用於控制電磁致動器的電源的方法和設備的製作方法

2023-05-11 08:23:51

專利名稱：用於控制電磁致動器的電源的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於控制電磁致動器電源的方法和設備。具體而言，本發明可有益且不唯一地應用在用於比例閥的電磁致動器，比例閥也 稱為調節電磁閥，下面的描述明確涉及比例閥，但是並不失其普遍性。
背景技術：
比例電磁閥或調節電磁閥包括閥門和電磁致動器，電磁致動器用於根據致動器的 給定電源沿精確的運動軌跡移動該閥。比例電磁閥的電磁致動器包括固定鐵磁芯，也稱為定子或包層；可移動鐵磁芯； 以及激勵繞組或線圈，其和固定芯形成一體，為之供電時，用於產生電磁感應場，電磁感應 場產生電磁力，其傾向於將可移動芯相對於固定芯來移動。可移動芯如果進行平動移動，傳 統上被稱為平移件或者滑動件，而如果進行旋轉運動，傳統上被稱為轉子。電磁閥通常包括 閥門的制動機構，其將閥門運動地連接到可移動芯。電磁致動器通常包括彈性元件，用於移動可移動芯從而移動閥門，並且通常將可 移動芯保持在行程終點位置，因而也把閥門保持在行程終點位置。這種情況下，電磁力傾向 於反作用於彈性元件的偏壓力，以把平移件移動到第一行程終點位置和第二行程終點位置 之間的一個或多個期望的位置。電磁致動器還包括固定到定子的一個或多個導引元件，用於限定可移動芯可沿其 移動的軌跡。導引元件由與可移動芯表面具有低摩擦係數的材料製成。在進行平動移動的典型電磁致動器中，即，包括可沿其縱軸移動的平移件類型的 電磁致動器中，彈性元件例如包括和平移件同軸的螺旋狀彈簧，平移件在固定到定子並設 置在激勵線圈內的管狀導引元件內滑動。導引元件由與平移件的壁具有低摩擦係數的材料 製成。電磁致動器的動力學特性遵守動力學第二定律，在電磁致動器進行平動移動的情 況下，這可以如下表示
d2xdxFem = m. ~r + β·——+ k-x +Fr+Fa
dt2 dt其中，Fail是激勵線圈產生的電磁力，χ是平移件的線性位置，m是平移件的質量， β是平移件在其中移動的介質的粘性係數，k是彈性元件的彈性係數，Fr是阻力，Fa是摩擦 力。阻力Fr包括例如由作用於閥門因而也作用於平移件的流體的壓力產生的力。在電磁 致動器進行旋轉運動的情況下，其動力學遵循類似的等式，但是參考平移件的角度位置用 扭矩表示。通過施加電壓(外加電壓)或電流(外加電流)為激勵線圈供電。通常通過放大 控制信號獲得電源，控制信號的時間模式如此來限定平移件的期望運動。激勵線圈的電源在平移件和定子之間產生吸引力，該力既沿平移件的移動方向又 沿垂直於該移動方向的方向。垂直於移動方向的吸引力增加由於導引元件的表面和平移件表面之間的接觸而產生的吸引力。具體而言，由兩個表面之間的接觸而產生的摩擦力是限制反作用力，其小於或等 於垂直力N和兩個表面的摩擦係數之積(Fa <= μ ·Ν)。摩擦係數μ以非線性方式隨接觸 表面之間的相對速度而強烈改變。如圖1所示，隨著接觸的兩個部件之間的相對速度Vrel 增加，摩擦係數μ快速減小，很快地從速度接近零(靜態摩擦，也稱為粘滑運動)的高值變 到較低速度(動態摩擦)的低值。因而，雖然導引元件由確定導引元件和平移件之間相對低的摩擦係數的材料制 成，但是，通過向激勵線圈供電而產生的摩擦力可能對平移件造成相當的制動。具體而言， 電磁力的小量變化完全可以由靜態摩擦力補償，因而不會導致平移件的任何移動。這一特 性造成一系列問題。例如，如果對電磁致動器開環控制，這種特性給平移件造成不可忽略的 位置誤差。或者，如果對電磁致動器閉環控制，這種特性會使得響應於特定控制信號對平移 件的運動產生過調。

發明內容
本發明的目的是提供用於控制比例電磁閥的電磁致動器的電源的方法和設備，該 方法和設備沒有上述缺陷，同時實現起來簡便且節約成本。根據本發明，提供了用於控制電磁致動器的電源的方法和設備，電磁致動器包括 由鐵磁材料製成的定子；由鐵磁材料製成且可適用於沿固定到定子的導引裝置移動的可移 動元件；以及電磁激勵裝置，當對其施加確定的電源信號時用於產生電磁力，以移動可移動 元件；所述方法包括-根據第一電信號產生電源信號，第一電信號具有限定可移動元件的期望運動的 時間模式；所述方法的特徵在於，根據第一電信號產生電源信號，包括-僅在第一電信號的每個確定電平變動處通過用時限函數調製振蕩時間函數來產 生第二電信號，這樣，第二電信號的幅度包絡具有某個最大幅寬；-根據第一電信號和第二電信號之和產生所述電源信號；第二電信號的所述最大幅寬使得所述電磁力增加一個量，該量等於或大於所述可 移動元件和所述導引裝置的接觸產生的靜態摩擦力。


為了更好地理解本發明，下面參考附圖並只通過非限定性的示例描述優選實施 例，其中圖1的曲線示出接觸的兩個表面之間的摩擦力隨該表面之間的相對速度而變化；圖2簡要示出比例電磁閥，包括電磁致動器以及實現根據本發明的控制方法的相 應電子控制設備，其中部分為框圖；圖3是圖2的控制設備的信號觸發塊的框圖；圖4是圖2的控制設備內的信號發生塊的框圖；圖5示出提供給圖2的控制設備的控制信號以及由圖2的控制設備根據控制信號 產生的兩個信號的時間模式的例子；以及
圖6示出提供給圖2的控制設備的控制信號以及由圖2的控制設備根據控制信號 產生的兩個信號的時間模式的其他例子。
具體實施例方式圖2中，數字1總體指示以縱向截面顯示的比例電磁閥，其包括普通閥門2，其可 沿其縱軸3移動，並可以調整流體動力電路(未示出)中的液體的流速或壓力；閥門的致動 機構，包括例如和閥門2 —體的杆4 ；以及電磁致動器5，用於通過杆4致動閥門2。電磁致動器5包括由鐵磁材料製成的定子6 ；由鐵磁材料製成且可相對於定子6 在兩個行程終點位置之間沿平行於軸3的直線軌跡移動的平移件7 ；用於移動平移件7且 通常將其保持在一個行程終點位置處的彈性元件8 ；電磁激勵線圈9，對其提供適當電源信 號時，用於產生電磁力，以反作用於彈性元件8的偏壓力而移動平移件7 ；以及管狀導引元 件10，其固定在定子6上，用於限定平移件7可沿其移動的軌跡。平移件7的移動限定平行於軸3測量的長度可變的氣隙。平移件7可在第一行程 終點位置和第二行程終點位置之間移動，第一行程終點位置對應於氣隙的最大長度，因而 對應於氣隙的最大磁阻；第二行程終點位置對應於氣隙的最小長度，因而對應於氣隙的最 小磁阻。彈性元件8例如包括以相對於軸3同軸的位置設置在氣隙中的螺旋狀彈簧，以施 加機械力，從而把平移件7移動到第一行程終點位置並通常將其保持在該位置。線圈9例如包括螺旋管，其一體容納在定子6中，以相對於軸3基本共軸的方式圍 繞平移件7，以在為之供電時產生電磁感應場，電磁感應場產生作用於平移件7的電磁力， 以減小氣隙的磁阻。因而，電磁力適於反作用於彈性元件8的偏壓力而將平移件7向第二 行程終點位置處移動。外加電流有益地施加在線圈9上，S卩，電源信號包括電流信號I。外加電流源允許 電磁致動器具有更快的響應速度以及更好的工作線性。通過根據適當的時間模式來調節電 流信號I的強度，傳給(impart)平移件7進行期望的運動。導引元件10設置在線圈9和平移件7之間，並且由與平移件7的外表面具有低摩 擦係數的材料製成。電磁致動器5配以電子控制設備11，用於控制線圈9的電源。如下所述，根據本發 明來構造設備11。設備11包括控制單元12，適於接收第一電信號SC，以根據信號SC內部產生第二 電信號SR，並提供包括信號SC和SR之和的第三電信號Si。設備11還包括連接在控制單 元12和線圈9之間的電源設備13，用於放大信號SI並相應地輸出要施加給線圈9的電流 信號I。信號SC包括例如電壓信號，可以是模擬的或者數字的。如果對電磁致動器5進行 開環控制，信號SC是平移件7的位置參考信號。相反，如果對電磁致動器5進行閉環控制， 信號SC是例如由流過閥門2的液體的流速、速度、壓力或者溫度的控制器或者調節器輸出 的控制信號。信號SC的時間模式限定要傳給平移件7的期望運動。例如，平移件7意圖移 動到兩個行程終點之間的特定位置，信號SC就是階躍信號；或者如果要傳給平移件7準確 的運動軌跡，信號SC就是具有更複雜的時間模式的信號。SC信號的幅度在最大值VCmax和最小值VCmin之間，最大值和最小值的每一個限定相應的行程終點位置。換句話說，信號SC 的幅度等於代數差VCmax-VCmin。根據電磁閥的結構和尺寸以及要求的電磁閥的性能來計 算值 VCmax 和 VCmin。控制單元12實現用於控制電磁致動器的電源的方法，本方法根據本發明實現並 且如下描述。同樣參考圖2，控制單元12通常這樣實現信號發生塊14，用於以時限持續函數調 制振蕩時間函數來產生信號SR，這樣，信號SR的幅度包絡E具有某個最大幅寬VM和有限的 持續時間；觸發塊15，用於控制信號發生塊14，即，只在信號SC的每個給定電平變動處才觸 發對振蕩時間函數的調製；以及加法塊16，用於輸出信號SC和信號SR的和作為信號Si。信號SR的最大幅寬VM是這樣的，使得由線圈9產生的電磁力增加一個量，該量等 於或大於平移件7對著導引元件10的接觸產生的靜態摩擦力。換句話說，根據平移件7和 導引元件10之間的接觸點處存在的靜態摩擦力選擇最大幅寬VM的值。還根據信號SC的 幅度選擇最大幅寬VM的值。有益地，最大幅寬VM在信號SC的幅度的到50%之間。電源設備13通過根據給定的電壓_電流增益GI來放大信號SI以產生電流信號 I。因而，信號SR的最大幅寬VM和增益GI是這樣的，使得由線圈9產生的電磁力增加一個 量，該量等於或大於由平移件7與導引元件10的接觸引起的靜態摩擦力。圖2所示例子中， 電源設備13包括配置成已知類型的電流放大器的運算放大器。根據另一個實施例，電源設備13包括稱為轉換器或者開關放大器的設備。因而，控制單元12僅在信號SC足夠寬的電平變動才啟動信號SR，在沒有信號SC 的電平變動的某個時間間隔後抑制信號SR。這樣，防止平移件7圍繞SC信號的常數值限定 的期望位置無限制地並且空閒地振蕩，從而降低磁性材料中由產生磁感應的交變電流的 存留而產生的磁滯現象和渦旋電流引起的損耗；相互接觸且經受平移件7的持續移動引起 的摩擦的機械部件的磨損；以及由於存在交變電流分量而由線圈9的銅導體的焦耳效應造 成的附加損耗。參考圖3，觸發塊15包括採樣模塊(「採樣和保持」)17，以獲得並存儲信號SC的 初始電平採樣SCI ；減法塊18，以計算信號SC的當前電平和初始電平SCI之間的差；以及處 理塊19，用於輸出通過塊18計算的差的絕對值。處理塊19輸出的值表示信號SC相對於初 始電平SCI的電平變動，下文用AVSC指示。塊17、18、19實際上測量電平變動AVSC。觸發塊15還包括磁滯比較器塊20，用於比較電平變動AVSC和某個閾值THC並 基於該比較來確定需要觸發信號發生塊14的時刻t0。時刻t0是包括給定磁滯的電平變 動AVSC和閾值THC相比變得更大的時刻。換句話說，觸發塊15適於只在信號SC的大於 閾值THC的這些電平變動AVSC下才觸發振蕩時間函數的調製。根據高的操作敏感性以及對信號SC上可能出現的噪聲的適當濾波之間的折衷， 選擇閾值THC的值。換句話說，閾值THC的值使得允許對信號SC的小電平變動也可觸發信 號發生塊14，但是不會由於加在信號SC上的噪聲引起的振蕩而觸發信號發生塊14。閾值 的值低於或等於信號SC幅值的1 %。有益地，閾值的值等於信號SC幅值的0. 1 %。將比較器塊20的輸出反饋給採樣塊17的控制輸入17a，以獲得並存儲新的初始 電平值SCI，並且隨後重置電平變動AVSC。從而，比較器塊20的輸出例如在時刻to從低 電平切換到高電平，並在採樣新的初始電平SCI的效果傳到比較器塊20時，切換回低電平。換句話說，比較器塊20輸出觸發信號ST，用該觸發信號ST控制信號發生塊14。信號ST包 括在時刻t0和隨後的時刻tl之間限定的至少一個脈衝，其取決於一串塊17-20的總響應 時間。根據上述描述顯而易見的是，獲得新的初始電平值SCI後，只要信號SC具有高於 閾值THC的隨後電平變動AVSC，比較器塊20就輸出隨後的脈衝，因而，更新時刻t0，隨後 的電平變動AVSC是相對新的初始電平值SCI計算的。圖4示出實現信號發生塊14的示例。根據圖4，信號發生塊14包括函數發生塊 21，用於產生振蕩時間函數F0;函數發生塊22，用於產生時限函數FD;以及乘法塊23，用於 通過用函數FD調製振蕩函數FO來獲得信號SR。有益地，振蕩函數FO是周期函數。或者，振蕩函數FO是白噪聲。有益地，振蕩函 數FO均值為零。信號發生塊14還包括計時器塊24，適於增加代表當前時刻的變量t ；採樣塊25， 用於通過信號ST即在時刻to採樣變量t ；以及減法塊26，用於計算變量t和變量t在時刻 t0的採樣之間的差，即，實際上用於計算變量t和時刻t0的差u(u = t-t0)。差值u輸入 到函數發生塊22中，S卩，差值u是函數FD所關注的內容(topic)。換句話說，塊24-26把函 數FD的初始時刻偏移到時刻t0，從而觸發僅用時刻t0處的遞減函數FD對振蕩函數FO的 調製。因而，產生的信號SR的類型為SR (t) = FO(cot) · FD (t-t0)其中，ω是振蕩函數FO振蕩的脈衝(角頻率)。例如，振蕩函數FO是正弦類型的函數FO (ω t) = Fl · sin (ω t)或者是如下類型的函數FO (t) = Fl · sign [sin (ω t)]。函數FD的時間限制為值足夠高的持續時間Td，以保證平移件7和導引元件10之 間的分離，但是函數FD的時間限制得足夠低，以在信號SC在相對長的時間保持恆定時盡可 能快地把電流信號I變成恆定值。因而，函數FD在持續時間Td後從信號SC的電平變動 AVSC變為零。根據電磁致動器5應用的類型，選擇持續時間的值Td。經過實驗觀察到，對 於大多數應用，持續時間Td小於或等於1秒。例如，函數FD包括矩形脈衝，或者不同形狀的脈衝。函數FD有益地包括遞減的時間函數，這樣，幅度包絡E從信號SC的電平變動 Δ VSC開始的最大幅寬VM遞減。具體而言，函數FD是遞減到零的函數，因而，幅度包絡E從 最大幅寬VM遞減到零。例如，遞減函數FD包括以指數形式遞減的至少一個函數部分
權利要求
一種用於控制電磁致動器(5)的電源的方法，電磁致動器(5)包括由鐵磁材料製成的定子(6)；由鐵磁材料製成且可適用於沿固定到定子(6)的導引裝置(10)移動的可移動元件(7)；以及電磁激勵裝置(9)，對其施加確定的電源信號(I)時用於產生電磁力(Fem)，以移動可移動元件(7)；所述方法包括 根據第一電信號(SC)產生電源信號(I)，第一電信號(SC)具有限定可移動元件(7)的期望運動的時間模式；所述方法的特徵在於，根據第一電信號(SC)產生電源信號(I)包括 僅在第一電信號(SC)的每個確定的電平變動(ΔVSC)處通過用時限函數(FD)調製振蕩時間函數(FO)來產生第二電信號(SR)，使得第二電信號(SR)的幅度包絡(E)具有某個最大幅寬(VM)； 根據第一電信號(SC)和第二電信號(SR)之和產生所述電源信號(SI)；第二電信號(SR)的所述最大幅寬(VM)使得所述電磁力(Fem)增加一個量，該量等於或大於由於所述可移動元件(7)和所述導引裝置(10)的接觸產生的靜態摩擦力(Fa)。
2.根據權利要求1所述的方法，其中只在大於某個閾值(THC)的第一電信號(SC)的每 個電平變動(AVSC)處產生所述第二電信號(SR)。
3.根據權利要求1所述的方法，其中產生第二電信號(SR)包括-測量所述第一電信號(SC)相對於第一電信號(SC)的初始電平(SCI)的電平變動 (Δ VSC)；-確定電平變動(AVSC)變得大於給定閾值(THC)時的時刻(t0)；以及 -在所述時刻(t0)，觸發用所述時限函數(ED)對所述振蕩時間函數(FO)的調製。
4.根據權利要求3所述的方法，其中產生第二電信號(SC)包括通過在所述時刻(to)採樣所述第一電信號(SC)來確定所述初始電平(SCI)的新的值。
5.根據權利要求3所述的方法，其中測量所述第一電信號(SC)的電平變動(AVSC)包括-計算所述電平變動(AVSC)為所述第一電信號(SC)的當前電平和所述初始電平 (SCI)之差的絕對值。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述時限函數是遞減時間函數(FD)，所述第二電 信號(SR)的幅度包絡(E)從所述第一電信號(SC)的每個所述電平變動(AVSC)處開始從 所述最大幅寬(VM)遞減。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述遞減時間函數(FD)包括指數遞減函數的至少 一部分。
8.根據權利要求6所述的方法，其中所述遞減時間函數(FD)的特徵在於減幅時間等於 或小於2秒。
9.根據權利要求1所述的方法，其中所述振蕩時間函數(FO)是平均值為零的周期信號。
10.根據權利要求1所述的方法，其中所述振蕩時間函數(FO)的振蕩頻率(f)使得保 持所述可移動元件(7)以對應於可移動元件(7)和所述導引裝置(10)之間的動態摩擦條 件的速度移動。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述振蕩頻率(f)高於所述第一電信號(SC)的 頻帶(BfS)，低於根據電磁致動器的截止頻率(fc)確定的較高頻率(fh)。
12.根據權利要求1所述的方法，其中根據第一電信號(SC)和第二電信號(SR)之和產 生所述電源信號(I)包括-產生作為第一電信號(SC)和第二電信號(SR)之和的第三電信號(Si)；-根據確定的增益(GI)放大第三電信號(Si)；所述第二電信號(SR)的所述最大幅寬(VM)以及所述增益(GI)使得所述電磁力(Fem) 增加一個量，該量等於或大於由所述可移動元件(7)與所述導引裝置(10)的接觸引起的靜 態摩擦力。
13.根據權利要求1所述的方法，其中，所述電源信號包括電流信號(I)。
14.一種用於控制電磁致動器(5)的電源的設備，電磁致動器(5)包括由鐵磁材料 製成的定子(6)；由鐵磁材料製成且可適用於沿固定到定子(6)的導引裝置(10)運動的可 移動元件(7)；以及電磁激勵裝置(9)，對其施加確定的電源信號(I)時，用於產生電磁力 (Fem)，以移動可移動元件(7)；所述設備(11)的特徵在於包括電子控制裝置(12)，可適 用於接收具有限定可移動元件(7)的期望運動的時間模式的第一電信號(SC)，以產生第二 電信號(SR)並提供根據第一電信號(SC)和第二電信號(SR)產生的第三電信號(Si)；以 及放大裝置(13)，用於根據所述第三電信號(Si)的放大來產生所述電源信號(I)；所述控 制裝置(12)配置成用於實現根據前述任意一項權利要求的方法。
15.根據權利要求14所述的設備，其中所述放大裝置包括電流放大器(13)，用於產生 電流信號(I)作為電源信號。
全文摘要
一種電磁致動器(5)包括定子(6)；沿導引裝置(10)可移動的平移件(7)；以及激勵線圈(9)，用於產生移動平移件(7)的電磁力(Fem)，為線圈(9)施加根據第一電信號(SC)和第二電信號(SR)之和獲得的電流(I)，第一電信號(SC)的時間模式限定平移件(7)的期望運動；僅在第一電信號(SC)的每個給定電平變動(ΔVSC)處通過用遞減的時限函數(FD)調製振蕩函數(FO)來產生第二電信號(SR)，這樣，第二電信號(SR)的幅度包絡(E)具有某個最大幅寬(VM)，使得電磁力(Fem)增加的量大於平移件(7)和導引元件(10)之間的靜態摩擦力(Fa)。
文檔編號H02P15/00GK101986554SQ20101024202
公開日2011年3月16日 申請日期2010年7月28日 優先權日2009年7月28日
發明者E·德桑迪斯, F·瑪麗戈奈蒂, G·託馬西 申請人:勒達有限責任公司