CN113984113B - 基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器 - Google Patents

基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器，其包括电源模块、DSP控制单元、信号隔离器、驱动电路模块、电磁开关阀、电流采集模块、压力采集模块和温度采集模块，电源模块与DSP控制单元、信号隔离器和驱动电路模块相连，电磁开关阀与驱动电路模块、电流采集模块、压力采集模块和温度采集模块相连，电流采集模块和温度采集模块与DSP控制单元相连。本发明采用三电压驱动，其低压高频信号占空比能适应外界供给压力的变化，也可提高占空比的可控范围，提高了适应工况变化的精度，改善了电磁开关阀的动态响应特性，提高了液压***的稳定性，降低了能量损耗。

Description

基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器
技术领域
本发明属于数字元件驱动控制技术，具体涉及一种基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器。
背景技术
微型电磁开关阀具有结构简单、响应时间短、压力损失小、对油液污染不敏感和工作可靠等优点，不仅能够降低阀控***的节流损失，还可改善电液控制***抗污染能力，在航空航天、汽车工程装备等领域的应用十分广泛。微型电磁开关阀作为电液数字控制***的核心控制元件，控制着执行器的速度和方向，影响着阀控***的动静态性能。因此，提高电磁开关阀的性能是优化阀控***和整机性能的关键，而微型电磁开关阀的性能主要由其动态响应特性决定。
目前，主要通过多级电压切换驱动加快微型电磁开关阀的响应速度，提高微型电磁开关阀的性能。但微型电磁开关阀在工作时，其动态特性会受外界压力、温度等主要因素的影响，难以维持工作的稳定性；同时微型电磁开关阀的结构比较紧凑，阀芯位移难以直接测量，无法实时反馈阀芯的状态，采用压力间接反馈阀芯的开关状态存在延迟误差，实时性差。传统的驱动方式对外界压力变化的适应能力不强，能量损耗方面也有待进一步降低。因此，设计一种基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器以提高微型电磁开关阀的性能并改善阀控***工作的稳定性是十分必要且又相当迫切的。
发明内容
针对以上情况，本发明提供一种基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器，其包括电源模块、DSP控制单元、信号隔离器、驱动电路模块、电磁开关阀、电流采集模块、压力采集模块和温度采集模块。本发明采用三电压驱动，其低压高频信号占空比能适应外界供给压力的变化，也可提高占空比的可控范围，提高了适应工况变化的精度，改善了电磁开关阀的动态响应特性，提高了液压***的稳定性，降低了能量损耗。
本发明提供一种基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器，其包括电源模块、DSP控制单元、信号隔离器、驱动电路模块、电磁开关阀、电流采集模块、压力采集模块和温度采集模块，所述电源模块与所述DSP控制单元、信号隔离器和驱动电路模块相连，所述电磁开关阀与所述驱动电路模块、电流采集模块、压力采集模块和温度采集模块相连，所述电流采集模块和温度采集模块与所述DSP控制单元相连。
所述电源模块包括高压电源、第一低压电源和第二低压电源，所述高压电源和第一低压电源与所述驱动电路模块相连，所述第二低压电源与所述DSP 控制单元和信号隔离器相连；
所述DSP控制单元包括信号输出模块和数据处理模块，所述信号输出模块输出的信号与所述信号隔离器的输入端相连，所述数据处理模块与所述电流采集模块和温度采集模块相连；
所述驱动电路模块包括驱动芯片和开关元件，所述驱动芯片的输入端与所述信号隔离器的输出端相连，其输出端与所述开关元件相连；所述开关元件包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关，所述第一开关、第二开关和第四开关的源极分别与所述电磁开关阀的正向端相连，所述第三开关和第五开关的源极分别与所述电磁开关阀的负向端相连；
所述电磁开关阀的负向端与所述电流采集模块相连，所述电磁开关阀的线圈外壳的顶部与所述温度采集模块的测温头部接触。
可优选的，所述信号输出模块输出的信号包括第一信号、第二信号、第三信号和第四信号，所述信号隔离器设有4个且其输入端分别与所述第一信号、第二信号、第三信号和第四信号相连，所述驱动芯片设有4个且其输入端分别与4个所述信号隔离器的输出端相连。
进一步，所述第一开关的栅极与所述第一信号对应的所述驱动芯片的输出端相连，其漏极与所述高压电源的正极相连；所述第二开关的栅极与所述第二信号对应的所述驱动芯片的输出端相连，其漏极与所述第一低压电源相连；所述第三开关的栅极和第四开关的栅极分别与所述第三信号对应的所述驱动芯片的输出端相连，所述第三开关的漏极与所述高压电源的正极相连；所述第五开关的栅极与所述第四信号对应的所述驱动芯片的输出端相连。
进一步，所述高压电源、电磁开关阀、第一开关与第五开关构成正向高压驱动，所述高压电源、电磁开关阀、第三开关与第四开关构成反向高压驱动，所述第一低压电源、第二开关、电磁开关阀与第五开关构成正向低压驱动。
可优选的，所述信号隔离器为光耦隔离元件，所述电流采集模块为一个定值的采样电阻，所述温度采集模块为螺钉式热电偶，所述压力采集模块为薄膜贴片式压力传感器，所述电磁开关阀为微型电磁开关阀。
可优选的，所述电源模块为能够提供多路直流电源的稳压模块；所述信号隔离器隔离所述驱动电路模块的输入和输出，隔离高频信号；所述驱动电路模块为三电压多频信号驱动。
可优选的，所述驱动电路模块采用三电压驱动，所述电磁开关阀分为五个阶段：高压快速开启阶段、零压延迟阶段、低压维持电磁开关阀开启阶段、反压快速关闭阶段和零压保持关闭阶段，其中低压采用的高频信号占空比能适应外界供给压力的变化而改变，而且能提高占空比的可控范围。
本发明的特点和有益效果是：
1、本发明提供的基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器，信号电路与驱动电路之间加有信号隔离器，隔离驱动电路的输入和输出，能够实现高频信号的隔离，保证信号输出的稳定性。
2、本发明提供的基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器，驱动电路采用三电压驱动，电磁阀启闭可分为五个阶段：高压快速开启阶段、零压延迟阶段、低压维持电磁开关阀开启阶段、反压快速关闭阶段和零压保持关闭阶段，其中低压采用的高频信号占空比能够适应外界供给压力的变化而改变，低压高频信号也可以提高占空比的可控范围，能够提高适应工况变化的精度。
3、本发明提供的基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器，不仅能够改善电磁开关阀的动态响应特性，提高液压***的稳定性，也能降低能量损耗，对提高液压***的绿色环保、安全性和控制精度等方面具有重要实际意义。
附图说明
图1为本发明基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器原理图；
图2a是本发明的DSP控制单元输出的第一信号时间图；
图2b是本发明的DSP控制单元输出的第二信号时间图；
图2c是本发明的DSP控制单元输出的第三信号时间图；
图2d是本发明的DSP控制单元输出的第四信号时间图；
图3是本发明的电磁开关阀螺线圈两端的电压时间图；
图4是本发明的经过电磁开关阀螺线圈的电流时间图；
图5是本发明的驱动控制方法与单压驱动控制方法的能量消耗对比图。
图中：
1-电源模块；11-高压电源；12-第一低压电源；13-第二低压电源；2-DSP 控制单元；21-信号输出模块；211-第一信号；212-第二信号；213-第三信号； 214-第四信号；22-数据处理模块；3-信号隔离器；4-驱动电路模块；41-驱动芯片；42-开关元件；421-第一开关；422-第二开关；423-第三开关；424-第四开关；425-第五开关；5-电磁开关阀；6-电流采集模块；7-压力采集模块；8- 温度采集模块。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
本发明提供的基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器，如图1 所示，其包括电源模块1、DSP控制单元2、信号隔离器3、驱动电路模块4、电磁开关阀5、电流采集模块6、压力采集模块7和温度采集模块8，电源模块1与DSP控制单元2、信号隔离器3和驱动电路模块4相连，电磁开关阀5 与驱动电路模块4、电流采集模块6、压力采集模块7和温度采集模块8相连，电流采集模块6和温度采集模块8与DSP控制单元2相连，压力采集模块7 为薄膜贴片式压力传感器。
电源模块1为能够提供多路直流电源的稳压模块，其包括高压电源11、第一低压电源12和第二低压电源13，高压电源11和第一低压电源12与驱动电路模块4相连，第二低压电源13与DSP控制单元2和信号隔离器3相连。
信号隔离器3为光耦隔离元件，信号隔离器3隔离驱动电路模块4的输入和输出，隔离高频信号。
DSP控制单元2包括信号输出模块21和数据处理模块22，信号输出模块 21输出的信号包括第一信号211、第二信号212、第三信号213和第四信号214，信号隔离器3设有4个且其输入端分别与第一信号211、第二信号212、第三信号213和第四信号214相连，数据处理模块22与电流采集模块6和温度采集模块8相连。
驱动电路模块4包括驱动芯片41和开关元件42，驱动芯片41设有4个且其输入端分别与4个信号隔离器3的输出端相连，驱动芯片41的输出端与开关元件42相连；开关元件42包括第一开关421、第二开关422、第三开关 423、第四开关424和第五开关425，第一开关421、第二开关422和第四开关 424的源极分别与电磁开关阀5的正向端相连，第三开关423和第五开关425 的源极分别与电磁开关阀5的负向端相连。第一开关421的栅极与第一信号211对应的驱动芯片41的输出端相连，其漏极与高压电源11的正极相连；第二开关422的栅极与第二信号212对应的驱动芯片41的输出端相连，其漏极与第一低压电源12相连；第三开关423的栅极和第四开关424的栅极分别与第三信号213对应的驱动芯片41的输出端相连，第三开关423的漏极与高压电源11的正极相连；第五开关425的栅极与第四信号214对应的驱动芯片41 的输出端相连。高压电源11、电磁开关阀5、第一开关421与第五开关425构成正向高压驱动，高压电源11、电磁开关阀5、第三开关423与第四开关424 构成反向高压驱动，第一低压电源12、第二开关422、电磁开关阀5与第五开关425构成正向低压驱动。
驱动电路模块4采用三电压驱动，电磁开关阀5分为五个阶段：高压快速开启阶段、零压延迟阶段、低压维持电磁开关阀开启阶段、反压快速关闭阶段和零压保持关闭阶段，其中低压采用的高频信号占空比能适应外界供给压力的变化而改变，且能提高占空比的可控范围。
电磁开关阀5为微型电磁开关阀，电磁开关阀5的负向端与电流采集模块6相连，电磁开关阀5的线圈外壳的顶部与温度采集模块8的测温头部接触。电流采集模块6为一个定值的采样电阻，温度采集模块8为螺钉式热电偶。
为详细说明本发明的工作过程，以下结合实施例对本发明一种基于阀芯位移软测量的微型电磁阀驱动控制器作进一步说明。
微型电磁开关阀的整个运动周期可以分为五个运动阶段，即微型电磁开关阀的高压快速开启阶段、零压延迟阶段、低压维持开启阶段、反压快速关闭阶段及零压闭合阶段，而电磁开关阀的运动频率由第四信号决定，如图2d所示。
DSP控制单元2输出如图2a-图2d所示的第一信号211、第二信号212、第三信号213和第四信号214。阀芯开启前，第一信号211、第二信号212、第三信号213和第四信号214均是低电平，开启阶段：第一信号211和第四信号214为高电平，连接高压电源的第一开关421和第五开关425打开，电磁开关阀6在高压下快速开启；
零压延迟阶段：结合数据处理模块22“软测量”估计的阀芯位移值，当阀芯位移大于零时，第一信号211转变为低电平，降低电流至临界开启电流 Ie(p)；
低压维持开启阶段：第二信号212转变为高电平，第四信号214仍为高电平，则连接低压电源的第二开关422和第五开关425开启，微型电磁开关阀在低压Ud下维持开启，低电压控制信号是一定占空比的高频信号；同时，可以通过改变占空比τ更换加在微型电磁开关阀两端的电压，进而可以使低电压跟随外界压力的变化，其中有：
Figure BDA0003299429430000061
反压快速关闭阶段：控制信号下降沿时，即第四信号214和第二信号212 转变为低电平，同时第三信号213转变为高电平，连接高压电源的第三开关 423和第四开关424开启，直到当阀芯关闭，第三信号213转变为低电平，直到下一个周期控制信号上升沿的到来。
在本发明的驱动方法控制下，一个运动周期的线圈两端的电压曲线和线圈电流曲线分别如图3和图4所示，易知微型电磁开关阀阀芯的打开和关闭时间较短；一个周期的能量消耗如图5所示，与单压驱动控制方法相比，本发明驱动控制方法能够大幅度减少能量消耗降低接近75％，有效提高了能源利用率，降低阀芯工作过程中的温升。
本发明提供的基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器，信号电路与驱动电路之间加有信号隔离器，隔离驱动电路的输入和输出，能够实现高频信号的隔离，保证信号输出的稳定性；驱动电路采用三电压驱动，电磁阀启闭可分为五个阶段：高压快速开启阶段、零压延迟阶段、低压维持电磁开关阀开启阶段、反压快速关闭阶段和零压保持关闭阶段，其中低压采用的高频信号占空比能够适应外界供给压力的变化而改变，低压高频信号也可以提高占空比的可控范围，能够提高适应工况变化的精度；不仅能够改善电磁开关阀的动态响应特性，提高液压***的稳定性，也能降低能量损耗，对提高液压***的绿色环保、安全性和控制精度等方面具有重要实际意义。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器，其特征在于，其包括电源模块、DSP控制单元、信号隔离器、驱动电路模块、电磁开关阀、电流采集模块、压力采集模块和温度采集模块，所述电源模块与所述DSP控制单元、信号隔离器和驱动电路模块相连，所述电磁开关阀与所述驱动电路模块、电流采集模块、压力采集模块和温度采集模块相连，所述电流采集模块和温度采集模块与所述DSP控制单元相连，
所述电源模块包括高压电源、第一低压电源和第二低压电源，所述高压电源和第一低压电源与所述驱动电路模块相连，所述第二低压电源与所述DSP控制单元和信号隔离器相连；
所述DSP控制单元包括信号输出模块和数据处理模块，所述信号输出模块输出的信号与所述信号隔离器的输入端相连，所述数据处理模块与所述电流采集模块和温度采集模块相连，所述信号输出模块输出的信号包括第一信号、第二信号、第三信号和第四信号；所述信号隔离器设有4个且其输入端分别与所述第一信号、第二信号、第三信号和第四信号相连；
所述驱动电路模块包括驱动芯片和开关元件，所述驱动芯片的输入端与所述信号隔离器的输出端相连，所述驱动芯片的输出端与所述开关元件相连；所述开关元件包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关，所述第一开关、第二开关和第四开关的源极分别与所述电磁开关阀的正向端相连，所述第三开关和第五开关的源极分别与所述电磁开关阀的负向端相连；
所述电磁开关阀的负向端与所述电流采集模块相连，所述电磁开关阀的线圈外壳的顶部与所述温度采集模块的测温头部接触；
所述驱动电路模块采用三电压驱动，所述电磁开关阀分为五个阶段：高压快速开启阶段、零压延迟阶段、低压维持电磁开关阀开启阶段、反压快速关闭阶段和零压保持关闭阶段，其中低压采用的高频信号占空比能适应外界供给压力的变化而改变；
DSP控制单元输出第一信号、第二信号、第三信号和第四信号，阀芯开启前，第一信号、第二信号、第三信号和第四信号均是低电平，高压快速开启阶段：第一信号和第四信号为高电平，连接高压电源的第一开关和第五开关打开，电磁开关阀在高压下快速开启；
零压延迟阶段：结合数据处理模块的阀芯位移值，当阀芯位移大于零时，第一信号转变为低电平，降低电流至临界开启电流Ie(p)；
低压维持电磁开关阀开启阶段：第二信号转变为高电平，第四信号仍为高电平，则连接低压电源的第二开关和第五开关开启，微型电磁开关阀在低压Ud下维持开启，低电压控制信号是一定占空比的高频信号；同时，通过改变占空比τ更换加在微型电磁开关阀两端的电压，进而使低电压跟随外界压力的变化；
反压快速关闭阶段：控制信号下降沿时，即第四信号和第二信号转变为低电平，同时第三信号转变为高电平，连接高压电源的第三开关和第四开关开启，直到当阀芯关闭，第三信号转变为低电平，直到下一个周期控制信号上升沿的到来。
2.根据权利要求1所述的基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器，其特征在于，所述驱动芯片设有4个且其输入端分别与4个所述信号隔离器的输出端相连。
3.根据权利要求1或者2所述的基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器，其特征在于，所述第一开关的栅极与所述第一信号对应的所述驱动芯片的输出端相连，其漏极与所述高压电源的正极相连；所述第二开关的栅极与所述第二信号对应的所述驱动芯片的输出端相连，其漏极与所述第一低压电源相连；所述第三开关的栅极和第四开关的栅极分别与所述第三信号对应的所述驱动芯片的输出端相连，所述第三开关的漏极与所述高压电源的正极相连；所述第五开关的栅极与所述第四信号对应的所述驱动芯片的输出端相连。
4.根据权利要求1所述的基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器，其特征在于，所述高压电源、电磁开关阀、第一开关与第五开关构成正向高压驱动，所述高压电源、电磁开关阀、第三开关与第四开关构成反向高压驱动，所述第一低压电源、第二开关、电磁开关阀与第五开关构成正向低压驱动。
5.根据权利要求1所述的基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器，其特征在于，所述信号隔离器为光耦隔离元件，所述电流采集模块为一个定值的采样电阻，所述温度采集模块为螺钉式热电偶，所述压力采集模块为薄膜贴片式压力传感器，所述电磁开关阀为微型电磁开关阀。
6.根据权利要求1所述的基于阀芯位移软测量的微型电磁开关阀驱动控制器，其特征在于，所述电源模块为能够提供多路直流电源的稳压模块；所述信号隔离器隔离所述驱动电路模块的输入和输出，隔离高频信号。
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