一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应PWM控制方法与流程

技术领域：

本发明涉及电磁式高速开关阀的驱动控制方法，尤其涉及一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应pwm控制方法。

背景技术：
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高速开关阀作为数字液压系统中的核心控制元件，主要用于控制液压系统的输出流量和压力。电磁式高速开关阀一般采用脉宽调制(pulsewidthmodulation,pwm)控制方法，其阀芯仅工作在两种状态下：全开或全关，相对于传统的比例/伺服阀，电磁式高速开关阀具有无泄漏、无死区和抗干扰能力强等优势，在工程机械、发动机燃油调节以及汽车制动等领域得到了一定的应用。

目前，为了提高电磁式高速开关阀的切换频率，现有专利一般采用多电压控制策略和基于电流反馈的pwm控制策略，如中国专利cn105805392公开的一种提升高速开关电磁阀响应速度的控制方法和cn108518520a公开的一种电磁式高速开关阀的双电压驱动电路，均是通过在阀芯开启阶段对线圈施加高电压激励来达到阀芯高速开启的目的；中国专利cn105443840a公开的一种电磁阀智能控制系统及其方法和cn105676690a公开的一种基于电压脉宽调制的电磁阀智能控制系统及其方法，均是通过实时监测电流，通过实时理论计算得到开启电压以实现阀芯高速开启的目的。然而，在实现电磁式高速开关阀高速开启的同时，意味着阀芯以较高的速度撞击阀座，这将引起电磁式高速开关阀的强振动和噪声等问题，甚至恶化阀芯与阀座的磨损和疲劳程度，并降低电磁式高速开关阀的使用寿命，因此在满足电磁式高速开关阀响应的需求下，应尽可能减小阀芯与阀座的撞击速度。与硬件电路方法相比，最简单有效的办法是从数字信号产生的机理出发，通过对pwm信号进行改进，以达到兼顾电磁式高速开关阀的高响应和软着陆性能的效果。

技术实现要素：
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本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应pwm控制方法，该控制方法不仅可以使电磁式高速开关阀在不同供油压力下实现软着陆，还能够较好的维持其动态特性。

本发明所采用的如下技术方案：

本发明公开一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应pwm控制方法，方案是：

一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应pwm控制方法，电磁式高速开关阀阀芯的开启过程设置三个阶段，包括：阀芯开启滞后阶段，阀芯开启运动阶段以及阀芯最大开口维持阶段；阀芯开启滞后阶段为阀芯在一段时间内处于零开口状态；阀芯开启运动阶段为阀芯从零开口状态运动至刚到达最大开口状态；阀芯最大开口维持阶段为阀芯在一段时间内处于最大开口状态；在复合pwm控制信号的基础上增加一个反向电压信号；

所述反向电压信号的开始激励时间(t11)和结束激励时间(t12)的设计包括以下步骤：

步骤一、建立电磁式高速开关阀的数学模型；

步骤二、通过仿真分析反向电压的开始激励时间(t11)，结束激励时间(t12)以及供油压力分别对阀芯软着陆性能和动态特性的影响规律；

步骤三、在上述影响规律的基础上，提出反向电压的开始激励时间(t11)，结束激励时间(t12)的设计准则，基于多项式拟合方法给出了设计公式。

所述反向电压信号可以减小电磁力，优化了阀芯在开启运动阶段的受力特性，进而减小阀芯的撞击速度，但同时会影响阀芯的动态特性。所述反向电压信号的开始激励时间(t11)和结束激励时间(t12)决定了阀芯何时开始调节速度、何时结束调节速度，因此反向电压的开始激励时间(t11)和结束激励时间(t12)的设计对于电磁式高速开关阀阀芯的软着陆性能尤为重要。

为了分析所述反向电压信号的开始激励时间(t11)和结束激励时间(t12)对电磁式高速开关阀软着陆和动态特性的影响规律，并对其进行优化设计，其实现包括以下步骤：

步骤一中、建立电磁式高速开关阀的数学模型，根据基尔霍夫电压定律，线圈的电压平衡方程为

式中，u和i分别为驱动电压和线圈电流；l和r分别为等效电感和等效电阻。

根据磁路方程可以分别得到

ni＝hclc+hglg＝hcleq(10)

式中，n为线圈匝数；hc和hg分别为磁芯和气隙中的等效磁场强度；lc和lg分别为磁芯和气隙中的等效磁路长度；leq为磁路的等效长度；b为磁芯的磁感应强度；uc为磁芯的绝对磁导率；和ψ分别为磁芯的磁通和磁链；s为衔铁的截面积。

其中leq为

leq＝lc+ur(δ-xp)(13)

式中，ur、δ和xp分别为磁芯的相对磁导率、初始气隙长度和阀芯位移。

根据公式(1)～(4)可以得到l为

则电磁力为

式中，u0和λ分别为空气磁导率和漏磁系数。

根据牛顿第二定律，阀芯的动力学方程为

式中，mp为阀芯的位移；bv为阀芯运动的阻尼系数；ps和as分别为电磁式高速开关阀的供油压力和进油口面积。

步骤二中、基于步骤一所建立的电磁式高速开关阀数学模型，通过仿真得到以下结论：

所述反向电压的开始激励时间(t11)过小，意味着负电压在阀芯距离零开口较近的位置开始激励，此时阀芯总是在正电压的再次激励过程中(t>t12)达到最大开口位置；并且，随着反向电压的结束激励时间(t12)的增加，阀芯与阀座的撞击速度先减小再增加，而阀芯达到最大开口状态的时间逐渐增加。

所述反向电压的开始激励时间(t11)过大，意味着负电压在阀芯距离零开口较远的位置开始激励，此时阀芯总是在负电压激励的初始过程中达到最大开口状态，这会导致撞击速度优化效果不明显，但阀芯达到最大开口状态的时间较小；此外，如果反向电压的结束激励时间(t12)偏大，则会导致阀芯反向运动，引起阀的泄漏问题。

当所述反向电压的开始激励时间(t11)和结束激励时间(t12)为定值时，供油压力的变化对阀芯的动态特性和软着陆性能均产生显著的影响，因此，反向电压的开始激励时间(t11)和结束激励时间(t12)需要进行优化设计来补偿供油压力的影响，以确保可以同时兼顾阀芯的碰撞速度和开启时间，并且消除阀芯反向运动的隐患。

步骤三中、根据步骤二的分析，可知反向电压的开始激励时间(t11)的设计需要兼顾阀芯的软着陆性能和动态特性，反向电压的结束激励时间(t12)的设计需要确保阀芯在达到最大开口位置后，不会出现反向运动趋势，故可以得到t11和t12的设计准则：(1)t11的数值需要优化设计以确保阀芯能够在负电压激励的结束阶段达到最大开口位置；

(2)t12的数值需要优化设计以确保阀芯能够在达到最大开口位置后，阀芯受到的合力始终大于0，避免出现反向运动。

基于以上两条设计准则，通过仿真得到了不同供油压力下t11和t12最优解集合，并基于多项式曲线拟合方法对最优解进行拟合得到了t11和t12的最优解与供油压力、理想撞击速度的函数关系，如下式所示

σ＝[t11-0.16(ps-3)](11)

式中，vimpact为阀芯与阀座的理想撞击速度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提出的一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应pwm控制方法在常规复合pwm控制信号的基础上增加一个反向电压信号，并提出了一种对反向电压信号的开始激励时间和结束激励时间最优解进行多项式拟合的方法，在不同的供油压力下，通过控制反向电压信号的开始激励时间和结束激励时间可以使阀芯不仅可以减小撞击速度，而且较好地维持开启动态特性，使电磁式高速开关阀具有一定的鲁棒性。

附图说明：

图1为本发明实施例提供的复合pwm信号图；

图2为本发明实施例提供的复合pwm信号控制下的阀芯开启特性图；

图3为本发明实施例提供的软着陆自适应pwm信号图；

图4为本发明实施例提供的软着陆自适应pwm信号控制下的阀芯开启特性图；

图5是t11＝1.5ms下的阀芯速度和位移曲线；

图6是t11＝1.8ms下的阀芯速度和位移曲线；

图7是t11＝2.1ms下的阀芯速度和位移曲线；

图8为不同供油压力下的阀芯速度和位移曲线；

图9为t11和t12最优解集合与拟合函数曲线对比图；

图10为软着陆自适应pwm和复合pwm控制下的阀芯位移和速度对比曲线图。

具体实施方式：

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应pwm控制方法，特点是：在常规复合pwm信号驱动下(图1)，将电磁式高速开关阀阀芯的开启过程定义为三个阶段，如图2所示，包括：阀芯开启滞后阶段(0～ton)，阀芯开启运动阶段(ton～top)以及阀芯最大开口维持阶段(top～)，其中ton和top为阀芯开始运动和达到最大开口的临界时间点。阀芯开启滞后阶段为阀芯保持在零开口状态；阀芯开启运动阶段为阀芯从零开口状态运动至刚到达最大开口状态；阀芯最大开口维持阶段为阀芯保持在最大开口状态；

电磁式高速开关阀在图1复合pwm信号的驱动下，由于电磁线圈一直处于正电压激励中，电磁力持续增加，进而导致阀芯所受合力一直增加，阀芯运动呈现为加速度增加的加速运动特性，如图2所示，故在阀芯达到最大开口时，阀芯与阀座的撞击速度达到峰值，造成了强振动和高噪声等问题。

针对上述问题，本发明采用的方法是提出一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应pwm控制方法，如图3所示，即在复合pwm控制信号的基础上增加一个反向电压信号。在阀芯的开启阶段，通过控制反向电压的开始激励时间(t11)和结束激励时间(t12)来调节阀芯的受力特性，进而对阀芯的撞击速度进行优化控制。

电磁式高速开关阀阀芯在自适应pwm控制信号下的开启特性如图4所示，由图4可知，与复合pwm控制信号下的阀芯开启特性不同，由于增加了负电压，电磁式高速开关阀阀芯的开启运动阶段(ton～top)被重新分为三个阶段，即ton～t11阶段，t11～t12阶段，t12～top阶段。在t11～t12阶段和t12～top阶段，由于阀芯的受力特性发生改变，导致其速度减小。因此，反向电压的开始激励时间(t11)和结束激励时间(t12)的设计对于电磁式高速开关阀阀芯的软着陆性能尤为重要。

下面结合附图5～10，说明本实施方式所述一种用于电磁式高速开关阀软着陆的自适应pwm控制方法的设计步骤如下

步骤一、建立电磁式高速开关阀的数学模型；

步骤二、通过仿真分析反向电压的开始激励时间(t11)，结束激励时间(t12)以及供油压力分别对阀芯软着陆性能和动态特性的影响规律；

步骤三、在上述影响规律的基础上，提出反向电压的开始激励时间(t11)，结束激励时间(t12)的设计准则，并通过仿真验证设计准则的准确性。

下面结合附图5～10所示，详细说明前述实施方式的示例性实现过程。

步骤一、建立电磁式高速开关阀的数学模型，根据基尔霍夫电压定律，线圈的电压平衡方程为

式中，u和i分别为驱动电压和线圈电流；l和r分别为等效电感和等效电阻。

根据磁路方程可以分别得到

ni＝hclc+hglg＝hcleq(18)

式中，n为线圈匝数；hc和hg分别为磁芯和气隙中的等效磁场强度；lc和lg分别为磁芯和气隙中的等效磁路长度；leq为磁路的等效长度；b为磁芯的磁感应强度；uc为磁芯的绝对磁导率；和ψ分别为磁芯的磁通和磁链；s为衔铁的截面积。

其中leq为

leq＝lc+ur(δ-xp)(21)

式中，ur、δ和xp分别为磁芯的相对磁导率、初始气隙长度和阀芯位移。

根据公式(1)～(4)可以得到l为

则电磁力为

式中，u0和λ分别为空气磁导率和漏磁系数。

根据牛顿第二定律，阀芯的动力学方程为

式中，mp为阀芯的位移；bv为阀芯运动的阻尼系数；ps和as分别为电磁式高速开关阀的供油压力和进油口面积。

步骤二、通过仿真分析反向电压的开始激励时间(t11)，结束激励时间(t12)以及供油压力分别对阀芯软着陆性能和动态特性的影响规律；

在仿真中取如下参数对系统进行建模：以两位三通电磁式高速开关阀为研究对象，具体参数：驱动频率为20hz，驱动电压u为24v，线圈匝数n为900匝，线圈电阻r为10.2ω，漏磁系数λ为1.3，初始气息δ为0.45mm，阀芯质量mp为13g，阀芯运动的阻尼系数bv为0.6n/(m/s)，电磁式高速开关阀的进油口面积as为1.37×10^-6m²。

图5是t11＝1.5ms下的阀芯速度和位移曲线，由图5可知，当t11＝1.5ms时，负电压开始激励，此时阀芯距离零开口较近；随着t12的增加，阀芯达到最大开口位置的时间逐渐增加，而阀芯与阀座的撞击速度先减小再增加，这是由于负电压激励的时间越长，减速效果越好，但同时导致阀芯在负电压结束时仍距最大开口位置较远，故阀芯在正电压的再次激励过程中(t>t12)重新加速并达到最大开口位置；在t11＝1.5ms的条件下，当t12＝2.3ms时，软着陆效果最佳，与复合pwm控制方法相比，此时阀芯的撞击速度降低约62.5％(从0.8m/s减小至0.3m/s)，但阀芯的开启时间增加达到47.1％(从2.42ms增加至3.56ms)。

图6是t11＝1.8ms下的阀芯速度和位移曲线，与图5相比，负电压在阀芯距离零开口较远的位置开始激励；当t12<2.6ms时，随着t12的增加，阀芯与阀座的撞击速度逐渐减小，但阀芯达到最大开口位置的时间逐渐增加；当t12>2.6ms时，阀芯出现反向运动的情况，这是由于在阀芯达到最大开口状态后，负电压的持续激励导致电磁力降低并低于供油压力，使得阀芯合力小于0，进而导致阀芯反向运动；在t11＝1.8ms的条件下，当t12＝2.4ms时，软着陆效果最佳，与复合pwm控制方法相比，此时阀芯的撞击速度降低约42.5％(从0.8m/s减小至0.46m/s)，但阀芯开启时间仅增加6.7％(从2.42ms增加至2.58ms)。

图7是t11＝2.1ms下的阀芯速度和位移曲线，与图5和图6相比，负电压在阀芯距离零开口位置更远的位置开始激励；阀芯始终在负电压激励的初始阶段达到最大开口位置，故阀芯的软着陆优化效果不明显，阀芯的最小碰撞速度达到0.7m/s，但阀芯达到最大开口位置的时间仅为2.43ms；当t12为3.6ms时，与图6相同，阀芯同样出现了反向运动。

图8为不同供油压力下的阀芯速度和位移曲线，此时t11和t12分别为2.3ms和3.3ms，由图8可知，当供油压力为1mpa时，阀芯在负电压激励前已经达到最大开口状态；当供油压力为2mpa时，阀芯在负电压激励的初始阶段达到最大开口状态，此时阀芯与阀座的撞击速度优化效果不明显；当供油压力大于2mpa时，阀芯与阀座的撞击速度可以得到有效降低但阀芯的开启时间相应增加。此外，随着供油压力的增加，阀芯运动的阻力随之增加，导致阀芯所受合力逐渐减小，当阀芯所受合力小于0时，则会导致阀芯反向运动。

根据图5～图8的分析，可以得到以下结论：

(1)当供油压力为定值时，如果t11过小，意味着负电压在阀芯距离零开口较近的位置开始激励，此时阀芯总是在正电压的再次激励过程中(t>t12)达到最大开口位置；并且，随着t12的增加，阀芯与阀座的撞击速度先减小再增加，而阀芯达到最大开口状态的时间逐渐增加。

(2)当供油压力为定值时，如果t11过大，意味着负电压在阀芯距离零开口较远的位置开始激励，此时阀芯总是在负电压激励的初始过程中达到最大开口状态，这会导致撞击速度优化效果不明显，但阀芯达到最大开口状态的时间较小；此外，如果t12偏大，则会导致阀芯反向运动，引起阀的泄漏问题，应该予以杜绝。

(3)当t11和t12为定值时，供油压力的变化对阀芯的动态特性和软着陆性能均产生显著的影响，因此，t11和t12需要进行优化设计来补偿供油压力的影响，以确保可以同时兼顾阀芯的碰撞速度和开启时间，并且消除阀芯反向运动的隐患。

步骤三、在上述影响规律的基础上，提出反向电压的开始激励时间(t11)，结束激励时间(t12)的设计准则，并基于多项式拟合给出了设计公式。

根据步骤二的结论，可知t11的设计需要兼顾阀芯的软着陆性能和开启时间，t12的设计需要确保阀芯在达到最大开口位置后，不会出现反向运动趋势，故可以得到t11和t12的设计准则：(1)t11的数值需要优化设计以确保阀芯能够在负电压激励的结束阶段达到最大开口位置；(2)t12的数值需要优化设计以确保阀芯能够在达到最大开口位置后，阀芯受到的合力始终大于0，避免出现反向运动。

基于以上两条设计准则，得到了不同供油压力下t11和t12最优解集合，如图9所示(图中标记点)，并基于多项式曲线拟合方法对最优解进行拟合得到了t11和t12的最优解与供油压力、撞击速度的函数关系，如下式所示

σ＝[t11-0.16(ps-3)](11)

式中，vimpact为阀芯与阀座的理想撞击速度。

最优解函数拟合与最优解集合对比如图9所示，拟合误差在可接受范围内。为了验证所提出的软着陆pwm控制方法的有效性，在不同的供油压力下，通过仿真对比了软着陆pwm和复合pwm两种控制方法下的阀芯位移和速度曲线。仿真中理想撞击速度设置为0.55m/s，供油压力的数值与图9不一样。软着陆自适应pwm和复合pwm控制下的阀芯位移和速度对比曲线如图10所示。

由图10可以看出，与复合pwm控制方法相比，采用软着陆pwm控制方法后，在不同的供油压力下，阀芯的撞击速度始终减少31％(约0.55m/s)，并且阀芯达到最大开口位置的时间仅增加5％。

根据以上仿真结果，可以表明所提出的软着陆pwm控制方法不仅能够减小振动并且可以较好的保持阀芯的动态响应，这验证了软着陆pwm控制方法可以自适应供油压力的变化，可以提高电磁式高速开关阀的鲁棒性。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰。此,本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。