[發明專利]螺線管控制方法和螺線管控制器

在審

• 申請號: 202011584627.8
• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN113380491A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: B·德科克
• 申請（專利權）人: 半導體元件工業有限責任公司
• 主分類號: H01F7/18
• 分類號: H01F7/18;H03K7/08
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理有限公司 11270
• 代理人: 王琳;馬芬

本發明公開了改善的螺線管控制方法和螺線管控制器。一個說明性螺線管控制方法實施方案包括：向螺線管供應驅動信號，該驅動信號具有：平均電流，該平均電流對應于電樞的期望的位置；以及抖動電流，該抖動電流具有產生相關聯的螺線管電壓變化的抖動振幅；在不足以克服該電樞的靜摩擦力的區域中使該抖動振幅變化；確定該區域中的該抖動振幅與該相關聯的螺線管電壓變化之間的線性關系；增加該抖動振幅，同時監測該相關聯的螺線管電壓變化，以獲得低于由該線性關系所指示的該電壓變化的偏差；以及在檢測到該偏差時，采用對應的抖動振幅來維持該電樞的移動性。

技術領域

本發明涉及用于控制螺線管的方法。具體地講，本公開涉及用于獲得關于該螺線管的電樞的物理移動的信息的方法。

背景技術

螺線管是與致動器組合以將電能轉換成線性物理運動的電磁體。螺線管通常可包括纏繞在用作電樞的金屬活塞周圍的線圈導體。當將電壓施加于線圈端子時，電流通過線圈導體，生成電磁場，將金屬活塞拉向該電磁場。電子控制器可耦合至螺線管以用于調節流過線圈導體的電流以控制電磁場。螺線管可用于寬范圍的裝置和應用中。它們可用于以電的方式打開門和閂鎖、打開或關閉閥門、移動和操作機器人肢體和機構，以及甚至致動電開關。

傳統的螺線管驅動器電子器件依賴于線性電流，線性電流是在電阻兩端施加恒定電壓以產生與電壓成正比的輸出電流。反饋可用于實現恰好匹配控制信號的輸出。然而，該方案將大量功率耗散為熱量，因此效率非常低。該熱量可導致使螺線管線圈過熱達到其操作變得不穩定并且可甚至導致故障或無功能的點。螺線管線圈在過熱時失去其力功率。

兩種改善的螺線管控制技術包括脈寬調制(PWM)和抖動。脈寬調制通過控制循環PWM信號“接通”的時間量相對于其“斷開”的時間量來產生通過線圈的期望平均電流。與輸入信號相比，該占空比可變化，并且產生用于控制比例控制閥的有效得多的手段。

然而，即使使用PWM，靜摩擦力(“靜摩擦”)和滯后也可導致閥門的控制不穩定且不可預測。靜摩擦可防止電樞在給定小輸入改變時移動，并且滯后可導致移位對于相同輸入信號的不同應用是不同的。為了抵消靜摩擦和滯后的影響，在螺線管中產生圍繞期望的平均電流的小循環電流振幅振動(抖動)。這種抖動不斷地克服靜摩擦力，從而確保電樞甚至在小輸入改變的情況下也會移動，并且滯后效應得到平衡。抖動可被提供為疊加在PWM螺線管電流的控制信號上的小紋波，這引起期望的振動，從而增加閥門的線性度以及改善閥門響應。

抖動和PWM頻率彼此互補以改善控制，并且在大多數情況下可獨立地調節。這允許使用者為各自單獨的應用定制這些信號以獲得最佳的性能。低頻PWM(通常小于400Hz)可生成抖動或電流紋波作為PWM過程的副產物。抖動的量不是恒定的，而是隨著平均線圈電流改變而改變。這可導致在一些電流電平下過多抖動，而在其他電平下不足以引起抖動。此外，這種抖動依賴于PWM占空比和PWM頻率，并且其振幅和頻率不能被獨立地設置。對于需要特定設置抖動的許多閥設而言并不理想。對于高PWM頻率，線圈電流不具有紋波。不產生副產物抖動。因此，通常用于消除不期望的內部抖動的高頻PWM可通過可調節的外部抖動來增強。生成抖動的實質上是以特定頻率改變PWM輸出波形的占空比；改變PWM的占空比可改變施加于螺線管的抖動振幅和頻率。

如果抖動振幅過小，則靜摩擦力不會被去除，并且控制系統不能提供平滑控制，從而可能導致安全問題。如果抖動振幅過大，則浪費能量并且螺線管過早耗盡。因此，應調節抖動振幅，使得電樞僅略微移動。

為了向螺線管提供適當的抖動電流，已知的是檢測電樞的移動，并且基于該檢測，將抖動電流施加于螺線管上以使電樞略微移動。此類方法的示例描述于2018年12月27日公布的授予Berger等人的WO2018233917中。Berger等人提出了一種抖動控制回路，在該抖動控制回路中，螺線管電壓V和/或螺線管電流I被觀察到生成“線圈信號”，計算器使用螺線管的物理模型來找到電樞的速度，對該速度進行進一步分析以提取移動參數。盡管不需要傳感器來檢測電樞的移動，但由于復雜的計算螺線管模型，其要求從ASIC至微控制器的高速通信接口以及微控制器中的大的計算開銷。