[發明專利]高速開關電磁閥的驅動控制系統及控制方法

有效

• 申請號: 202110028687.X
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112682561B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 杜恒;程領華;張澤鑫;黃惠;李雨錚;生凱章
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: F16K31/06
• 分類號: F16K31/06;F15B13/02
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 丘鴻超;蔡學俊

本發明提出一種高速開關電磁閥的驅動控制系統及控制方法，包括：控制器、I/O模塊、信號發生器、電壓源、調理電路、壓力傳感器、電流傳感器、電磁閥；所述控制器的輸出端與信號發生器、電壓源、電磁閥相連；所述壓力傳感器用于檢測電磁閥進油口的油壓，其輸出端與調理電路相連；所述電流傳感器用于檢測電磁閥電磁鐵線圈中的電流，其輸出端與調理電路相連。其通過電流反饋信號確定閥芯運動狀態，再根據閥芯運動過程中的狀態信息控制單個電壓源輸出相應變電壓，驅動電磁閥實現高頻啟閉動作。當進油口壓力工況發生變化時，控制器能夠根據進油口壓力大小得到臨界開啟/關閉電流值，進而實現保持開啟電流與預激勵電流自動適應于壓力變化。

技術領域

本發明屬于機電液一體化技術領域，尤其涉及一種高速開關電磁閥的驅動控制系統及控制方法。

背景技術

電磁閥廣泛應用于各類液壓系統中，其作為液壓系統中一個重要的液壓元件，一般用于控制流體的方向、壓力和流量。伴隨各種精密液壓裝備對系統響應速度、控制精度的要求日益提高，開關式電磁閥正朝著高頻響、快切換、低能耗的方向發展。其中，結合了數字液壓技術的高速開關電磁閥正是該發展方向的重要產物，其擁有更短的動態響應時間，能更高速地實現閥的啟閉，提高系統的響應速度和控制精度。

通過高頻脈沖信號控制高速開關電磁閥的閥芯連續啟閉，閥口即輸出相應的脈沖流量，通過調節脈沖信號的頻率和占空比可控制閥的開關頻率和平均輸出流量。在開關頻率一定的情況下，高速開關閥的開關響應時間越短，閥的死區和飽和區就越小，可控占空比工作范圍就越大，閥的流量可控性能就越好。在可控占空比范圍一定的情況下，高速開關閥的開關響應時間越短，閥的開關頻率越高，對應的脈沖流量就越小，偏差調控就越精確，閥的控制精度就越高。因此，高速開關閥的開關響應時間是衡量其性能水平的關鍵指標。

目前，對于高速開關電磁閥的控制，一般通過脈寬調制信號（PWM）來實現。然而，由PWM信號控制電磁閥實現快速開關的技術，現階段存在著控制方式單一、功耗發熱大和電磁閥開啟響應時間與關閉響應時間無法兼顧的問題。在傳統的PWM信號控制下，通過持續施加較高的激勵電壓來使電磁閥完成快速開啟的動作，但是當閥芯達到最大開口時，由于高激勵電壓的作用，線圈電流繼續上升，使得溫升現象明顯，增大了能量損耗。不僅如此，當電磁閥閥芯復位關閉時，由于線圈感抗的存在，即使是迅速將施加在電磁鐵上的高電壓撤銷，也會造成電流下降過慢、無法快速關閉的情況。因此，高電壓激勵方式雖然在一定程度上縮短了電磁閥的開啟響應時間，但卻延長了關閉響應時間，影響了其動態性能。

為了同時滿足電磁閥更短的開啟/關閉響應時間與更低能耗的要求。當前的解決方法主要有以下：（1）開啟階段采用正向電壓驅動、關閉階段采用反向電壓驅動。即通過正向電壓使電磁閥的線圈電流從零快速上升，加快閥芯的開啟速度；當想要電磁閥關閉時，直接通過反向負電壓使電磁閥的線圈電流從較高值快速下降，加快閥芯的關閉速度；（2）或者在電磁閥開啟后采用正向低電壓代替高電壓驅動。即在閥芯完全打開后，將能繼續維持閥芯開啟平衡的低電壓施加在電磁閥電磁鐵上，施加低電壓后的線圈電流小于高電壓作用下的電磁閥開啟電流，且為關閉階段電流下降到零的過程提供了一個較低的初始值，縮短了關閉響應時間，也適當降低了閥芯打開過程中產生的能耗。

現有專利的控制方法有助于滿足電磁閥更短響應時間與更低能耗的要求，但仍存在著一些不足或其他局限，主要表現為：

（1）線圈電流在開啟階段到保持開啟階段的過渡時間仍較長，線圈產生多余發熱量。線圈電流在正向高電壓的作用下，開啟電流為一個較高值，由于線圈感抗的存在，即使快速撤銷高電壓換成低電壓激勵，也無法使線圈電流從較高的開啟電流點快速衰減至較低的保持開啟電流點，從而增加了線圈發熱量。當需要電磁閥完全開啟后立即關閉時，若線圈電流未能及時降至保持開啟電流點，則在關閉階段線圈電流需從一個較高的初始值下降至零，延長了關閉響應時間，縮小了可控占空比范圍。