一种可提高电磁阀响应速度和运动速度的控制系统及其方法与流程

1.本发明属于电磁阀控制技术领域，具体涉及一种可提高电磁阀响应速度和运动速度的控制系统及其方法。


背景技术：

2.数字液压技术采用离散流体进行传动控制。电磁开关阀是现代数字液压系统中的重要控制元件，具有结构紧凑、抗污染性强、控制简单、价格低廉等优点。动态特性是衡量电磁开关阀性能的重要指标，是决定电磁开关阀控液压系统控制精度的关键。电磁开关阀具有激励电压越高，线圈电流越大，产生的电磁力越大的特点。
3.启闭阶段的初始电流和驱动电压是影响启闭阶段的动态特性的两个重要参数。若将电磁阀应用在高频响、高动态的工况中，提高电磁阀开启阶段的动态性能是很有必要性的。
4.已有研究在电磁阀开启阶段前增加了预加载阶段，通过调制电压使得初始电流略小于临界开启电流值，减小了开启滞后时间，但此类改进仅在单方面的局部优化了电磁阀开启的动态特性。
5.另有技术报道在电磁阀启闭的各阶段利用多个电压源和选择开关进行电压源切换的方式，在各阶段采用不同的机理电压，但多电压源的方式从硬件实现上来说非常复杂，成本也较高。现有技术也有尝试采用单一电压源的报道，但由于电磁阀在各个阶段所需激励电压的需求差异较大，例如开启阶段要求瞬时激励电压高，而预加载阶段所需激励电压低。采用单一电压源的方案下，为了在开启阶段能提供高激励电压，电压源必须配置高电压输出，但在其它阶段，并不需要高电压输出，导致电压源功率无法做到合理分配。


技术实现要素：

6.为克服现有技术的不足，本发明提供了一种可提高电磁阀响应速度和运动速度的控制系统及其方法。本发明通过预加载调制电压的方法，先将预加载阶段的初始电流稳定在略小于临界开启电流值；等到控制信号的上升沿来临时，通过电容储能后放电，在冲击电压的作用下，电流值快速上升到开启电流值，大幅减少了电磁开关阀的开启滞后时间；在开启维持阶段，电流稳定在略大于临界关闭电流值，提高关闭阶段动态响应。
7.本发明的技术方案具体如下：
8.本发明首先提供了一种可提高电磁阀响应速度和运动速度的控制系统，其包括控制器、恒电压源、占空比控制模块、开关k2、h桥功率放大器、蓄能模块、单刀双掷开关和电流传感器；
9.恒电压源的输出端与占空比控制模块相连，所述开关k2和蓄能模块串联组成第一并联支路，h桥功率放大器、单刀双掷开关及单刀双掷开关的第一触点a组成第二并联支路；第一并联支路和第二并联支路并联后接入占空比控制模块恒电压源输出端和电流传感器之间，所述单刀双掷开关的第二触点b与蓄能模块的输入端相连；电流传感器与被控电磁阀
的线圈相连用于检测线圈电流大小；
10.所述控制器与占空比控制模块相连，并控制占空比控制模块的输出占空比；控制器与h桥功率放大器相连控制控制流经电磁阀的电流方向，控制器与电流传感器相连获取线圈电流大小；控制器分别控制开关k2的启闭信号，和单刀双掷开关的触点a和触点b的切换信号。
11.优选的，所述蓄能模块具有两个输入端分支，其中一个输入端分支与开关k2相连，另一个输入端分支与单刀双掷开关的第二触点b相连。
12.所述的蓄能模块可以是一个蓄能单元；为了提高电压放大的倍数，所述的蓄能模块可以包括多个串联的蓄能单元。
13.优选的，所述蓄能单元为电容或者化学电池中的一种。
14.另一方面，本发明提供了一种可提高电磁阀响应速度和运动速度的控制方法，该方法将电磁阀的一个工作周期分为至少包括预加载阶段、开启阶段、开启维持阶段、关闭阶段和关闭维持阶段；在一个周期内，所述方法包括如下步骤：
15.1)预加载阶段
16.控制器预先开启开关k2、单刀双掷开关选择连通第一触点a，控制器触发占空比控制模块输出占空比为α的高频方波信号给恒电压源，恒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i
pon
并维持，待预加载电流稳定后闭合开关k2，其中预加载电流值i
pon
小于临界开启电流值i
on
；
17.开关k2闭合后，蓄能模块开始充电；
18.2)开启阶段
19.控制信号上升沿到来时，控制器断开开关k2，单刀双掷开关选择连通第二触点b，控制器触发占空比控制模块输出占空比为100％的方波信号给恒电压源，恒电压源输出相应的电压方波，同时蓄能模块放电，将激励电压冲击放大，在电压作用下，线圈电流快速上升，当线圈电流达到临界开启电流值i
on
时电磁阀打开，线圈电流持续上升直至达到开启触发电流i
ton
；
20.3)开启维持阶段
21.当线圈电流上升达到开启触发电流i
ton
时，闭合开关k2，单刀双掷开关由第二触点b切换到第一触点a，控制器触发占空比控制模块输出占空比为β的高频方波信号给恒电压源，恒电压源输出相应的电压方波，在电压方波作用下，线圈电流调控至维持电流值i
hold
并维持，维持电流值i
hoold
大于临界关闭电流值i
off
；
22.在所述开启维持阶段，蓄能模块进行充电；
23.4)关闭阶段
24.当控制信号下降沿到来时，控制器给h桥功率放大器反向的信号，控制器触发占空比控制模块输出占空比为100％的高频方波信号，在反向电压方波作用下，线圈电流迅速下降；线圈电流小于临界关闭电流值i
off
时，电磁阀关闭，线圈电流持续下降，直至电流卸荷至关闭触发电流值i
toff
；
25.4)关闭维持阶段
26.电流卸荷至关闭触发电流值i
toff
时，控制器触发占空比控制模块的占空比至0，激励电压为零，即进入关闭维持阶段，直至下个预加载阶段到来。
27.优选的，所述的预加载电流值i
pon
为临界开启电流值i
on
的90
‑
95％；占空比为α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。
28.优选的，所述维持电流值i
hoold
为临界关闭电流值i
off
的105
‑
110％；占空比为β的电压方波的等效电压为维持电流值与线圈电阻的乘积。
29.优选的，所述开启触发电流i
ton
略大于临界开启电流值ion，例如在本发明的一个优选实施方案中，开启触发电流i
ton
为临界开启电流值ion的105
‑
110％；关闭触发电流值i
toff
略小于临界关闭电流值i
off
，例如在本发明的一个优选实施方案中，关闭触发电流值i
toff
为临界关闭电流值i
off
的90
‑
95％。
30.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果包括：
31.本发明用一个恒电压源不仅实现了预加载阶段的初始电流的生成，而且实现了开启阶段的电压冲击，使得电磁开关阀快速打开，以及关闭阶段的反向电压，使得电磁开关阀快速卸荷。本发明同时减少电磁开关阀的开启滞后时间和开启运动时间，大幅提高了电磁开关阀的响应速度，从而提高电磁开关阀开启动态特性和控制精度。
32.在本发明的控制方法中，当控制信号的上升沿来临时，通过蓄能模块放电，在不增加原有供电电压的基础上，可以增大电磁阀n 1倍的驱动电压(n为蓄能模块中蓄能单元的数量)，减小了开启运动时间，从而共同提高电磁阀开启阶段的运动特性。
33.本发明兼顾开启阶段的预加载电流生成，让电流在开启时刻就稳定在临界开启电流状态，减少开启滞后时间；同时在生成预加载的前提下，通过电容冲击，使电磁开关阀的开启电压瞬间升高，远远超过激励电压，从而减小开启的运动时间。启闭阶段的初始电流和启闭阶段的驱动电压是影响启闭阶段动态特性的两个关键参数，本发明通过将一个恒电压源的功率进行分配，一部分用于预加载电流的生成，其余的用于电容充电，如此以来，便可在启闭运动前生成理想的启闭初始电流，并在启闭运动的时候，获得更大的驱动电压，以实现更快速的运动。
附图说明
34.图1为本发明控制系统的结构示意图；
35.图2为本发明的控制信号、电压、电流对应波形图在各阶段的变化图，图中示例了三个控制周期。其中
①
是预加载阶段，
②
是开启阶段,
③
是开启维持阶段，
④
是关闭阶段，
⑤
是关闭维持阶段。
36.图3为一个周期内，电磁阀激励电压的效果图；
37.图4为一个控制周期内，线圈电流的变化情况。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.本实施例提供了一种可提高电磁阀响应速度和运动速度的控制系统，其电路如图1所示。控制系统包括控制器3、恒电压源4、占空比控制模块5、开关(k2)6、h桥功率放大器7、
蓄能模块8、单刀双掷开关9和电流传感器10；
40.图中，1是目标值输入模块，用于收集操作者的目标信号，即临界开启电流值i
on
和临界关闭电流值i
off
；2是控制信号发生器，其向控制器输出控制信号，控制信号为电压方波，如图2最上方的线条所示；本实施例的恒电压源选用24v恒电压源；开关k2为理想开关，在实际应用中可用继电器、开关三极管以及mos管代替，蓄能模块为电容等元器件、可以通过改变蓄能模块存储能量的大小来改变冲击电压的大小，11为被控电磁阀。
41.恒电压源的输出端与占空比控制模块相连，所述开关k2和蓄能模块串联组成第一并联支路，h桥功率放大器、单刀双掷开关及单刀双掷开关的第一触点a组成第二并联支路；第一并联支路和第二并联支路并联后接入占空比控制模块恒电压源输出端和电流传感器之间，所述单刀双掷开关的第二触点b与蓄能模块的输入端相连；电流传感器与被控电磁阀的线圈相连用于检测线圈电流大小；
42.所述控制器与占空比控制模块相连，并控制占空比控制模块的输出占空比；控制器与h桥功率放大器相连控制控制流经电磁阀的电流方向，控制器与电流传感器相连获取线圈电流大小；控制器分别控制开关k2的启闭信号，和单刀双掷开关的触点a和触点b的切换信号。
43.控制器读取操作者输入临界开启电流值i
on
和临界关闭电流值i
off
后，在预加载阶段，确定预加载阶段的调试等效电压数值，使其略小于电磁阀线圈电阻与临界开启电流值i
on
的乘积，一般小于5％～10％，继而控制器根据确定后的预加载阶段的调试等效电压输出调制的占空比α，当电流稳定时，电流大小小于临界开启电流的5％～10％，此时的电流大小为初始电流i
pon
；
44.开启维持阶段的调制等效电压数值略大于电磁阀线圈电阻与临界关闭电流值i
off
的乘积，一般大于5％～10％，继而控制器根据确定后的开启维持阶段的调制等效电压数值输出调制的占空比β，当电流稳定时，电流大小大于临界关闭电流的5％～10％，此时的电流大小即维持电流i
hoold
。
45.进一步，开启触发电流i
ton
略大于临界开启电流值i
on
，关闭触发电流i
toff
略小于临界关闭电流值i
off
。
46.本发明的控制信号、电压、电流对应波形图如图2所示，图2示例了三个控制周期，一个控制周期至少包括预加载阶段
①
、开启阶段
②
、开启维持阶段
③
、关闭阶段
④
、关闭维持阶段
⑤
。
47.参考图2
‑
4，介绍一个控制周期内的控制过程：
48.首先，在预加载阶段
①
，闭合开关k1与k2，蓄能模块与h桥功率放大器并联，蓄能模块进行充电，同时h桥功率放大器将控制器信号放大以后，进行24v、占空比为α的电压调制，使得预加载阶段的初始电流稳定在i
pon
，略小于临界开启电流值i
on
。
49.当控制信号的上升沿来临时进入开启阶段
②
，断开开关k2，同时将单刀双掷开关k1从a触点切换到b触点，此时蓄能模块与h桥功率放大器串联，占空比为100％，同时蓄能模块放电。此时激励电压冲击放大到n倍(放大n倍需要n
‑
1个蓄能模块，本发明实施例的蓄能模块为一个电容，放大倍数为2倍)，得电流快速上升到开启触发电流i
ton
，减小开启运动时间。
50.当电流达到开启触发电流i
ton
时，进入开启维持阶段
③
，此时闭合开关k2(电容充
电)，k1从b触点切换到a触点。进行24v，占空比为β的电压调制，使得电流稳定在i
hold
。
51.当控制信号的下降沿来临时，进入关闭阶段
④
，控制器给h桥功率放大器反向的信号，占空比为100％的
‑
24v的激励电压，使得电流快速卸荷。
52.当电流卸荷至关闭触发电流i
toff
时，占空比切换至0，激励电压为零，进入关闭维持阶段
⑤
，等待下个控制周期。
53.图3示例出了一个周期内，电磁阀激励电压的效果图，在开启阶段，实际激励电压最高可达48v，是24v恒电压源的两倍。图4示出了一个控制周期内，线圈电流的变化情况。本发明可以同时减少电磁开关阀的开启滞后时间和开启运动时间，大幅提高了电磁开关阀的响应速度，从而提高电磁开关阀开启动态特性和控制精度。
54.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，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。