高速开关阀性能并延长其寿命。(The invention discloses a method for realizing controllable motion of a valve core of a high-speed switch valve based on a speed controller, and belongs to the field of control of the high-speed switch valve. A working period of the high-speed switch valve is divided into a plurality of stages, and the duty ratio of each stage of each period is controlled to enable the voltage source to output voltage square waves with corresponding duty ratios, so that the high-dynamic control of the high-speed switch valve is carried out. In the opening and closing stages of the high-speed switch valve, a larger voltage is adopted for driving in the initial stage (a larger negative voltage is adopted in the closing stage), and when the speed reaches a set value (the speed can be adjusted according to the expectation of a user), in order to reduce the loss generated by rigid impact on the valve core, the duty ratio is adjusted in real time by using the speed closed-loop controller, so that the final speed values in the opening stage and the closing stage are maintained at a lower level. The invention can give consideration to dynamic characteristics and flexible opening and closing, improve the performance of the high-speed switch valve and prolong the service life of the high-speed switch valve.)

一种基于速度控制器实现高速开关阀阀芯运动可控的方法

技术领域

本发明涉及高速开关阀控制领域，尤其涉及一种基于速度控制器实现高速开关阀阀芯运动可控的方法。

背景技术

高速开关阀接收来自泵阀控制器的电信号，即脉冲信号。每接受一个脉冲信号，高速开关阀就完成一个快速的开关动作。为了使阀芯实现高速运动，通常在阀芯的开启和关闭阶段分别加上一个较高的正向电压和较高的反向电压，使阀中的感应电流快速上升，其产生的电磁力快速上升并达到一个较大值，最终使阀芯加速并最终达到一个较高速度。这导致了在每个周期阀完全开启和关闭时，阀芯会对阀体、阀座等相关硬件产生较大的刚性冲击，使造成阀芯等相关部件的损伤。

高速开关阀同时也是高频开关阀，其接受的脉冲信号的频率非常高。阀芯在阀开启和关闭时产生的刚性冲击也是高频率的。这种高频周期性的刚性冲击对阀体的损伤不可忽视，会缩短高速开关阀的使用寿命。

但若过于追求阀芯保护，采用较低的电压对高速开关阀的开启阶段进行激励，采用零电压对关闭阶段进行激励，则阀芯运动速度较慢，虽然撞击力度降低，但是降低了动态特性，无法匹配高频控制需求。如何兼顾动态特性和柔性启闭是现有技术中的亟待解决的技术问题。

脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，当其用于调控电压源输出时，可以通过信号的占空比控制电压源输出相应占空比的电压方波，从而改变电压源的输出。脉冲宽度调制是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

发明内容

针对现有技术的不足，本文提出了一种基于速度控制器实现高速开关阀阀芯运动可控的方法。

本发明公开了一种基于速度控制器实现高速开关阀阀芯运动可控的方法，高速开关阀的线圈通过电流检测器与高速切换开关相连，高速切换开关有三个接触头，其中第一接触头与第一电压源相连、第二接触头与第二电压源相连、第三接触头与电流检测器相连；高速开关阀内安装有位移传感器用于获得高速开关阀阀芯运动状态；压力传感系统与高速开关阀相连实时获得电磁阀各工作口的压力状态；控制器与位移传感器、压力传感器相连，获得高速开关阀的阀芯位置和运动速度；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。控制器与占空比控制器相连；占空比控制器相连的输出分别连接第一电压源和第二电压源；控制器与高速切换开关相连，控制第三接触头与其它接触头的连接状态；所述的控制器包括速度闭环控制器；将高速开关阀的一个工作周期分为8个阶段，通过控制每个周期各阶段的占空比控制器输出占空比进行高速开关阀的控制，一个周期内，所述方法包括如下步骤：

1)预加载激励阶段

在控制信号上升沿到来之前，控制器预先控制第三接触头与第一接触头连通，并预先触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为A的高频方波信号给第一电压源，第一电压源输出相应的电压方波，在电压方波作用下，线圈电流达到预加载电流值，所述预加载电流值小于开启电流；

2)预加载维持阶段

达到预加载电流值后，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为B的高频方波信号给第一电压源，第一电压源开始输出占空比为B的电压方波，在此电压方波的作用下，线圈电流一直保持在预加载电流值上做高频小幅的波动；

3)开启阶段

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C的高频方波信号给第一电压源，第一电压源输出相应的电压方波，在电压方波作用下，线圈电流上升，当线圈电流达到开启电流时开关阀开始打开，电流继续上升，此时电磁力随之上升，阀芯处于加速状态；当阀芯速度达到预设的开启缓冲速度V₁后，触发速度闭环控制器，阶段3)结束；

4)开启缓冲阶段

阀芯速度达到V₁后，控制器控制第三接触头与第二接触头连通，位移传感器将阀芯速度实时传递给速度闭环控制器；速度闭环控制器将阀芯速度作为输入量，实时与预设开启缓冲速度V₁进行比较，根据比较结果调整此阶段的占空比控制器的输出占空比D，第二电压源根据占空比的实时改变输出相应的电压，使阀芯速度稳定在开启缓冲速度V₁直至高速开关阀完全打开；

5)维持阶段

当高速开关阀完全打开后，控制器控制第三接触头与第一接触头连通，位移传感器向控制器输出信号，控制器此时触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为E的高频方波信号给电压源，第一电压源输出相应的电压方波，在电压方波作用下，电流下降到开启维持电流上做波动，直至控制信号下降沿的到来，其中开启维持电流大于关闭电流；

6)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F的高频方波信号给第一电压源，第一电压源输出相应的电压方波，在电压方波作用下，线圈电流迅速下降至关闭电流，此时高速开关阀开始关闭，电压方波继续激励，电流继续下降，电磁力随之下降，阀芯所受合力增加，阀芯速度也持续升高；当阀芯速度达到预设的关闭缓冲速度V₂后，触发速度闭环控制器，阶段6)结束；

7)关闭缓冲阶段

阀芯速度达到V₂后，控制器控制第三接触头与第二接触头连通，位移传感器将阀芯速度实时传递给速度闭环控制器；速度闭环控制器将阀芯速度作为输入量，实时与预设关闭缓冲速度V₂进行比较，根据比较结果调整此阶段的占空比控制器的输出占空比G，第二电压源根据占空比的实时改变输出相应的电压，使阀芯速度稳定在关闭缓冲速度V₂直至高速开关阀完全关闭；

8)关闭维持阶段

当高速开关阀完全关闭，控制器控制第三接触头与第一接触头连通，位移传感器将信号传给控制器，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为 0的高频方波信号给第一电压源，第一电压源输出零电压，电流下降至零电流；直至下一个周期的到来。

所述的占空比A、B、C、E、F在各自阶段持续时间内均不变。占空比D和G 可时调整。

速度闭环控制器的工作方式为：当阀芯速度大于预设缓冲速度时，降低占空比控制器的输出占空比；当阀芯速度小于预设缓冲速度时，升高占空比控制器的输出占空比；当阀芯速度等于预设缓冲速度时，维持当前占空比。

本发明以速度控制器来实现阀芯运动速度的控制，最终的速度是由用户根据需要设定的，且该速度值作为预设值是可以调整的。在本发明的阶段四和阶段七中，经过速度闭环控制器的实时计算和处理，阀芯速度最终保持在V₁和V₂值，使得高速开关阀在完全开启和完全关闭时受到的刚性冲击达到较小值，由冲击带来的损伤也达到较小值。

占空比的调整是可以通过占空比控制器实时进行的，占空比的变化范围为 -1～1；为了进一步提供本发明方法的动态特性，本申请设有预加载维持阶段和开启维持阶段，在这两个阶段，线圈电流已经接近开启电流和关闭电流，使得开启阶段和关闭阶段的动态特性大幅提升。

作为本发明的优选方案，所述的第一电压源的幅值小于第二电压源，从而在相应的缓冲阶段，速度闭环控制器可以在短时间内控制电流稳定在预设缓冲速度。

本发明的预加载阶段、开启阶段和关闭阶段的占空比均可以选择较大的值，如三者分别选择1、1和-1；利用最大的等效电压值进行加载，相应阶段的持续时间可以减少，使电磁阀适用于高频工况。

本发明各阶段的占空比均独立可调，从而可以根据需求达到不同的开启特性调整、关闭特性调整和柔性启闭，以满足控制工况对于启闭特性的各种需求；且不同周期下同一阶段的占空比也可以调整，大大拓宽了高频开关阀工作范围。

采用了预加载技术，在高速开关阀还未工作前先施加预加载电压，使电流上升到略小于开启电流的预加载电流值。当高速开关阀工作时，由于电流在预加载阶段已经达到了预加载电流值，所以电流上升至开启电流的耗时十分短暂，这提高了高速开关阀的开启动态特性。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是速度闭环控制器原理示意图。

图3是本方案的高速开关阀开启阶段至维持阶段的动态特性曲线图。

图4是本方案的高速开关阀关闭阶段至关闭维持阶段的动态特性曲线图。

图5是不采用本方案的一般情况下的高速开关阀启闭特性曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，本实施例控制系统用于实现基于速度控制器实现高速开关阀阀芯运动可控的方法，其包括高速开关阀6，高速开关阀6的线圈通过电流检测器 5与高速切换开关4相连，高速切换开关4有三个接触头，其中第一接触头4-1 与第一电压源2相连、第二接触头4-2与第二电压源3相连、第三接触头4-3与电流检测器5相连；高速开关阀6内安装有位移传感器7用于获得高速开关阀阀芯运动状态；压力传感系统8与高速开关阀6相连实时获得电磁阀各工作口的压力状态；控制器9与位移传感器7、压力传感器8相连，获得高速开关阀的阀芯位置和运动速度；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9与占空比控制器1相连；占空比控制器 1相连的输出分别连接第一电压源2和第二电压源3；控制器9与高速切换开关 4相连，控制第三接触头4-3与其它接触头的连接状态；所述的控制器9包括速度闭环控制器10；

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，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。

如图2所示，速度闭环控制器10为控制器9的组成部分，为方便阐述，图 1中将速度闭环控制器10拿出展示。该速度闭环控制器将速度作为输入量，与预设速度值进行比较，最终有控制器输出控制参数给占空比控制器，使占空比控制器输出占空比。该速度闭环控制器适应高频响应，可以是PID控制器，模糊控制器等所有能实现闭环控制的控制器。该速度闭环控制器可实现高频闭环运算，微秒级，根据该特性，该控制器可以是FPGA控制器。

位移传感器可实时获得阀芯位移量及速度。当阀芯位移时，阀芯的位移引起位移传感器中电位器的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值。在获得位移量值后，控制器根据获得的位移量值进行求导，得到阀芯速度。

以下对本发明做具体的一个示例说明。将电磁阀单个工作周期划分为8个阶段。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代表开启缓冲阶段，⑤代表维持阶段，⑥代表关闭阶段，⑦代表关闭缓冲阶段，⑧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⑥开始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，进入阶段①，控制器预先控制第三接触头与第一接触头连通，并同时触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为100％的高频方波信号给第一电压源，第一电压源开始输出占空比为100％的电压方波，在此高电压的激励下，线圈电流很快达到围绕在一个略小于开启电流的数值，做高频小幅的波动的预加载电流状态。开启电压与开启电流是电磁阀开启临界状态下的驱动电压和线圈电流；

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，线圈电流保持在一个略小于开启电流的预加载电流状态。此时，阶段1的持续时间结束，进入阶段②，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为B的高频方波信号给第一电压源，第一电压源开始输出占空比为B的电压方波，其中0<B<1，在此预加载维持电压的作用下，线圈电流一直保持在预加载电流状态，即围绕在一个略小于开启电流的数值，做高频小幅的波动的预加载电流状态。(阶段②经调制后的电压数值大小略小于开启电流和电阻的乘积)

阶段②结束后，即控制信号上升沿到来时，进入阶段③，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为100％的高频方波信号给第一电压源，第一电压源输出占空比为100％的电压方波。线圈在经调制后的电压源的激励下，电流迅速上升，由于电流在控制信号上升到来之前就已经稳定在了预加载电流状态，在经调制后的第一电压源的激励下，电流将在短时间内上升至开启电流，随后阀芯开始移动。电流继续上升，此时电磁力随之上升，阀芯处于加速状态。当阀芯速度达到开启缓冲速度V₁，触发速度闭环控制器，阶段③结束，进入阶段④。

阀芯速度达到V₁，进入阶段④，控制器控制第三接触头与第二接触头连通。位移传感器将阀芯速度实时传递给速度闭环控制器。速度闭环控制器将阀芯速度作为输入量，电压作为输出量。控制器获得速度闭环控制器输出的电压值，并触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为E的高频方波信号给第二电压源，第二电压源开始输出占空比为D的电压方波(开启缓冲电压)。

由于电流的滞后效应，即使在阶段③中当阀芯速度达到V₁时立刻降低驱动电压，阀芯依然会由于电流的滞后效应做一小段的加速运动。阶段④的目的是为了使阀芯速度稳定在V₁。由于阀芯位移过程中所受阻力会发生变化，因此为了使阀芯速度降低到V₁并一直保持在V₁值所需要的驱动电压值是变化的。所以阶段4 中的占空比E也是不断变化的，-1<E<1。阶段④中阀芯速度逐渐稳定在V₁做匀速运动，一直保持到电磁阀完全打开。

这保证了阀芯在完全开启时由于刚性冲击受到的损耗是一个较小值。

当电磁阀完全打开，进入阶段⑤，控制器控制第三接触头与第一接触头连通，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为E的高频方波信号给第一电压源，第一电压源开始输出占空比为E的电压方波(维持电压，维持电压略大于关闭电压)，其中0<E<1，在经占空比为E的高频方波信号调制后的第一电压源的作用下，线圈电流一直稳定在略大于关闭电流的维持电流，阀芯保持在开启状态，一直持续到信号下降沿到来。

控制信号下降沿到来时，进入阶段⑥，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为-100％的高频方波信号给第一电压源，第一电压源输出反向电压，在反向电压的激励下，电流迅速下降至关闭电流。此时电磁阀开始关闭，第一电压源继续激励，电流继续下降，电磁力随之下降，阀芯所受合力增加，阀芯速度也持续升高。当阀芯速度达到V₂，触发速度闭环控制器，阶段⑥结束，进入阶段⑦。

阶段⑦中，阀芯速度达到V₂，控制器控制第三接触头与第二接触头连通，位移传感器将阀芯速度实时传递给速度闭环控制器。速度闭环控制器将阀芯速度作为输入量，电压作为输出量。控制器获得速度闭环控制器输出的电压值，并触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为G的高频方波信号给第二电压源，第二电压源开始输出占空比为G的电压方波(关闭缓冲电压)。

由于电流的滞后效应，即使在阶段⑦当阀芯速度达到V₂时立刻降低驱动电压，阀芯依然会由于电流的滞后效应做一小段的加速运动。阶段⑦的目的是为了使阀芯速度稳定在V₂。由于阀芯位移过程中所受阻力会发生变化，因此为了使阀芯速度降低到V₂并一直保持在V₂值所需要的驱动电压值是变化的。所以阶段⑦中的占空比G是不断变化的，-1<G1。阶段⑦中阀芯速度逐渐稳定在V₂做匀速运动，一直保持到电磁阀完全打开。

当电磁阀完全关闭，控制器控制第三接触头与第一接触头连通，进入阶段⑧传感器向控制器输出信号，控制器触发占空比控制器，占空比控制器输出占空比为0的高频方波信号给第一电压源，第一电压源开始输出占空比为0的电压方波，即不供电。直至下一个周期的阶段1到来，系统重复上述过程；

在阶段4)和阶段7)中，所述的速度闭环控制器按设定的工作频率反复比较当前阀芯速度与预设缓冲速度，输出控制信号给占空比控制器，比较频率越高，则控制精度也越高，可根据所需控制精度进行选择。

如图2所示，当阀芯速度大于预设缓冲速度时，降低占空比控制器的输出占空比；当阀芯速度小于预设缓冲速度时，升高占空比控制器的输出占空比；当阀芯速度等于预设缓冲速度时，维持当前占空比。其中占空比数值的升高或降低可以按当前占空比的一定百分比进行增减，也可以按固定的增减幅进行增减。本发明优选采用当前占空比的一定百分比进行增减。

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。

所述的预加载电流值为开启电流的90-95％；占空比为B的电压方波的等效电压为预加载电流值与线圈电阻的乘积。占空比为E的电压方波的等效电压为开启维持电流与线圈电阻的乘积，开启维持电流为关闭电流的105-110％。

所述的开启缓冲速度V₁小于0.6m/s。关闭缓冲速度V₂小于0.2m/s。

本发明以速度控制器来实现阀芯运动速度的控制，最终的速度是由用户根据需要设定的，且该速度值作为预设值是可以调整的。在本发明的阶段四和阶段七中，经过速度闭环控制器的实时计算和处理，阀芯速度最终保持在V₁和V₂值，使得高速开关阀在完全开启和完全关闭时受到的刚性冲击达到较小值，由冲击带来的损伤也达到较小值。开启缓冲速度V₁或关闭缓冲速度V₂过小时，开关阀的动态特性可能不好，因此用户宜在可接受的缓冲速度的范围内，选择尽可能大的 V₁或V₂值。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

图3是采用本方案的高速开关阀开启阶段至维持阶段的动态特性曲线图。其中开启电压设置为24V，开启缓冲阶段的高频方波信号的幅值是-80V～80V。开启缓冲阶段中，在速度闭环控制器的控制下，占空比控制器输出的高频方波信号的占空比会不停的变化，所以电压源输出的等效电压也是实时变化的，使电流围绕在预设开启缓冲速度波动。图中实例中预设开启缓冲速度为0.3m/s。

图4是采用本方案的高速开关阀关闭阶段至关闭维持阶段的动态特性曲线图。其中关闭电压设置为-24V,关闭缓冲阶段的高频方波信号的幅值是-80V～80V。关闭缓冲阶段中，在速度闭环控制器的控制下，占空比控制器输出的高频方波信号的占空比会不停的变化，所以电压源输出的等效电压也是实时变化的，使电流围绕在预设关闭缓冲速度波动。图中实例中预设关闭缓冲速度为-0.1m/s。

图5是不采用本方案的一般情况下的高速开关阀启闭特性曲线图。其中开启电压为24V，关闭电压为0V。在这种情况下，阀芯开启速度最终达到0.6m/s，关闭速度最终达到-0.24m/s。

从图3-图5对比可见，采用本发明方案后，高速开关阀的完全开启时的速度由0.6m/s下降至0.3m/s。完全关闭时的速度由-0.24m/s下降至-0.1m/s。这实现了高速开关阀的柔性启闭功能。

在实现柔性启闭功能的同时，本方案采用了预加载技术，提高了高速开关阀的开启动态特性。在关闭阶段先施加一个较大的反向电压，提高了高速开关阀的关闭动态特性。