一种针对不同行程电磁阀高动态柔性关闭控制方法

1.本发明属于液压阀控制领域，尤其涉及一种针对不同行程电磁阀高动态柔性关闭控制方法。


背景技术：

2.座阀的应用十分广泛，在方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀中均有利用座阀来实现其功能的，通过改变电磁阀阀芯与阀座之间的间隙，可以接通和断开油路，当阀芯与阀座的接触面在一定的压力作用下紧紧接触时，阀就处于关闭状态；当阀芯与阀座之间有间隙时，则油路开通。因为座阀是靠面密封的，在电磁阀关闭时对密封性要求很高，所以对阀芯与阀座接触面光滑程度做出了很高要求。
3.高速开关阀大都为座阀结构，对于高频电磁阀，工作期间阀芯速度很快，在电磁阀启闭的瞬时，阀芯产生强烈的刚性冲击，造成阀芯等相关部件的损伤，损坏了电磁阀的密封性能，从而缩短了高速开关阀的使用寿命。目前大多数高速开关阀在关闭阶段采取的控制策略为加载一段零电压，使电流保持自然下降，直到阀芯完全关闭，此时电磁力不主动参与阀芯关闭阶段对速度的控制，只是依靠回复力使阀芯关闭，在高速开关阀关闭瞬间阀芯阀座之间产生强烈撞击，造成阀芯阀座接触面磨损，使电磁阀密封面损坏，甚至增加了电磁阀内阀芯移动的行程，极大的影响了电磁阀的使用寿命。本发明提出了一种不同行程的电磁阀都适用的高动态柔性关闭控制方法，该控制方法与现存的控制方法相比既提高了电磁阀的动态特性，又达到了柔性关闭的效果。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本文提出了一种针对不同行程高速开关阀高动态柔性关闭控制方法。
5.本发明的技术方案如下：
6.本发明首先提供了一种针对不同行程电磁阀高动态柔性关闭控制方法，电磁阀的线圈通过高速切换开关接入电压源，所述电压源至少包括负压源、零电压源和可调电压源；电磁阀的线圈电流由电流检测器检测，电磁阀各工作口的压力状态由压力传感系统实时获取；电磁阀内安装有位移传感器用于获取阀芯运动速度和位置；通过控制器实时获取压力传感系统中的数据，通过控制器实时获取电流检测器中的电流数据，通过控制器获得位移传感器检测的阀芯位置和运动速度；控制器通过控制高速切换开关选择接入的电压源，控制器与可调电压源相连控制其输出电压；所述控制器以数组的形式存储有电磁阀关闭阶段特性数据；
7.所以控制器共有m*n*x*y*z组电磁阀关闭阶段特性数据，x为可调电压开始加载时刻t1在可选范围内取值的个数，y为可调电压结束加载时刻t2在可选范围内取值的个数，z为可调电压幅值u在可选范围内取值的个数，m为不同工作行程电磁阀的数量，n为不同工作压力情况的个数；每组电磁阀关闭阶段特性数据均包括关闭阶段总时长t与关闭时刻撞击
速度v；
8.控制信号下降沿到来时，电磁阀进入关闭阶段，控制器先控制高速切换开关接入负压源，线圈电流开始降低，当电流检测器检测到电流降低为0时，控制器控制高速切换开关接入零电压源，电磁力保持为0n，在弹簧复位力的作用下，阀芯在关闭阶段做加速运动；同时控制器根据用户输入的关闭阶段总时长t与关闭时刻撞击速度v需求从电磁阀关闭阶段特性数据中选择与需求匹配的数组，控制器根据与需求匹配的数组中的t1、t2和u参数控制高速切换开关，即在t1时刻接入电压为u的可调电压源，在t2时刻断开可调电压源并接通零电压源，直至关闭阶段结束。
9.本发明中，不同电磁阀的区别主要是行程不一样，m为不同工作行程电磁阀的数量，比如有的电磁阀行程是0.2mm，有的电磁阀行程为0.8mm，针对不同行程电磁阀高动态柔性关闭控制方法是本发明的一个特点。这里的行程指的是高速开关阀阀芯可移动范围。在电磁阀的关闭阶段，对于同一个电磁阀(其行程固定)，在相同的工作压力情况和负电压驱动下，每次线圈电流下降到0时，阀芯已经运动的距离始终是固定的，阀芯距离完全关系状态时的距离也是固定的，而不同行程电磁阀则因行程不同，电流下降到0时，阀芯与完全关系状态时的位置间距离的不同的。本发明的数组适用于同一类型不同行程的电磁阀使用。关闭阶段电流为0后，压力传感器检测此时的压力，位移传感器检测此时阀芯离终点的距离，根据上述几个参数可以锁定该电磁阀是何种行程的电磁阀，再根据用户输入的参数匹配数组。
10.作为本发明的优选方案，在所述的关闭阶段前，使电磁阀(8)内的线圈电流达到或维持在预设的开启维持电流值，所述的开启维持电流值为一大于关闭电流的预设值。
11.作为本发明的优选方案，在关闭阶段中，当根据用户的输入参数，有多组t1、t2、u数组匹配用户需求时，选择u最小的数组作为控制器执行的数组。
12.作为本发明的优选方案，所述的关闭阶段特性数据通过预先测试获得。
13.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
14.(1)目前大多数液压电磁阀在关闭阶段只是加载一段零电压，使其电流自然下落到零，达到电磁阀完全关闭的效果；本发明中在关闭阶段的前部分加载负24v电压使线圈电流迅速降低到零，提高了高速开关阀在关闭时的动态特性。
15.(2)本发明数据库建立了在关闭缓冲阶段下可调电压的开始加载时刻t1,可调电压的结束加载时间t2，可调电压的幅值为u，与相应电磁阀的关闭阶段总时长t与关闭时刻撞击速度v的映射关系，因此本发明的控制效果是可以预期的，用户完全可以根据实际想要达到的效果由数据库匹配查找对应的数据组。
16.(3)针对不同行程电磁阀，在关闭瞬间到来前，线圈电流为零持续一段时间t1后继续加载了一段可调电压，线圈重新产生电流，从而产生电磁力抵消弹簧复位力，使关闭瞬间合力变小，减小了电磁阀关闭时刻的撞击速度，延长了高速开关阀的使用寿命。
17.(4)本发明不是针对某个特定的电磁阀提出高动态柔性关闭控制方法，而是针对一类电磁阀，该控制方法针对不同行程电磁阀都可以使其达到高动态柔性关闭的效果，适用范围较广。
18.(5)现存的电磁阀柔性关闭的方法只是在电磁阀关闭阶段给电磁阀匹配并通入合适的电流使撞击速度达到预期撞击速度，但是由于电流的存在，电磁阀阀芯在关闭阶段会
持续受到电磁力的作用，该电磁力抵消了部分弹簧复位力，使电磁阀在关闭时受到的合力变小，降低了电磁阀在关闭阶段的动态性能。本发明在线圈电流降低为0后维持一段时间，最大限度发挥弹簧复位力的关闭效果，该方法不但增加了电磁阀在关闭阶段的动态性能，而且减少电磁阀在关闭阶段由于电流产生的热量。
附图说明
19.图1为实施例中实现本发明控制方法的一个具体系统的结构示意图；
20.图2为关闭阶段的控制器执行流程图。
21.图3为数据库中的某一组数据下的液压阀动态特性曲线图；
22.图4当电磁阀行程为0.2mm时使用本发明方法的控制结果图；
23.图5当电磁阀行程为0.2mm时传统控制结果图；
24.图6当电磁阀行程为0.8mm时使用本发明方法的控制结果图；
25.图7当电磁阀行程为0.8mm时传统控制结果图。
具体实施方式
26.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。
27.如图1所示，为了实现本发明的控制方法，本实施例提供了一种控制系统的结构示意图。
28.该控制系统包括高电压源1、稳电压源2、负电压源3、零电压源4、可调电压源5、高速切换开关6、电流检测器7、电磁阀8、压力传感系统9、位移传感系统10、控制器11；
29.所述高速切换开关6含有五个接触头，其中第一接触头6-1与高电压源1相连，第二接触头6-2与稳电压源2相连，第三接触头6-3与负电压源3相连，第四接触头6-4与零电压源4相连，第五接触头6-5与可调电压源5相连，高速切换开关6的动接触头6-6与电流检测器7相连、电流检测器7与电磁阀8相连，电磁阀的线圈电流由电流检测器7检测，电磁阀各工作口的压力状态由压力传感系统9实时获取；电磁阀内安装有位移传感器10用于获取阀芯运动速度和位置；通过控制器11实时获取压力传感系统9中的数据，通过控制器11实时获取电流检测器7中的电流数据，通过控制器11获得位移传感器10检测的阀芯位置和运动速度；控制器11与可调电压源5相连控制其输出电压或输出占空比；所述控制器11以数组的形式存储有电磁阀关闭阶段特性数据；所述控制器11包含控制信号产生单元。控制器11的输出端口与高速切换开关相连并可控制动接触头6-6与其余5个接触头的接触状态，控制器11还可控制可调电压源的输出电压。具体硬件图如图1所示。
30.控制器内部有数据库，外部有输入界面，当电流检测器检测到电流为零后，位移传感器把此时检测到的阀芯位移数据输出给控制器，控制器根据电流为零时刻位移传感器的数据判断该电磁阀的工作行程，识别到电磁阀的工作行程信息后，压力传感系统采集此刻的压力数据并输入到控制器，控制器根据采集到的压力数据、电磁阀的工作行程信息、以及用户输入的关闭阶段总时长t与关闭时刻撞击速度v在数据库中匹配相应的数据组，控制器锁定一组t1、t2与u值，并在相应时刻控制可调电压源输出一段幅值为u的电压，其中t1为可调电压的开始加载时刻，t2为可调电压的终止加载时刻。关闭缓冲阶段可调电源的输出控
制流程图如图2所示。优选的，在关闭阶段中，当根据用户的输入参数，有多组t1、t2、u数组匹配用户需求时，选择u最小的数组作为控制器执行的数组。
31.以下描述本发明数据库的构建方法：
32.预先对不同行程、相同行程不同工况下的电磁阀在关闭阶段电流为零时刻后做大量的测试，电磁阀有不同的工作行程，在相同的工作行程下又对应不同的工作压力，以某一特定行程的电磁阀为例，在其可能遇到的工况下分别做大量实验，当关闭阶段电流为零后，加载一段幅值可调节的电压，该电压的开始加载时刻为t1,该电压的结束加载时间为t2，该电压的幅值为u，每组t1、t2、u的值会对应一组电磁阀的关闭阶段总时长t与关闭时刻撞击速度v，在确定的工作行程、工作压力下，一共要做x*y*z组测试，x为t1在可选范围内取值的个数，y为t2在可选范围内取值的个数，z为u在可选范围内取值的个数，所以该数据库共有m*n*x*y*z组数据，m为不同工作行程电磁阀的数量，n为不同工作压力情况的个数，以单一变量法测试得到共计m*n*x*y*z组数据对应的t、v。
33.控制器输出频率和占空比均可调的方波做为电磁阀启闭控制信号，从而控制高速开关阀的开启动作和关闭动作，同时控制器可以实时获得电流检测器、位移传感系统和压力传感系统中的数据，并产生控制信号进行相应的控制。图1中将控制信号画在控制器外面。位移传感系统可以实时获得阀芯位移及速度，并可以准确判断高速开关阀是否完全开启或完全关闭。
34.本实施例中，将电磁阀单个工作周期划分为6个阶段，如图3所示，分别用
①‑⑥
表示。其中
①
代表开启阶段，
②
代表稳电压源维持阶段，
③
代表关闭初始阶段，
④
代表关闭加速阶段，
⑤
代表关闭缓冲阶段，
⑥
代表关闭维持阶段。阶段
①
开始时刻与控制信号上升沿时刻重合，阶段
③
开始时刻与控制信号下降沿重合。
35.在电磁阀关闭阶段，电磁阀线圈两端通负电压源3，在本实施例中，其输出负24v电压，可以快速把电流降低到零，电流降低到零之后，电磁阀两端接通零电压源(4)，即接通0v电压，此时电磁力保持为0n，在弹簧复位力的作用下，阀芯在关闭阶段做加速运动，当电流检测器检测到线圈电流为零，其将信号输入到控制器，此时控制器内部查找满足满足用户需求的数组(查找过程如图2所示，关闭阶段电流为0后，压力传感器检测此时的压力，位移传感器检测此时阀芯离终点的距离，根据上述几个参数可以锁定该电磁阀是何种行程的电磁阀，再根据用户输入的参数匹配数组)，从而得出关闭缓冲阶段电压加载的时刻，输出相应幅值的电压加载信号，使线圈回路产生反向电流，从而产生电磁力，该电磁力在电磁阀关闭瞬间前抵抗弹簧的复位力，因此降低了阀芯完全关闭时刻的瞬时速度，从而达到了高速开关阀柔性关闭的效果，使阀芯和阀座之间受到刚性冲击的损伤降低，并满足用户需求。
36.以下结合一个完整的周期对本发明进行描述：
37.控制器产生控制信号的上升沿到来时，控制器控制动接触头与第一接触头连通进入阶段一，高电压源输出正24v电压，在该电压激励下电流迅速上升，从而电磁力增大，电磁力克服弹簧力与摩擦阻力使阀芯完全开启，阶段
①
结束，位移传感器识别到阀芯完全开启后，传递信号到控制器，控制器控制动接触头与第一接触头断开，控制动接触头与第二接触头连通，进入阶段
②
，稳电压源输出维持电压(维持电压＝维持电流*线圈电阻，维持电流根据电磁阀自身特性和所处工况预先获得)，当信号下降沿到来时，结束阶段
②
，进入阶段
③
，控制器控制动接触头与第三接触头连通进入阶段
③
，负电压源输出负24v电压，电流迅速下
降至关闭电流，此时电磁阀开始关闭，负电压继续激励，电流迅速下降至零，电流检测器检测到电流为零后向控制器传递信号，控制器控制动接触头与第四接触头连通进入阶段
④
，电磁阀两端加载零电压，此时电流保持为0，电磁力保持为0n，在弹簧复位力的作用下，阀芯在关闭阶段做加速运动，同时，压力传感器检测此时的压力，位移传感器检测此时阀芯离终点的距离，根据上述参数锁定该电磁阀是何种行程的电磁阀，再根据用户输入的关闭阶段总时长t与关闭时刻撞击速度v，查找满足需求的关闭阶段特性数据，并在t1时刻接入电压为u的可调电压源(5)，在可调电压源作用下，线圈产生电流并且电流持续增加，电磁阀产生电磁力抵抗弹簧产生的复位力，减小合力，有效降低了电磁阀关闭时刻的撞击速度，当在t2时刻到来时，控制器控制动触头与第四接触头连通，进入阶段
⑥
，在零电压源的作用下，电流一直下降至零，阀门在此阶段完全关闭，零电压源持续作用直至下一个周期到来，系统重复上述过程。
38.图4与图5为一组对照仿真结果，仿真时两幅图电磁阀内部参数相同，电磁阀行程都为0.2mm，只是在控制方法上有所不同，图4为本发明提出的高动态柔性关闭控制方法，图5为传统的电压控制方法，从图中可以看出阀芯位移从0.2mm逐渐变为0mm，在关闭阶段可以直观看出，图4关闭阶段耗时相对于图5更短，撞击瞬间速度比图5更小，使用本发明的高动态柔性关闭控制方法既可以提高电磁阀在关闭阶段的动态特性，又可以减弱电磁阀在关闭瞬间的撞击力度，从而延长电磁阀的使用寿命。
39.图6与图7为一组对照仿真结果，仿真时两幅图电磁阀内部参数相同，电磁阀行程都为0.8mm，只是在控制方法上有所不同，图6为本发明提出的高动态柔性关闭控制方法，图7为传统的电压控制方法，从图中可以看出阀芯位移从0.8mm逐渐变为0mm，在关闭阶段可以直观看出，图6关闭阶段耗时相对于图7更短，撞击瞬间速度比图7更小，使用本发明的高动态柔性关闭控制方法既可以提高电磁阀在关闭阶段的动态特性，又可以减弱电磁阀在关闭瞬间的撞击力度，从而延长电磁阀的使用寿命。
40.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。