一种能量补偿的电磁阀组控制系统及其方法

1.本发明属于电磁阀控制领域，具体涉及一种能量补偿的电磁阀组控制系统及其方法。


背景技术：

2.单个电磁阀在阀控系统驱动控制时，其输出流量小，导致在大流量场合应用具有一定的局限性。而电磁阀组将多个电磁阀并联，通过控制各阀间的逻辑组合以实现对大/小流量的精准调控。虽然电磁阀组驱动控制有容错性，但是仍对驱动电压提出了较高的要求。
3.现有的电磁阀组驱动控制有一定的容错性，即阀组中的一个或若干个电磁阀发生故障(机械故障或者由欠压造成电磁阀无法有效完全启闭)时，仍可以利用剩余功能完好的阀进行驱动控制，但是这会对流量输出特性产生较大的影响，并进一步影响阀控系统运行的稳定性。
4.电磁阀组是液压系统的核心控制元件，常常用于大流量场合。当在主机运行过程中，由电磁阀电压源欠压导致电磁阀无法有效正常启闭时，现有技术无法及时更换或补偿供电电压，从而改变阀控系统的流量输出特性，并严重影响主机装备运行的可靠性和作业的安全性。
5.现有电磁阀组驱动技术，基于电流、电压等多种传感器反馈，控制器采用多种闭环控制算法以实现各阀之间的逻辑切换，从而达到理想的流量输出特性。但上述技术只考虑电磁阀控制元件的驱动电压调控，尚未考虑电压源的电压输出特性变化(欠压)对控制元件的影响。


技术实现要素：

6.为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种能量补偿的电磁阀组控制系统及其方法。本发明基于蓄能模块的充放电技术，在主机装备作业过程中，通过控制器内部闭环运算，可及时对电压源欠压工况下电磁阀组各阶段的能量需求量进行能量补偿，以保障其正常启闭。
7.本发明的技术方案如下：
8.本发明首先提供了一种能量补偿的电磁阀组控制系统，其包括：电压源、能量补偿电路、被控电磁阀组和控制器；
9.所述被控电磁阀组包括多个独立的电磁阀，每个电磁阀均配备一个占空比控制模块，各占空比控制模块的输出占空比受控制器控制，驱动电压经各占空比控制模块后转化为相应占空比的驱动电压从而驱动电磁阀；
10.所述的能量补偿电路包括第一二极管、第二二极管、开关k1、开关k2、蓄能模块；电压源的输出端分别与第一二极管的正极、第二二极管的正极、开关k1的一端相连，第一二极管的负极、第二二极管的负极、蓄能模块的一端共接于共接端d，该共接端d分别与各占空比控制模块的输入端相连；开关k1的另一端与电阻的一点相连，电阻的另一端、蓄能模块的另
一端、开关k2的一端共接于共接端c，开关k2的另一端接地；
11.开关k1和开关k2的开关信号由控制器给出，控制器通过电压源检测模块获取电压源的输出电压，控制器实时获取各电磁阀的工作状态。
12.作为本发明的优选方案，对于开关k1、开关k2，当输入高电平
‘1’
时，开关闭合，反之，当输入为低电平
‘0’
时，开关保持常开状态。
13.作为本发明的优选方案，控制器的一路输出电平用于控制开关k1和开关k2的开闭，其中，该路输出电平直接输入到开关k1以控制其开闭，同时该路输出电平经一个逻辑运算符
‘
非’运算后输入到开关k2控制其开闭，即开关k1和开关k2的控制电平信号相反。
14.本发明还提供了一种基于上述控制系统的电磁阀组能量补偿控制方法，具体为：
15.未发生电压源欠压输出的正常工作状态下，控制器输出到理想开关k1的开关控制信号β＝0，理想开关k1保持常开状态，理想开关k2接收到高电平
‘1’
，因此理想开关k2闭合，此时蓄能模块处于充电状态，同时电压源给电磁阀组供电；共接端d点的电势为vp，共接端c点由于接地，所以电势为0；
16.当检测到电压源的实际输出电压vp低于额定电压vcc的3％-5％，且实际输出电压vp无法满足当前电磁阀组的供压需求时，控制器输出β＝1的开关控制信号，此时开关k1闭合；同时，开关k2接收到低电平
‘0’
，从而断开；此时，共接端c点的电势为电压源的实际输出电压vp，再附加先前阶段蓄能模块已充完电后的本身压降vcc，因此共接端d点的实际电势为vp+vcc，远大于电压源的实际输出电压，可为电磁阀组供电，进行能量补偿；此时控制器给出各占空比控制模块的输出占空比调控各电磁阀的等效驱动电压，从而满足当前电磁阀组的供压需求。
17.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
18.本发明所包含的蓄能模块，将一个额定电压源的能量进行分配，在保证电磁阀组正常所需的能量供给外，将多余的能量用于蓄能模块充电，将能量存储。当控制器检测到当前电磁阀组电压源欠压(没有达到电磁阀额定电压值)或者无法满足当前电磁阀组正常启闭所需电压能量时，通过蓄能模块放电进行能量补偿以适配电磁阀组能量需求量。如此以来，可保证在电压源欠压的工况下，仍能保证各电磁阀正常启闭，从而维持了流量输出稳定，提高了阀控系统运行的稳定性。
19.利用本发明的方案，在主机装备仍在运行、作业时，当控制器检测到电磁阀组电压源欠压的紧急情况下，本发明可通过蓄能模块的能量补偿特性，实时且有效地维持各电磁阀正常启闭，从而保障主机装备运行的可靠性和作业的安全性。
20.本发明实时检测电压源的输出特性和电磁阀组的当前能量需求量，并通过控制器实时调整蓄能模块的输出特性，以保证电磁阀组在控制信号源的指定信号下正常启闭。
附图说明
21.图1为本发明的控制系统的结构示意图。
22.图2为基于蓄能模块的电磁阀组能量补偿特性图。
23.图中，1是第三电磁阀、2是第二电磁阀、17是第一电磁阀；3、4、16是占空比控制模块；6是电阻；8是蓄能模块；9是第一二极管，10是第二二极管；11是电压源；12是电压源检测模块；13是控制信号源；14是逻辑运算符
‘
非’；15是控制器；18、21、24是电压检测模块；19、
22、25是电流检测模块；20、23、26是位移检测模块。
具体实施方式
24.下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。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。
25.如图1所示为本发明的控制系统的结构示意图，本发明的能量补偿的电磁阀组控制系统，其主要包括：电压源、能量补偿电路、被控电磁阀组和控制器。
26.所述被控电磁阀组包括多个独立的电磁阀，每个电磁阀均配备一个占空比控制模块，各占空比控制模块的输出占空比受控制器控制，驱动电压经各占空比控制模块后转化为相应占空比的驱动电压从而驱动电磁阀；
27.所述的能量补偿电路包括第一二极管10、第二二极管9、开关k1、开关k2、蓄能模块8；电压源的输出端分别与第一二极管10的正极、第二二极管9的正极、开关k1的一端相连，第一二极管10的负极、第二二极管9的负极、蓄能模块8的一端共接于共接端d，该共接端d分别与各占空比控制模块的输入端相连；开关k1的另一端与电阻6的一点相连，电阻6的另一端、蓄能模块8的另一端、开关k2的一端共接于共接端c，开关k2的另一端接地；
28.开关k1和开关k2的开关信号由控制器给出，控制器通过电压源检测模块获取电压源的输出电压，控制器实时获取各电磁阀的工作状态。
29.本实施例中，占空比控制模块的输出占空比范围是-100％到100％，接受来自控制器的指令信号，其中0～100％控制电磁阀开启，-100％～0控制电磁阀关闭，例如，占空比为100％，表示电磁阀受到的等效驱动电压为电压源的输出电压v
p
；占空比为-100％，表示电磁阀受到的等效驱动电压为-v
p
，其中
“‑”
号表示此时电压方向为驱动电磁阀关闭时的电压方向，即电磁阀在该方向的电压作用下阀芯朝着阀关闭状态时的阀芯位置运动；占空比为0，表示电磁阀受到的等效驱动电压为0。
30.本发明的开关k1和开关k2是理想开关，当输入高电平
‘1’
时，开关闭合，反之，当输入为低电平
‘0’
时，开关保持常开状态；实际应用中可用继电器、开关三极管以及mos管代替。6是保护电阻，防止开关k1闭合瞬间电路短路，大小为10kω。
31.本发明的蓄能模块要求模块内存储的能量至少能满足当前电磁阀组可以有效启闭一次，包括但不限于化学电池、电容等储能元件。
32.本发明的电压源11额定电压为vcc，实际输出电压v
p
，且该电压源可满足当前输出电压v
p
下的负载功率需求,。电压源检测模块12可实时检测电压源实际输出电压v
p
的大小。逻辑运算符
‘
非’14表示将输入数字信号的逻辑值取反后输出，例如，逻辑运算符的输入为
‘0’
，则输出为
‘1’
，反之，逻辑运算符的输入为
‘1’
，则输出为
‘0’
；逻辑上表示高电平为1，低电平为0。本发明控制器的一路输出电平用于控制开关k1和开关k2的开闭，其中，该路输出电平直接输入到开关k1以控制其开闭，同时该路输出电平经一个逻辑运算符
‘
非’运算后输入到开关k2控制其开闭，即开关k1和开关k2的控制电平信号相反。
33.图1中，18、21、24是电压检测模块(可实时检测电磁阀驱动电压大小)；19、22、25是电流检测模块(可实时检测线圈电流大小)；20、23、26是位移检测模块(包括但不限于激光位移传感器、振动传感器、加速度传感器等可实时检测阀芯运动状态的传感器)。控制器通
过电压源检测模块获取电压源的输出电压，控制器实时获取各电磁阀的工作状态。
34.本发明的电磁阀组能量补偿控制方法，具体为：
35.未发生电压源欠压输出的正常工作状态下，控制器输出到理想开关k1的开关控制信号β＝0，理想开关k1保持常开状态，理想开关k2接收到高电平
‘1’
，因此理想开关k2闭合，此时蓄能模块处于充电状态，同时电压源给电磁阀组供电；共接端d点的电势为vp，共接端c点由于接地，所以电势为0；
36.当检测到电压源的实际输出电压vp低于额定电压vcc的3％-5％，且实际输出电压vp无法满足当前电磁阀组的供压需求时，控制器输出β＝1的开关控制信号，此时开关k1闭合；同时，开关k2接收到低电平
‘0’
，从而断开；此时，共接端c点的电势为电压源的实际输出电压vp，再附加先前阶段蓄能模块已充完电后的本身压降vcc，因此共接端d点的实际电势为vp+vcc，远大于电压源的实际输出电压，可为电磁阀组供电，进行能量补偿；此时控制器给出各占空比控制模块的输出占空比调控各电磁阀的等效驱动电压，从而满足当前电磁阀组的供压需求。
37.本发明以三个电磁阀组成的电磁阀组为例，进行解释说明。其中图2所示的电磁阀一个完整的控制周期由
①
开启阶段、
②
维持阶段和
③
反向关闭阶段三部分组成，本发明以此三电压驱动算法为例进行描述(包括但不限于此算法)。三个电磁阀的工作特性如下：第一电磁阀启闭指令信号的占空比为α1，表示电磁阀开启时间占单个启闭周期时间的α1，驱动频率为f；第二电磁阀启闭指令信号的占空比也为α1，驱动频率为f/2；第三电磁阀启闭指令信号的占空比为α2，驱动频率为f。其中第一电磁阀和第二电磁阀的启闭指令信号占空比一致，第一电磁阀和第三电磁阀的驱动频率一致。
38.电磁阀三个阶段的工作说明：
39.①
开启阶段：当电磁阀控制信号的上升沿指令到来时，占空比控制模块输出100％，在等效驱动电压的作用下，线圈电流快速上升，当电磁力大于弹簧力等阻力时，阀芯开始运动，直到位移检测模块识别到阀芯已完全开启后，此时切换至
②
维持阶段。
40.②
维持阶段：维持阶段等效电压源数值略大于电磁阀线圈电阻与关闭电流的乘积，一般大于电磁阀线圈电阻与关闭电流乘积的3％-5％。基于该策略，经控制器内部计算后得到占空比控制模块的最适输出占空比α3(介于0-100％)，保持电磁阀开启状态稳定。
41.③
反向关闭阶段：当电磁阀控制信号的下降沿指令到来时，占空比控制模块输出-100％，在等效驱动电压的作用下，线圈电流快速下降，当电磁力不足以克服弹簧回复力等作用力时，阀芯再次开始运动，直到位移检测模块识别到阀芯已完全关闭后，此时占空比控制模块输出0，电磁阀处于关闭阶段，等待着上升沿指令信号的来临。
42.如图2所示，0-t5时刻为一个完整的电磁阀控制周期，电磁阀组电压需求描述：
43.0-t1：从电压波形1，2和3可看出三个电磁阀的驱动电压均为高电平vcc，此时电磁阀组电压需求也为vcc。
44.t
1-t2：同理，从三个电压波形均可看出三个电磁阀的驱动电压处于维持阶段，此时电磁阀组电压需求为vcc*α3。
45.t
2-t3：第一电磁阀和第二电磁阀处于维持阶段，两者电压需求为vcc*α3，而第三电磁阀处于反向关闭阶段，电压需求为-vcc，因此电磁阀组电压需求为最大值vcc。
46.t
3-t4：第一电磁阀和第二电磁阀处于维持阶段，两者电压需求为vcc*α3，而第三电
磁阀已关闭，电压需求为0，因此电磁阀组电压需求为最大值vcc*α3。
47.t
4-t5：第一电磁阀和第二电磁阀处于反向关闭阶段，两者电压需求均为反向额定电压-vcc，而第三电磁阀已关闭，电压需求为0，因此电磁阀组电压需求为最大值vcc。
48.t
5-t6：从三条电压波形可看出，第一电磁阀，第二电磁阀和第三电磁阀均处于关闭状态，即电压需求均为0，因此电磁阀组的电压需求也为0。
49.综上分析，下一个控制周期从t6时刻进入到t7时刻为止，与上述分析一致，电磁阀组电压需求为当前所有电磁阀在每个阶段驱动电压的最大值，图2共示意了4个控制周期。
50.在本实施例中，为了模拟电压源正常情况以及存在欠压的情况，设定电压源在0-t7时间段，电压源实际输出电压v
p
等于额定电压源vcc；在t
7-t
14
时间段，电压源实际输出电压v
p
已小于额定电压源vcc的3％-5％。
51.在0-t7时间段，电压源检测模块采集到电磁阀组电压源处于额定电压vcc，表明电压源可维持电磁阀组正常启闭工作。因此，控制器输出β＝0，开关k1断开，开关k2触头连接至触点b，蓄能模块进行充电蓄能。
52.在t
7-t
14
时间段，电压源检测模块采集到电压源实际输出电压已低于额定电压vcc的3％-5％时，若此时电压源不能满足电磁阀组电压需求，蓄能模块将进行放电能量补偿。
53.t
7-t8：根据
‘
电磁阀组电压需求’显示，当前电压需求为vcc，可是根据
‘
电磁阀组电压源’显示，电压源实际输出v
p
，已不能满足电磁阀组电压需求。此时控制器输出β＝1，蓄能模块进行能量输出补偿，以保证t7时刻-t8时刻内电磁阀组可正常启闭。值得注意的是，当蓄能模块释能时，由于电磁阀的输入电压发生改变，此时占空比控制模块的输出α3也将有所不同，不同之处在于：
54.①
开启阶段：当v
p
＝vcc时，此时α3＝100％，以保证v
p
*α3＝vcc；当输入电压为v
p
+vcc时，α3不再是100％，此时α3应满足(v
p
+vcc)*α3＝vcc。
55.②
维持阶段：此时α3应满足(v
p
+vcc)*α3＞电磁阀线圈电阻与关闭电流乘积的3％-5％。
56.③
反向关闭阶段：当v
p
＝vcc时，此时α3＝-100％，以保证v
p
*α3＝-vcc；当输入电压为v
p
+vcc时，α3不再是-100％，此时α3应满足(v
p
+vcc)*α3＝-vcc。
57.t
8-t9：由电压波形可看出，虽然电压源的实际输出电压v
p
小于vcc，但仍能满足当前电磁阀组启闭的电压需求，此时控制器输出β＝0，蓄能模块将进行充电，模块本身的压降逐步升至电压源实际输出电压v
p
。t
10-t
11
和t
12-t
13
时间段内蓄能模块充电蓄能的原因与t
8-t9时间段内一致。
58.在t
9-t
10
和t
11-t
12
时间段时，控制器输出β＝1，此时实际供电电压为v
p
+vcc，待占空比控制模块根据各自电磁阀的启闭状态，实时调节输出α3以满足当前电磁阀组的电压需求。在t
13-t
14
时间段内的能量补偿机理与t
7-t
13
时间段内保持一致。
59.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。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。