专利名称：用于控制电磁致动器的电源的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于控制电磁致动器电源的方法和设备。具体而言，本发明可有益且不唯一地应用在用于比例阀的电磁致动器，比例阀也 称为调节电磁阀，下面的描述明确涉及比例阀，但是并不失其普遍性。
背景技术：
比例电磁阀或调节电磁阀包括阀门和电磁致动器，电磁致动器用于根据致动器的 给定电源沿精确的运动轨迹移动该阀。比例电磁阀的电磁致动器包括固定铁磁芯，也称为定子或包层；可移动铁磁芯； 以及激励绕组或线圈，其和固定芯形成一体，为之供电时，用于产生电磁感应场，电磁感应 场产生电磁力，其倾向于将可移动芯相对于固定芯来移动。可移动芯如果进行平动移动，传 统上被称为平移件或者滑动件，而如果进行旋转运动，传统上被称为转子。电磁阀通常包括 阀门的制动机构，其将阀门运动地连接到可移动芯。电磁致动器通常包括弹性元件，用于移动可移动芯从而移动阀门，并且通常将可 移动芯保持在行程终点位置，因而也把阀门保持在行程终点位置。这种情况下，电磁力倾向 于反作用于弹性元件的偏压力，以把平移件移动到第一行程终点位置和第二行程终点位置 之间的一个或多个期望的位置。电磁致动器还包括固定到定子的一个或多个导引元件，用于限定可移动芯可沿其 移动的轨迹。导引元件由与可移动芯表面具有低摩擦系数的材料制成。在进行平动移动的典型电磁致动器中，即，包括可沿其纵轴移动的平移件类型的 电磁致动器中，弹性元件例如包括和平移件同轴的螺旋状弹簧，平移件在固定到定子并设 置在激励线圈内的管状导引元件内滑动。导引元件由与平移件的壁具有低摩擦系数的材料 制成。电磁致动器的动力学特性遵守动力学第二定律，在电磁致动器进行平动移动的情 况下，这可以如下表示
d2xdxFem = m. ~r + β·——+ k-x +Fr+Fa
dt2 dt其中，Fail是激励线圈产生的电磁力，χ是平移件的线性位置，m是平移件的质量， β是平移件在其中移动的介质的粘性系数，k是弹性元件的弹性系数，Fr是阻力，Fa是摩擦 力。阻力Fr包括例如由作用于阀门因而也作用于平移件的流体的压力产生的力。在电磁 致动器进行旋转运动的情况下，其动力学遵循类似的等式，但是参考平移件的角度位置用 扭矩表示。通过施加电压(外加电压)或电流(外加电流)为激励线圈供电。通常通过放大 控制信号获得电源，控制信号的时间模式如此来限定平移件的期望运动。激励线圈的电源在平移件和定子之间产生吸引力，该力既沿平移件的移动方向又 沿垂直于该移动方向的方向。垂直于移动方向的吸引力增加由于导引元件的表面和平移件表面之间的接触而产生的吸引力。具体而言，由两个表面之间的接触而产生的摩擦力是限制反作用力，其小于或等 于垂直力N和两个表面的摩擦系数之积(Fa <= μ ·Ν)。摩擦系数μ以非线性方式随接触 表面之间的相对速度而强烈改变。如图1所示，随着接触的两个部件之间的相对速度Vrel 增加，摩擦系数μ快速减小，很快地从速度接近零(静态摩擦，也称为粘滑运动)的高值变 到较低速度(动态摩擦)的低值。因而，虽然导引元件由确定导引元件和平移件之间相对低的摩擦系数的材料制 成，但是，通过向激励线圈供电而产生的摩擦力可能对平移件造成相当的制动。具体而言， 电磁力的小量变化完全可以由静态摩擦力补偿，因而不会导致平移件的任何移动。这一特 性造成一系列问题。例如，如果对电磁致动器开环控制，这种特性给平移件造成不可忽略的 位置误差。或者，如果对电磁致动器闭环控制，这种特性会使得响应于特定控制信号对平移 件的运动产生过调。
发明内容
本发明的目的是提供用于控制比例电磁阀的电磁致动器的电源的方法和设备，该 方法和设备没有上述缺陷，同时实现起来简便且节约成本。根据本发明，提供了用于控制电磁致动器的电源的方法和设备，电磁致动器包括 由铁磁材料制成的定子；由铁磁材料制成且可适用于沿固定到定子的导引装置移动的可移 动元件；以及电磁激励装置，当对其施加确定的电源信号时用于产生电磁力，以移动可移动 元件；所述方法包括-根据第一电信号产生电源信号，第一电信号具有限定可移动元件的期望运动的 时间模式；所述方法的特征在于，根据第一电信号产生电源信号，包括-仅在第一电信号的每个确定电平变动处通过用时限函数调制振荡时间函数来产 生第二电信号，这样，第二电信号的幅度包络具有某个最大幅宽；-根据第一电信号和第二电信号之和产生所述电源信号；第二电信号的所述最大幅宽使得所述电磁力增加一个量，该量等于或大于所述可 移动元件和所述导引装置的接触产生的静态摩擦力。
为了更好地理解本发明，下面参考附图并只通过非限定性的示例描述优选实施 例，其中图1的曲线示出接触的两个表面之间的摩擦力随该表面之间的相对速度而变化；图2简要示出比例电磁阀，包括电磁致动器以及实现根据本发明的控制方法的相 应电子控制设备，其中部分为框图；图3是图2的控制设备的信号触发块的框图；图4是图2的控制设备内的信号发生块的框图；图5示出提供给图2的控制设备的控制信号以及由图2的控制设备根据控制信号 产生的两个信号的时间模式的例子；以及
图6示出提供给图2的控制设备的控制信号以及由图2的控制设备根据控制信号 产生的两个信号的时间模式的其他例子。
具体实施例方式图2中，数字1总体指示以纵向截面显示的比例电磁阀，其包括普通阀门2，其可 沿其纵轴3移动，并可以调整流体动力电路(未示出)中的液体的流速或压力；阀门的致动 机构，包括例如和阀门2 —体的杆4 ；以及电磁致动器5，用于通过杆4致动阀门2。电磁致动器5包括由铁磁材料制成的定子6 ；由铁磁材料制成且可相对于定子6 在两个行程终点位置之间沿平行于轴3的直线轨迹移动的平移件7 ；用于移动平移件7且 通常将其保持在一个行程终点位置处的弹性元件8 ；电磁激励线圈9，对其提供适当电源信 号时，用于产生电磁力，以反作用于弹性元件8的偏压力而移动平移件7 ；以及管状导引元 件10，其固定在定子6上，用于限定平移件7可沿其移动的轨迹。平移件7的移动限定平行于轴3测量的长度可变的气隙。平移件7可在第一行程 终点位置和第二行程终点位置之间移动，第一行程终点位置对应于气隙的最大长度，因而 对应于气隙的最大磁阻；第二行程终点位置对应于气隙的最小长度，因而对应于气隙的最 小磁阻。弹性元件8例如包括以相对于轴3同轴的位置设置在气隙中的螺旋状弹簧，以施 加机械力，从而把平移件7移动到第一行程终点位置并通常将其保持在该位置。线圈9例如包括螺旋管，其一体容纳在定子6中，以相对于轴3基本共轴的方式围 绕平移件7，以在为之供电时产生电磁感应场，电磁感应场产生作用于平移件7的电磁力， 以减小气隙的磁阻。因而，电磁力适于反作用于弹性元件8的偏压力而将平移件7向第二 行程终点位置处移动。外加电流有益地施加在线圈9上，S卩，电源信号包括电流信号I。外加电流源允许 电磁致动器具有更快的响应速度以及更好的工作线性。通过根据适当的时间模式来调节电 流信号I的强度，传给(impart)平移件7进行期望的运动。导引元件10设置在线圈9和平移件7之间，并且由与平移件7的外表面具有低摩 擦系数的材料制成。电磁致动器5配以电子控制设备11，用于控制线圈9的电源。如下所述，根据本发 明来构造设备11。设备11包括控制单元12，适于接收第一电信号SC，以根据信号SC内部产生第二 电信号SR，并提供包括信号SC和SR之和的第三电信号Si。设备11还包括连接在控制单 元12和线圈9之间的电源设备13，用于放大信号SI并相应地输出要施加给线圈9的电流 信号I。信号SC包括例如电压信号，可以是模拟的或者数字的。如果对电磁致动器5进行 开环控制，信号SC是平移件7的位置参考信号。相反，如果对电磁致动器5进行闭环控制， 信号SC是例如由流过阀门2的液体的流速、速度、压力或者温度的控制器或者调节器输出 的控制信号。信号SC的时间模式限定要传给平移件7的期望运动。例如，平移件7意图移 动到两个行程终点之间的特定位置，信号SC就是阶跃信号；或者如果要传给平移件7准确 的运动轨迹，信号SC就是具有更复杂的时间模式的信号。SC信号的幅度在最大值VCmax和最小值VCmin之间，最大值和最小值的每一个限定相应的行程终点位置。换句话说，信号SC 的幅度等于代数差VCmax-VCmin。根据电磁阀的结构和尺寸以及要求的电磁阀的性能来计 算值 VCmax 和 VCmin。控制单元12实现用于控制电磁致动器的电源的方法，本方法根据本发明实现并 且如下描述。同样参考图2，控制单元12通常这样实现信号发生块14，用于以时限持续函数调 制振荡时间函数来产生信号SR，这样，信号SR的幅度包络E具有某个最大幅宽VM和有限的 持续时间；触发块15，用于控制信号发生块14，即，只在信号SC的每个给定电平变动处才触 发对振荡时间函数的调制；以及加法块16，用于输出信号SC和信号SR的和作为信号Si。信号SR的最大幅宽VM是这样的，使得由线圈9产生的电磁力增加一个量，该量等 于或大于平移件7对着导引元件10的接触产生的静态摩擦力。换句话说，根据平移件7和 导引元件10之间的接触点处存在的静态摩擦力选择最大幅宽VM的值。还根据信号SC的 幅度选择最大幅宽VM的值。有益地，最大幅宽VM在信号SC的幅度的到50%之间。电源设备13通过根据给定的电压_电流增益GI来放大信号SI以产生电流信号 I。因而，信号SR的最大幅宽VM和增益GI是这样的，使得由线圈9产生的电磁力增加一个 量，该量等于或大于由平移件7与导引元件10的接触引起的静态摩擦力。图2所示例子中， 电源设备13包括配置成已知类型的电流放大器的运算放大器。根据另一个实施例，电源设备13包括称为转换器或者开关放大器的设备。因而，控制单元12仅在信号SC足够宽的电平变动才启动信号SR，在没有信号SC 的电平变动的某个时间间隔后抑制信号SR。这样，防止平移件7围绕SC信号的常数值限定 的期望位置无限制地并且空闲地振荡，从而降低磁性材料中由产生磁感应的交变电流的 存留而产生的磁滞现象和涡旋电流引起的损耗；相互接触且经受平移件7的持续移动引起 的摩擦的机械部件的磨损；以及由于存在交变电流分量而由线圈9的铜导体的焦耳效应造 成的附加损耗。参考图3，触发块15包括采样模块(“采样和保持”)17，以获得并存储信号SC的 初始电平采样SCI ；减法块18，以计算信号SC的当前电平和初始电平SCI之间的差；以及处 理块19，用于输出通过块18计算的差的绝对值。处理块19输出的值表示信号SC相对于初 始电平SCI的电平变动，下文用AVSC指示。块17、18、19实际上测量电平变动AVSC。触发块15还包括磁滞比较器块20，用于比较电平变动AVSC和某个阈值THC并 基于该比较来确定需要触发信号发生块14的时刻t0。时刻t0是包括给定磁滞的电平变 动AVSC和阈值THC相比变得更大的时刻。换句话说，触发块15适于只在信号SC的大于 阈值THC的这些电平变动AVSC下才触发振荡时间函数的调制。根据高的操作敏感性以及对信号SC上可能出现的噪声的适当滤波之间的折衷， 选择阈值THC的值。换句话说，阈值THC的值使得允许对信号SC的小电平变动也可触发信 号发生块14，但是不会由于加在信号SC上的噪声引起的振荡而触发信号发生块14。阈值 的值低于或等于信号SC幅值的1 %。有益地，阈值的值等于信号SC幅值的0. 1 %。将比较器块20的输出反馈给采样块17的控制输入17a，以获得并存储新的初始 电平值SCI，并且随后重置电平变动AVSC。从而，比较器块20的输出例如在时刻to从低 电平切换到高电平，并在采样新的初始电平SCI的效果传到比较器块20时，切换回低电平。换句话说，比较器块20输出触发信号ST，用该触发信号ST控制信号发生块14。信号ST包 括在时刻t0和随后的时刻tl之间限定的至少一个脉冲，其取决于一串块17-20的总响应 时间。根据上述描述显而易见的是，获得新的初始电平值SCI后，只要信号SC具有高于 阈值THC的随后电平变动AVSC，比较器块20就输出随后的脉冲，因而，更新时刻t0，随后 的电平变动AVSC是相对新的初始电平值SCI计算的。图4示出实现信号发生块14的示例。根据图4，信号发生块14包括函数发生块 21，用于产生振荡时间函数F0;函数发生块22，用于产生时限函数FD;以及乘法块23，用于 通过用函数FD调制振荡函数FO来获得信号SR。有益地，振荡函数FO是周期函数。或者，振荡函数FO是白噪声。有益地，振荡函 数FO均值为零。信号发生块14还包括计时器块24，适于增加代表当前时刻的变量t ；采样块25， 用于通过信号ST即在时刻to采样变量t ；以及减法块26，用于计算变量t和变量t在时刻 t0的采样之间的差，即，实际上用于计算变量t和时刻t0的差u(u = t-t0)。差值u输入 到函数发生块22中，S卩，差值u是函数FD所关注的内容(topic)。换句话说，块24-26把函 数FD的初始时刻偏移到时刻t0，从而触发仅用时刻t0处的递减函数FD对振荡函数FO的 调制。因而，产生的信号SR的类型为SR (t) = FO(cot) · FD (t-t0)其中，ω是振荡函数FO振荡的脉冲(角频率)。例如，振荡函数FO是正弦类型的函数FO (ω t) = Fl · sin (ω t)或者是如下类型的函数FO (t) = Fl · sign [sin (ω t)]。函数FD的时间限制为值足够高的持续时间Td，以保证平移件7和导引元件10之 间的分离，但是函数FD的时间限制得足够低，以在信号SC在相对长的时间保持恒定时尽可 能快地把电流信号I变成恒定值。因而，函数FD在持续时间Td后从信号SC的电平变动 AVSC变为零。根据电磁致动器5应用的类型，选择持续时间的值Td。经过实验观察到，对 于大多数应用，持续时间Td小于或等于1秒。例如，函数FD包括矩形脉冲，或者不同形状的脉冲。函数FD有益地包括递减的时间函数，这样，幅度包络E从信号SC的电平变动 Δ VSC开始的最大幅宽VM递减。具体而言，函数FD是递减到零的函数，因而，幅度包络E从 最大幅宽VM递减到零。例如，递减函数FD包括以指数形式递减的至少一个函数部分
权利要求
一种用于控制电磁致动器(5)的电源的方法，电磁致动器(5)包括由铁磁材料制成的定子(6)；由铁磁材料制成且可适用于沿固定到定子(6)的导引装置(10)移动的可移动元件(7)；以及电磁激励装置(9)，对其施加确定的电源信号(I)时用于产生电磁力(Fem)，以移动可移动元件(7)；所述方法包括 根据第一电信号(SC)产生电源信号(I)，第一电信号(SC)具有限定可移动元件(7)的期望运动的时间模式；所述方法的特征在于，根据第一电信号(SC)产生电源信号(I)包括 仅在第一电信号(SC)的每个确定的电平变动(ΔVSC)处通过用时限函数(FD)调制振荡时间函数(FO)来产生第二电信号(SR)，使得第二电信号(SR)的幅度包络(E)具有某个最大幅宽(VM)； 根据第一电信号(SC)和第二电信号(SR)之和产生所述电源信号(SI)；第二电信号(SR)的所述最大幅宽(VM)使得所述电磁力(Fem)增加一个量，该量等于或大于由于所述可移动元件(7)和所述导引装置(10)的接触产生的静态摩擦力(Fa)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中只在大于某个阈值(THC)的第一电信号(SC)的每 个电平变动(AVSC)处产生所述第二电信号(SR)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中产生第二电信号(SR)包括-测量所述第一电信号(SC)相对于第一电信号(SC)的初始电平(SCI)的电平变动 (Δ VSC)；-确定电平变动(AVSC)变得大于给定阈值(THC)时的时刻(t0)；以及 -在所述时刻(t0)，触发用所述时限函数(ED)对所述振荡时间函数(FO)的调制。
4.根据权利要求3所述的方法，其中产生第二电信号(SC)包括通过在所述时刻(to)采样所述第一电信号(SC)来确定所述初始电平(SCI)的新的值。
5.根据权利要求3所述的方法，其中测量所述第一电信号(SC)的电平变动(AVSC)包括-计算所述电平变动(AVSC)为所述第一电信号(SC)的当前电平和所述初始电平 (SCI)之差的绝对值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述时限函数是递减时间函数(FD)，所述第二电 信号(SR)的幅度包络(E)从所述第一电信号(SC)的每个所述电平变动(AVSC)处开始从 所述最大幅宽(VM)递减。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述递减时间函数(FD)包括指数递减函数的至少 一部分。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述递减时间函数(FD)的特征在于减幅时间等于 或小于2秒。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述振荡时间函数(FO)是平均值为零的周期信号。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述振荡时间函数(FO)的振荡频率(f)使得保 持所述可移动元件(7)以对应于可移动元件(7)和所述导引装置(10)之间的动态摩擦条 件的速度移动。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述振荡频率(f)高于所述第一电信号(SC)的 频带(BfS)，低于根据电磁致动器的截止频率(fc)确定的较高频率(fh)。
12.根据权利要求1所述的方法，其中根据第一电信号(SC)和第二电信号(SR)之和产 生所述电源信号(I)包括-产生作为第一电信号(SC)和第二电信号(SR)之和的第三电信号(Si)；-根据确定的增益(GI)放大第三电信号(Si)；所述第二电信号(SR)的所述最大幅宽(VM)以及所述增益(GI)使得所述电磁力(Fem) 增加一个量，该量等于或大于由所述可移动元件(7)与所述导引装置(10)的接触引起的静 态摩擦力。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电源信号包括电流信号(I)。
14.一种用于控制电磁致动器(5)的电源的设备，电磁致动器(5)包括由铁磁材料 制成的定子(6)；由铁磁材料制成且可适用于沿固定到定子(6)的导引装置(10)运动的可 移动元件(7)；以及电磁激励装置(9)，对其施加确定的电源信号(I)时，用于产生电磁力 (Fem)，以移动可移动元件(7)；所述设备(11)的特征在于包括电子控制装置(12)，可适 用于接收具有限定可移动元件(7)的期望运动的时间模式的第一电信号(SC)，以产生第二 电信号(SR)并提供根据第一电信号(SC)和第二电信号(SR)产生的第三电信号(Si)；以 及放大装置(13)，用于根据所述第三电信号(Si)的放大来产生所述电源信号(I)；所述控 制装置(12)配置成用于实现根据前述任意一项权利要求的方法。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述放大装置包括电流放大器(13)，用于产生 电流信号(I)作为电源信号。
全文摘要
一种电磁致动器(5)包括定子(6)；沿导引装置(10)可移动的平移件(7)；以及激励线圈(9)，用于产生移动平移件(7)的电磁力(Fem)，为线圈(9)施加根据第一电信号(SC)和第二电信号(SR)之和获得的电流(I)，第一电信号(SC)的时间模式限定平移件(7)的期望运动；仅在第一电信号(SC)的每个给定电平变动(ΔVSC)处通过用递减的时限函数(FD)调制振荡函数(FO)来产生第二电信号(SR)，这样，第二电信号(SR)的幅度包络(E)具有某个最大幅宽(VM)，使得电磁力(Fem)增加的量大于平移件(7)和导引元件(10)之间的静态摩擦力(Fa)。
文档编号H02P15/00GK101986554SQ20101024202
公开日2011年3月16日 申请日期2010年7月28日 优先权日2009年7月28日
发明者E·德桑迪斯, F·玛丽戈奈蒂, G·托马西 申请人:勒达有限责任公司