一种高速开关阀复合PWM控制方法

摘要

本发明公开一种高速开关阀复合PWM控制方法，其特征在于：将高速开关阀阀芯的动作过程定义为四个阶段，包括：阀芯开启阶段、阀芯最大开口维持阶段、阀芯关闭阶段以及阀芯关闭维持阶段。在阀芯开启阶段控制，通过控制激励PWM的占空比使阀芯可靠开启；在阀芯最大开口维持阶段，通过控制高频PWM的占空比使线圈电流处于最优值，保证线圈功率损耗最低；在阀芯关闭阶段，通过控制反向PWM的占空比加速线圈电流卸荷，减小阀芯关闭时间。本发明所设计的复合PWM信号与常规PWM信号类似，仅通过一个硬件数字口输出信号，具有高响应、低功耗与低成本的优势。

权利要求

1.一种高速开关阀复合PWM控制方法，其特征在于：高速开关阀阀芯的动作包括：阀芯开启阶段、阀芯最大开口维持阶段、阀芯关闭阶段以及阀芯关闭维持阶段；阀芯开启阶段为阀芯从关闭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；阀芯关闭阶段为阀芯从最大开口状态运动至刚到达关闭状态；阀芯关闭维持阶段为阀芯在一段时间内处于关闭状态；

提供复合PWM控制信号，复合PWM控制信号包括基准PWM、激励PWM、高频PWM以及反向PWM；

所述基准PWM的频率f1与占空比τ1分别用于控制高速开关阀的开关频率和平均输出流量；

所述激励PWM的频率f2与基准PWM的频率f1大小相同，而占空比τ2用于在阀芯开启阶段控制阀芯开启；

所述高频PWM的频率f3和占空比τ3用于在阀芯最大开口维持阶段控制阀芯运动到位时的电流大小；

所述反向PWM的频率f4与占空比τ4用于在阀芯关闭阶段加速线圈电流卸荷以减小阀芯关闭时间；

当基准PWM信号处于上升沿时，激励PWM信号工作，驱动阀芯动作；当阀芯达到最大开口后，切换到高频PWM，通过控制高频PWM的占空比τ3以减小线圈电流；当基准PWM处于下降沿时，切换到反向PWM，对线圈施加反向电压以加速线圈电流卸荷；当线圈电流降低至0A时，切换到基准PWM，此时线圈的电压为0V，阀芯回到初始位置。

2.根据权利要求1所述的高速开关阀复合PWM控制方法，其特征在于：激励PWM的占空比τ2的反馈控制是通过实时监测阀芯运动到位时间t1，乘以基准PWM的频率f1，作为占空比τ2；

设置阀芯位移的非线性滑模观测器，通过线圈电流的实时测量值来估计阀芯的位移，阀芯位移的非线性滑模观测器为式中，ps为进油口的压力，As为进油口面积，mp为阀芯的质量，Fm为电磁力， 和 分别为阀芯位移和速度的估计值，x2为阀芯速度的真值，Bv为阀芯的阻尼系数，h1、h2、M1以及M2分别为正增益常数，其中sgn为符号函数由于电流是唯一可测变量，并以此来估计阀芯的位移，将电流误差作为滑模面方程：通过所设计的阀芯位移的非线性滑模观测器来实时估计阀芯位移，并监测估计位移的运动到位时间t1，以此来计算激励PWM的占空比τ2，具体计算如下：τ2＝τ1+t1f1；

激励PWM的占空比τ2的增加提高了激励PWM的作用时间，使阀芯一直处于加速运动状态，直到阀芯运动至最大开口状态的过程中，激励PWM的占空比τ2保持不变。

3.根据权利要求2所述的高速开关阀复合PWM控制方法，其特征在于：高频PWM的占空比τ3优化反馈控制是通过实时采集高速开关阀的进油压力，计算临界电磁力的大小，进而推算出临界电流Imb和可以维持阀芯最大开口的最小占空比；当阀芯处于最大开口时，存在一个临界电磁力与液压力和稳态液动力平衡，临界电磁力Fmb为Fmb＝psAs-Fy；

则对应的临界电流Imb为

则占空比τ3为

式中，Fy为稳态液动力，μ0为真空磁导率，L0为初始气隙长度，kf为漏磁系数，N为线圈匝数，S为衔铁有效截面积，xvmax为阀芯的最大位移，U为输入电压，R为线圈电阻，将该占空比τ3应用于高频PWM对高速开关阀的控制中。

4.根据权利要求1所述的高速开关阀复合PWM控制方法，其特征在于：借助电流传感器实时监测线圈电流，并通过程序监测线圈电流的卸荷时间t2，乘以基准PWM的频率f1，得到反向PWM的占空比τ4，τ4＝τ1+t2f1；

反向PWM的占空比τ4的增加提高反向电压的作用时间，进一步加速线圈电流的卸荷速度，进而降低线圈电流的卸荷时间t2，直至线圈电流降低至0A的过程中，反向PWM的占空比τ4保持不变。

5.根据权利要求1所述的高速开关阀复合PWM控制方法，其特征在于：应用于航空发动机，飞机刹车以及汽车液压制动中的高速开关阀。

说明书

一种高速开关阀复合PWM控制方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及高速开关阀的驱动控制方法，尤其涉及一种高速开关阀复合PWM控制方法背景技术：

[0002] 高速开关阀作为数字液压系统中的核心元件，其阀芯为锥阀或球阀形式，且仅工作在全开或全关状态，主要的调制方式包括编码调制(Pulse Code Modulation,PCM)、脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)以及脉数调制(Pulse Number Modulation,PNM)，相对于伺服阀，高速开关阀具有无零漂、无泄漏以及可靠性高等优点，在航空发动机，飞机刹车以及汽车液压制动等领域得到了一定的应用。

[0003] 目前，高速开关阀一般采用单一PWM的控制方法，该方法存在功耗大和响应速度慢的缺陷。而提高高速开关阀响应速度和降低功耗的一项公知的技术是多电压控制方法，但该方法需要多种不同电压幅值的开关电源以及专用的电压控制板，硬件成本较高。因此，最直接简单有效的办法就是从数字信号产生的机理出发，通过对不同功能的PWM信号进行合成，以实现高速开关阀的高响应、低功耗与低成本的控制。在多PWM控制方法的研究方面，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，该发明在阀芯维持阶段通过控制PWM的频率和维持占空比来降低线圈功耗，但该发明并没有降低阀芯延迟时间，且维持占空比是通过大量的测试数据得到，实施难度大，且无法适应供油压力变化的工况。发明内容：

[0004] 本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种高速开关阀复合PWM控制方法，该控制方法能够在阀芯开启阶段保证阀芯可靠开启、在阀芯维持最大开口阶段降低功耗以及在阀芯关闭阶段减小关闭延迟时间。

[0005] 本发明所采用的如下技术方案：

[0006] 一种高速开关阀复合PWM控制方法，其特征在于：高速开关阀阀芯的动作包括：阀芯开启阶段、阀芯最大开口维持阶段、阀芯关闭阶段以及阀芯关闭维持阶段；阀芯开启阶段为阀芯从关闭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；阀芯关闭阶段为阀芯从最大开口状态运动至刚到达关闭状态；阀芯关闭维持阶段为阀芯在一段时间内处于关闭状态；

[0007] 提供复合PWM控制信号，复合PWM控制信号包括基准PWM、激励PWM、高频PWM以及反向PWM；

[0008] 所述基准PWM的频率f1与占空比τ1分别用于控制高速开关阀的开关频率和平均输出流量；

[0009] 所述激励PWM的频率f2与f1相同，而占空比τ2用于在阀芯开启阶段控制阀芯开启；

[0010] 所述高频PWM的频率f3和占空比τ3用于在阀芯最大开口维持阶段控制阀芯运动到位时的电流大小；

[0011] 所述反向PWM的频率f4与占空比τ4用于在阀芯关闭阶段加速线圈电流卸荷以减小阀芯关闭时间；

[0012] 当基准PWM信号处于上升沿时，激励PWM信号工作，驱动阀芯动作；当阀芯达到最大开口后，切换到高频PWM，通过控制高频PWM的占空比τ3以减小线圈电流；当基准PWM处于下降沿时，切换到反向PWM，对线圈施加反向电压以加速线圈电流卸荷；当线圈电流降低至0A时，切换到基准PWM，此时线圈的电压为0V，阀芯回到初始位置。

[0013] 上述技术方案的原理为，所述基准PWM的频率f1与占空比τ1用于控制高开关阀的开关频率和平均输出流量，其信号与常规PWM信号类似；所述激励PWM的频率f2与f1相同，而占空比τ2用于在阀芯开启阶段控制阀芯可靠开启；所述高频PWM的频率f3和占空比τ3用于在阀芯最大开口维持阶段控制阀芯运动到位时的电流大小，确保线圈处于低功耗模式；所述反向PWM的频率f4与占空比τ4用于在阀芯关闭阶段加速线圈电流的卸荷时间，减小阀芯关闭时间。

[0014] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提出的复合PWM控制方法包括基准PWM、激励PWM、高频PWM以及反向PWM。其中，通过控制激励PWM的占空比可以使阀芯可靠开启，达到最大开口；通过控制高频PWM的占空比可以在阀芯最大开口维持阶段，控制线圈电流处于最优值，保证线圈功率损耗最低；通过控制反向PWM的占空比可以在阀芯关闭阶段加速线圈电流的卸荷时间，减小阀芯关闭时间。

[0015] 进一步的，所述激励PWM的占空比τ2过小，阀芯可能无法完全开启，τ2过大，功率损失较大，且受到不同进口压力的影响。所述占空比τ2的反馈控制原理：通过实时监测阀芯运动到位时间t1，乘以载波频率f1，作为占空比τ2。由于阀芯位移不可测，设计阀芯位移的非线性滑模观测器，通过电流的实时测量值来估计阀芯的位移，阀芯的滑模观测器为[0016]

[0017] 式中，h1、h2、M1以及M2分别为正增益常数，其中sgn为符号函数

[0018]

[0019] 由于电流是唯一可测变量，并以此来估计阀芯的位移，将电流误差作为滑模面方程。

[0020]

[0021] 通过所设计的阀芯位移观测器来实时估计阀芯位移，并监测估计位移的运动到位时间，以此来计算激励PWM的占空比，具体计算如下

[0022] τ2＝τ1+t1f1        (4)

[0023] 所述高频PWM的占空比τ3过大，线圈电流过大，造成不必要的功耗，τ3过小可能导致阀芯关闭。所述占空比τ3优化反馈控制原理：通过实时采集进油压力，计算临界电磁力的大小，进而推算出临界电流和可以维持最大开口的最小占空比。当阀芯处于最大开口时，存在一个临界电磁力与液压力和稳态液动力平衡，临界电磁力为

[0024] Fmb＝Fs-Fy＝psAs-Fy       (5)

[0025] 则对应的临界电流为

[0026]

[0027] 则占空比τ3为

[0028]

[0029] 式中，ps为进油口的压力，As为进油口面积，Fy为稳态液动力，μ0为真空磁导率，L0为初始气隙长度，kf为漏磁系数，N为线圈匝数，S为衔铁有效截面积，xvmax为阀芯的最大位移，式中，U为输入电压，R为线圈电阻。

[0030] 所述反向PWM的占空比τ4过小，电流卸荷速度慢，τ4过大，电流卸荷速度快，但可能导致电流为负，电磁力变大，阀芯重新打开。所述反向PWM的占空比τ4优化反馈控制原理：通过实时监测线圈电流的卸荷时间t2，乘以载波频率，得到占空比τ4为

[0031] τ4＝τ1+t2f1       (8)

[0032] 所述复合PWM控制方法的工作过程如下：当检测到基准PWM信号的上升沿时，激励PWM信号工作，驱动阀芯动作；当阀芯达到最大开口后，切换到高频PWM，减小线圈电流并维持最大开口；当检测到基准PWM的下降沿时，切换到反向PWM，加速电流卸荷，阀芯运动回位；当检测到线圈电流低于最小阈值后，切换到基准PWM，此时线圈电压为0，阀芯回到初始位置。
附图说明：

[0033] 图1为本发明实施例提供的高速开关阀阀芯动作特性图；

[0034] 图2为本发明实施例提供的复合PWM信号图；

[0035] 图3为本发明实施例提供的基准PWM信号图；

[0036] 图4为本发明实施例提供的激励PWM信号图；

[0037] 图5为本发明实施例提供的高频PWM信号图；

[0038] 图6为本发明实施例提供的反向PWM信号图。

[0039] 图7为不同进口压力下的阀芯位移反馈控制响应曲线图；

[0040] 图8为6MPa进口压力下的阀芯合力反馈控制响应曲线图；

[0041] 图9为20Hz频率下的的线圈电流反馈控制响应曲线图；

[0042] 图10为复合PWM和常规单一PWM分别控制下的线圈电流对比图；

[0043] 图11为复合PWM和常规单一PWM分别控制下的阀芯位移响应对比图。具体实施方式：

[0044] 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。

[0045] 本发明公开一种高速开关阀复合PWM控制方法，特点是：将高速开关阀阀芯的动作过程定义为四个阶段，如图1所示，包括：阀芯开启阶段、阀芯最大开口维持阶段、阀芯关闭阶段以及阀芯关闭维持阶段。阀芯开启阶段为阀芯从关闭状态运动至全开口状态；阀芯最大开口维持阶段为阀芯处于全开口状态；阀芯关闭阶段为阀芯从全开口状态运动至关闭状态；阀芯关闭维持阶段为阀芯处于零开口状态。

[0046] 高速开关阀的常规PWM控制信号为图1中线圈电压信号，在阀芯开启阶段和阀芯关闭阶段，电感的作用导致阀芯存在一定的延迟作用，且在阀芯最大开口维持阶段，线圈电流一直处于最大值，线圈功耗较大，发热严重。

[0047] 针对上述问题，本发明采用的方法是提出一种复合PWM控制方法，如图2所示，包括基准PWM、激励PWM、高频PWM以及反向PWM。在一个周期内，基准PWM的频率f1与占空比τ1用于控制高开关阀的开关频率和平均输出流量，其信号与常规PWM信号类似，如图3所示；在阀芯开启阶段，激励PWM的频率f2与f1相同，而占空比τ2用于控制阀芯可靠开启；在阀芯最大开口维持阶段，高频PWM的频率f3和占空比τ3用于控制阀芯运动到位时的电流大小，确保线圈处于低功耗模式；在阀芯关闭阶段，反向PWM的频率f4与占空比τ4用于控制线圈电流的卸荷时间，加速阀芯关闭。

[0048] 激励PWM信号如图4所示，其占空比τ2过小，阀芯可能无法完全开启，占空比τ2过大，功率损失较大。激励PWM的占空比τ2反馈控制原理：通过实时监测阀芯运动到位时间t1，乘以载波频率f1，作为占空比τ2。由于阀芯位移不可测，设计阀芯位移的非线性滑模观测器，通过电流的实时测量值来估计阀芯的位移，阀芯的滑模观测器为

[0049]

[0050] 式中，h1、h2、M1以及M2分别为正增益常数，其中sgn为符号函数

[0051]

[0052] 由于电流是唯一可测变量，并以此来估计阀芯的位移，将电流误差作为滑模面方程。

[0053]

[0054] 通过所设计的阀芯位移观测器来实时估计阀芯位移，并监测估计位移的运动到位时间，以此来计算激励PWM的占空比，具体计算如下

[0055] τ2＝τ1+t1f1        (4)

[0056] 高频PWM主要是在阀芯最大开口维持阶段控制电磁力的大小，此时阀芯合力略大于0，即可维持最大开口，占空比过大，电磁力过大造成不必要的功耗，占空比过小则可能导致阀芯关闭。高频PWM的占空比τ3优化反馈控制原理：通过实时采集进油压力，计算临界电磁力的大小，进而推算出临界电流和可以维持最大开口的最小占空比。当阀芯处于最大开口时，存在一个临界电磁力与液压力和稳态液动力平衡，临界电磁力为

[0057] Fmb＝Fs-Fy＝psAs-Fy        (5)

[0058] 则对应的临界电流为

[0059]

[0060] 则占空比τ3为

[0061]

[0062] 式中，ps为进油口的压力，As为进油口面积，Fy为稳态液动力，μ0为真空磁导率，L0为初始气隙长度，kf为漏磁系数，N为线圈匝数，S为衔铁有效截面积，xvmax为阀芯的最大位移，式中，U为输入电压，R为线圈电阻。

[0063] 反向PWM主要是在阀芯关闭时加速线圈电流的卸荷速度，占空比过小，电流卸荷速度慢，占空比过大，电流卸荷速度快，但可能导致电流为负，电磁力变大，阀芯重新打开。反向PWM的占空比τ4优化反馈控制原理：通过实时监测线圈电流的卸荷时间t2，乘以载波频率，得到占空比τ4为

[0064] τ4＝τ1+t2f1        (8)

[0065] 复合PWM控制方法的工作过程如下：当检测到基准PWM信号的上升沿时，激励PWM信号工作，驱动阀芯动作；当阀芯达到最大开口后，切换到高频PWM，减小线圈电流并维持最大开口；当检测到基准PWM的下降沿时，切换到反向PWM，加速电流卸荷，阀芯运动回位；当检测到线圈电流低于最小阈值后，切换到基准PWM，此时线圈电压为0，阀芯回到初始位置。

[0066] 下面结合具体的实例在仿真环境中进行试验：

[0067] 在仿真中取如下参数对系统进行建模：以贵州红林公司的两位三通高速开关阀(HSV3101S2)为研究对象，具体参数：驱动频率为20Hz，驱动电压为24V，线圈匝数为900匝，线圈电阻为11.2Ω，漏磁系数为1.6，初始气息为0.6mm，最大开口为0.4mm，球阀直径为2.4mm，基准PWM的频率f1与占空比τ1分别为20Hz和0.5，高频PWM的的频率f3为1000Hz。

[0068] 控制效果如下：

[0069] 图7为不同进口压力下的阀芯位移反馈控制响应曲线图，由图7可知，在不同压力下，阀芯位移同样可以达到最大开口，进口压力增加时，克服阀芯运动的阻力增加，从而导致阀芯开启延迟时间增加，由于激励PWM控制的是电压激励时间，并未控制电压幅值，故不能保证不同进口压力下的阀芯开启时间一致。

[0070] 图8为6MPa进口压力下的阀芯合力反馈控制响应曲线图，由图8可知，在6MPa进口压力下，采用高频PWM占空比反馈控制方法后，阀芯合力略大于0，既可以保证阀芯维持最大开口，又可以有效降低功耗，减小温升。

[0071] 图9为20Hz频率下的的线圈电流反馈控制响应曲线图，由图9可知，对反向PMW的占空比进行反馈控制后，在20Hz频率下，电流的卸荷时间从7ms降低到2ms左右，并且不会出现反向电流，避免阀芯重新打开的问题，有效降低了阀芯的关闭时间，提高了阀芯的响应速度。

[0072] 图10为复合PWM和常规单一PWM分别控制下的线圈电流对比图，由图10可知，与单一PWM控制相比，采用复合PWM控制策略后，阀芯在维持最大开口时，线圈电流降低约61％，有效降低了功耗。图11为复合PWM和常规单一PWM分别控制下的阀芯位移响应对比图，由图11可知，阀芯关闭时，以理想阀芯位移为参考，采用复合PWM控制的阀芯位移关闭时间在3ms左右，与单一PWM控制相比，减小约57％。

[0073] 由上述结果可知，与单一PWM控制相比，本发明所提出的复合PWM控制方法可以有效减少线圈的功率损耗和阀芯的关闭时间。

[0074] 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。