CN1145464A - 比例电磁阀控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种比例电磁阀控制装置，可应用于各种***中的单向阀，例如重型设备的液压***，自动传输***和车辆的自动注油***，并按照电流指令精确地控制流入比例电磁阀中的负载电流。所述比例电磁阀装置包括：由开关晶体管，比例电磁阀和电流检测电阻构成的主电路；以及由电流指令检测电路，偏置电路，限制电流指令电路，电流检测电路，比例积分控制器，脉宽调制比较器以及输出电路构成的控制电路。

Description

比例电磁阀控制装置
本发明涉及用于例如重型设备的液压***、自动传输***或车辆的喷油***中的比例电磁阀控制装置。具体地说，本发明涉及一种用于液压***中的单向阀的控制装置。
比例电磁阀的研制填补了伺服阀和常规的开/关电磁阀之间的空白。关于比例电磁阀的说明可以在“Machine Design”，pp.69-72，1983年2月以及在“Machine Design”，pp.77-81，1984年3月有关液压***的控制中找到。
电气控制的比例电磁阀不同于开关电磁阀，它可以按比例地控制一液压***，并具有比伺服阀成本低、控制***简单的优点。具体地说，虽然伺服阀具有小的死区(deadband)以及较快的响应时间和较快的频率响应，但它大约为比例电磁阀价格的5倍。同样，虽然开关电磁阀的成本大约只有比例电磁阀成本的一半，但它只能控制液压***的开/关操作。
因此，比例电磁阀具有可以和伺服阀相比的控制性能但没有像其那样昂贵的成本。
有鉴于此，本发明的目的是提供一种按照电流指令(currentcommand)精确地控制流过比例电磁阀的电流的控制装置。本发明的另一个目的在于提供一种比例电磁阀，当高于一个固定值的外部电流指令加于该控制电路时，所述比例电磁阀能够限制一电流指令。
为了实现上述目的，本发明提供的比例电磁阀控制装置包括：电流指令检测电路，用来检测由用户输入的电流指令和参考电压之间的电压差；偏置电路，用来接收由电流指令检测电路检测的电流指令，并产生一个偏置值，它可以被用户改变，并当电流指令高于一预定值时可被用于限制(limit)电流指令；增加和限制电流指令电路，用来将电流指令和来自偏置(offset)电路的偏置值相加，并且当偏置值被用来限制电流指令时，通过提供一个固定值限制输出的电流指令；电流检测电路，用来检测主电路中流过阀门的电流；比例积分控制器(以后称为PI控制器)用来接收正负交变的三角波脉冲信号，并把来自增加和限制电流指令电路的输出、电流检测电路的输出信号以及第二三角波脉冲信号相加，以及放大由这三个信号确定的误差；脉宽调制比较器，用来接收不同的三角波脉冲信号并将其和PI控制器的输出信号进行比较；输出电路，用来产生具有相应于脉宽调制比较器的输出信号的占空比的开关信号。
比例电磁阀控制装置还包括电流指令模式确定电路，用来确定操作模式并把该操作模式提供给输出电路。
开关元件，使用其开关信号来控制与开关元件相连接的比例电磁阀的开关操作。在这种方式下，脉宽调制被用于控制比例电磁阀，同时减少功率消耗。
现在参照附图说明本发明的最佳实施例。
附图简要说明
图1是按照本发明最佳实施例的比例电磁阀控制装置的方框图；
图2是按照本发明的最佳实施例的比例电磁阀控制装置的控制电路的详细电路图；以及
图3至图5是关于按照本发明的最佳实施例的比例电磁阀控制装置的负载电流对电流指令的曲线。
现在参照图1说明按照本发明最佳实施例的比例电磁阀的控制装置。
按照本发明最佳实施例的比例电磁阀控制装置包括主电路100和控制电路200。主电路100包括P型金属氧化物半导体(以后称为PMOS)晶体管M，比例电磁阀PV和电流检测电阻RS。
具体地说，PMOS晶体管M的栅极被连接到控制电路200的输出端OUT，PMOS晶体管M的源极被连接到电源电压Vdc。齐纳二极管ZD正向地和电阻R并联在PMOS晶本管M的栅极和源极之间。
比例电磁阀PV和电流检测电阻Rs串联于PMOS晶体管M的漏极。此外，二极管D1反向地连接于PMOS晶体管M的漏极。
控制电路200包括电源电路10(未示出)。电流指令检测电路20其接收输入的电流指令VCMD和参考电压VCMDref，并向电流指令模式确定装置30和偏置电路31输出信号。电流指令模式确定装置30的输出端被连接到输出电路90。偏置电路31的输出端和增加与限制电流指令电路32相连接。
PI控制器70接收来自增加与限制电流指令电路32的输出信号、来自第二三角波脉冲发生电路50的输出信号和来自电流检测电路60的输出信号，电流检测电路60接收来自主电路100输入的信号。
脉宽调制比较器80接收PI控制器70输出的信号和第一三角波脉冲发生电路40输出的信号，并输出一个信号给输出电路90。
输出电路90输出一开关信号给主电路100的PMOS晶体管M的栅极其用来控制PMOS晶体管M的转换。这就是说，PMOS晶体管M的开关速度由开关信号的占空比(duty ratio)控制，并且流经PMOS晶体管漏极的电流Ip按照与PMOS晶体管M开关速度成比例地被确定。
比例电磁阀PV按照流经PMOS晶体管M的电流Ip操作。开关度(de-gree)与比例电磁阀PV成比例。电流检测电阻Rs检测在比例电磁阀PV中流过的电流Ip。
在控制电路200中，电流指令检测电路20检测作为差动电压的电流指令VCMD。经检测的电流指令被提供给偏置电路31和电流指令模式确定装置30。电流指令模式确定装置30通过输入的电流指令VCMD确定电流指令模式，并将其送到输出电路90。
最好有三种电流指令模式：即，用于使比例电磁阀PV完全关闭的全关闭模式，用于和电流量成比例地控制阀的打开度的比例打开模式，以及用于使比例电磁阀PV完全打开的全开模式。
偏置电路31接收由电流指令检测电路20检测的电流指令并把该电流指令送到增加与限制电流指令电路32。偏置电路31还确定电流指令是否高于一预定值，如果电流指令高于预定值，就向增加与限制电流指令电路32输出一偏置值。
增加与限制电流指令电路32将电流指令和来自偏置电路31的偏置值相加，并将相加后的值输入给PI控制器70。此时，如果用来限制电流指令的偏置值从偏置电路31中被输入，则增加与限制电流指令电路32就通过向PI控制器70输出该预定值把该电流指令限制为该预定值。
电流检测电路60具有一输入端其与主电路100的电流检测电阻Rs相连接，它检测流入比例电磁阀PV的电流Ip作为电压值。电流检测电路60将所检测的值输出到PI控制器70。
PI控制器70接收从增加与限制电流指令电路32和从第二三角波脉冲发生电路50输出的信号，然后将这两个信号相加并放大。再把该两信号相加所得之值和电流检测电路60的输出信号进行比较，从而形成和所加的信号与检测电路60的输出信号之间的差成比例的误差信号。PI控制器70的输出被提供给脉宽调制比较器80。
第二三角波脉冲发生电路50的输出信号是一种在正的最大值和负的最大值之间即峰对峰值之间交变的三角波脉冲。这种三角波脉冲减小了动态摩擦系数。
脉宽调制比较器80接收PI控制器70和第一三角波脉冲发生电路40的输出信号，并将它们进行比较。第一三角波脉冲发生电路40的输出信号是一种在正的最大值和基线值0之间交变的三角波脉冲，该三角波脉冲被用来减少功率消耗。脉宽调制比较器80的输出信号类似于矩形波脉冲，其脉宽按照PI控制器70的输出电平确定。脉宽调制比较器80的输出信号被提供到输出电路90。
输出电路90接收电流指令模式确定装置30和脉宽调制比较器80的输出信号。按照由电流指令模式确定装置30确定的模式，输出电路90产生相应于脉宽调制比较器80的输出信号的开关信号。所产生的开关信号被加到主电路100的PMOS晶体管M的栅极。
现在参照图2至图5来说明控制电路100的详细结构及其操作。虽然控制电路通常包括电源电路，但是为了简化起见，没有示出电源电路。
如图2所示，电流指令检测电路20包括运算放大器201，以及确定运算放大器201的输出电压的电阻R201到R204。
运算放大器201作为差动放大器工作。外部电流指令VCMD被输入到运算放大器的正相输入端，内部参考电压VCMDref被输入到反相输入端。这样，运算放大器201正相地放大该电流指令VCMD。
电流指令确定装置30包括运算放大器302，其正相输入端与电流指令检测电路20的输出端相连接，以及运算放大器301，其反相输入端与电流指令检测电路20输出端相连接。此外，电流指令模式确定装置30还包括运算放大器303，其反相输入端与电流检测电路60的输出端相连接。
参考电压Vref被加到运算放大器301的正相输入端，用于分压的电阻R301和R302连接到放大器301的反相输入端。
放大器302的反相输入端连接到用于对参考电压Vref分压的电阻R304和R305之间的接点。
参考电压Vref被加到放大器303的正相输入端。用于对输出电压分压的电阻R306和R307之间的接点连接到放大器303的反相输入端。
放大器301，302和303用作比较器操作。这就是说，放大器301将反相输入端的电压和正相输入端的参考电压Vref进行比较；放大器302将反相输入端的电压V1和正相输入端的电流指令进行比较；放大器303将与其反相输入端相连接的电流检测电路60的输出信号和正相输入端的电压进行比较。放大器301，302和303的输出信号在一个节点上被相加在一起，并将其提供到输出电路90。
偏置电路31包括运算放大器311，其正相输入端和电流指令检测电路20的输出信号相连接，运算放大器312，其正相输入端通过可变电阻VR311和电流指令检测电路20的输出信号相连接，运算放大器313，其正相输入端通过晶体管Q31和放大器311的输出端相连接。
放大器311的反相输入端和用来对参考电压Vref分压的电阻R311和R312之间的接点相连接。电阻R313的一端和晶体管Q31的基极相连接其另一端与放大器311的输出端相连接。
因为放大器312的反向输入端和其输出端相连接在一起，故放大器312用作一个电压跟随器。放大器312的输出端还连接到增加与限制电流指令电路32。
放大器311用作比较器操作，如果电流指令检测电路20的输出大于放大器311反相输入端的电压V2，则放大器311就输出一个使晶体管Q31导通的高电平信号。
放大器312经过可变电阻VR311把电流指令检测电路20的输出信号传送到增加与限制电流指令电路32作为COMM指令。
放大器313在晶体管Q31的截止时间内向增加与限制电流指令电路32输出由可变电阻VR312确定的电压V0作为偏置值OFFS，如果晶体管Q31导通，则放大器313向增加与限制电流指令电路32输出参考电压Vref作为偏置值OFFS。
用户可以通过可变电阻VR312控制该偏置值。如图3所示，通过控制偏置值可以改变相应于电流指令VCMD的负载电流IP。
增加与限制电流指令电路32包括运算放大器321，它具有和指令信号COMM以及和偏置电路31偏置输出OFFS相连接的反相输入端。还包括运算放大器322，它具有和二极管D32相连接的输出端以及和放大器321的输出端相连接的正相输入端。电阻R321至R328和参考电压Vref使放大器321用作为一个加法器操作，并使放大器322用作为一个比较器操作。
放大器321作为加法器操作用来把输入信号加到其反相端。如果加到放大器321反相端的任何信号高于预定电平时，二极管D32就导通从而限制对放大器321的电压输入。
这就是说，当放大器321反相端的电压大于第二运算放大器输出端的电压时，二极管D32导通，从而使放大器322的输出电压加到放大器321的反相端，放大器321的输出信号被提供给PI控制器70。
图3至图5是负载电流Ip对电流指令VCMD的曲线，其说明相应于电流指令模式确定装置30和偏置电路31的电压V0、V1、和V2该负载电流Ip的改变。
图3表示当电流指令模式确定装置30的电压V1是CMD1以及偏置电路31的电压V2是CMD2时的负载电流Ip。图4表示当电流指令模式确定装置30的电压V1是CMD1及偏置电路31的电压V2是CMDmax时的负载电流Ip。图5表示当电流指令模式确定装置30的电压V1是零以及偏置电路31的电压V2是CMDmax时的负载电流Ip。
参看图3至图5，负载电流Ip可以借助于调节电流指令模式确定装置30和偏置电路31的电压V0、V1和V2进行控制。电压V0到V2可通过改变可变电阻VR312以及两对电阻R304、R305、R311、R312中的每个阻值进行控制。
再次参考图2，电流检测电路60包括运算放大器601，其正相端连接到主电路100的电流检测电阻Rs，并包括使放大器601作为同相放大器工作的电阻601至604。
放大器601检测在电流检测电阻RS中流过的电流，放大(同相地)该输入信号，并将这一信号输出到PI控制器70。
PI控制器70包括运算放大器701，它具有和来自电流检测电路60、增加和限制电流指令电路32以及第二三角波脉冲发生电路50的输出信号相连接的反相端，PI控制器70还包括使放大器701作为加法器工作的电阻701至705，以及用来消除交流分量(AC分量)的电容器C70，其被连接在放大器701的反相端和输出端之间。
电流检测电路60的放大器601同相地放大输入信号，增加与限制电流指令电路32的放大器321反相地放大输入信号。作为加法器工作的放大器701把增加和限制电流指令电路32的输出信号和电流检测电路60的输出信号相加，从而检测这两个输出信号之间的误差。电流指令VCMD和实际的负载电流Ip之间的这一误差被在PI控制器70的输出端连接的其它电路补偿，使得负载电流Ip按照电流指令维持恒定。放大器701的输出信号被提供给脉宽调制电路80。
第二三角波脉冲发生电路50的输出信号是一种在正的峰值和负的峰值即峰-峰值之间交变的三角波脉冲。这种三角波脉冲提供阀的开/关操作的转变(Vibration)，从而减少动态摩擦系数。
脉宽调制比较器80包括运算放大器81，它具有和PI控制器70的输出信号相连接的正相端并具有和第一三角波脉冲发生电路40的输出信号相连接的反相端。
放大器81作为比较器操作，用来比较加到放大器81的正相端的电压和来自第一三角波脉冲发生电路40的三角波脉冲，该三角波脉冲在正峰值和负峰值之间交变。
因此，放大器81的输出信号类似于矩形波脉冲，其脉宽反比于施加于放大器81的正相端的电压值。放大器81的脉冲信号被提供到输出电路90。
输出电路90包括晶体管Q90，其基极连接在电流指令模式确定装置30输出信号和脉宽调制比较器80的输出信号之间的节点上。晶体管Q90的发射极和电源负极相连接，集电极和主电路100相连接。
晶体管Q90由施加到其基极的脉冲操作，并通过一正脉冲的电压而导通。当晶体管Q90导通时，通过其集电极把负电源提供给主电路100的晶体管M的栅极。晶体管M借助于负的栅极电压导通，并把电源电压Vdc加到阀PV上。
这样，晶体管Q90的通/断定时操作由来自脉宽调制比较器80的输出信号确定。因而，晶体管Q90的通/断占空比等于确定负载电流Ip的晶体管M的通/断占空比。
如上所述的比例电磁阀控制装置可应用于控制单向阀的液动循环管路，该控制装置可以精确地按照电流指令控制通过比例电磁阀的负载电流。
可以理解本发明并不受上述说明的限制，在不脱离本发明的构思的情况下可以由本领域技术人员作出各种其它改型。因而，本发明权利要求包括在本发明中的新的具有专利性的所有特征，包括可由本领域技术人员作为等效物对待的所有技术特征。

Claims (14)

1、一种比例电磁阀控制装置，包括：
电流指令检测电路，用来检测输入电压和参考电压之间的电压差并产生电流指令输出信号；
偏置电路，用来接收来自所述电流指令检测电路的电流指令输出信号并按照可由用户改变的偏置值产生偏置信号；
限制电流指令电路，用来接收所述电流指令输出信号和所述偏置信号，并产生一个被限制的输出电流，当所述偏置信号大于所述电流指令信号时，将所限制的输出电流被设定为固定值，当所述偏置信号不大于所述电流指令输出信号时，所限制的输出电流被设定为等于所述电流指令输出信号；
电流检测电路，用来检测流过比例电磁阀的电流并产生一电磁电流信号；
比例积分控制器，它接收在正值和负值之间交变的第二三角波脉冲信号、所述被限制的输出电流以及所述电磁阀电流信号并形成误差信号；
脉宽调制比较器，它接收并比较第一三角波脉冲信号和所述误差信号，从而形成所述脉宽输出信号；以及
输出电路，它产生具有相应于所述脉宽输出信号的占空比的开关信号。
2、如权利要求1所述的比例电磁阀控制装置，其中，还包括：
电流指令模式确定电路，其连接在所述电流指令检测电路和所述输出电路之间，用来确定所述电流指令输出信号的操作模式，并向所述输出电路提供所述操作模式。
3、如权利要求2所述的比例电磁阀控制装置，其中，所述电流指令模式确定电路被设置用来确定三种模式之一，所述三种模式包括：完全关闭比例电磁阀的全关闭模式，与所述电流量成比例地控制所述比例电磁阀的打开程度的比例打开模式，以及完全打开所述比例电磁阀的全开方式。
4、如权利要求1所述的比例电磁阀控制装置，其中，所述电流指令检测电路包括：运算放大器，用来放大所述电流指令和从外面输入的参考电压之间的电压差。
5、如权利要求1所述的比例电磁阀控制装置，其中，所述偏置电路包括：
作为电压跟随器工作的第一比例放大器，用来向所述限制电流指令电路传送来自所述电流指令检测电路的所述电流指令输出信号；
第二运算放大器，它比较来自所述电流指令检测电路的所述电流指令输出信号和预定的参考电压，当电流指令大于所述预定参考电压时产生高电平信号；
作为电压跟随器工作的第三运算放大器，用来向所述电流指令限制电路提供所述偏置值；以及
连接在所述第一运算放大器和所述第三运算放大器之间的晶体管，用来对所述电流指令限制电路施加一预定的偏置值从而限制所述电流指令输出信号。
6、如权利要求1所述的比例电磁阀的控制装置，其中，所述限制电流指令电路包括：
作为加法器操作的第一运算放大器，把所述电流指令输出信号和从所述偏置电路输出的偏置值相加；
第二运算放大器，它将所述第一运算放大器的输出信号与所述预定的参考电压进行比较，并把一输出信号加到所述第一运算放大器的一反相端；以及
在连接到所述第一运算放大器的所述反相端和所述第二运算放大器的输出端之间具有一正向偏置的二极管，其当所述第一运算放大器的所述反相端的电压大于所述第二运算放大器的所述输出端的电压时，用于把所述第二运算放大器的输出信号加到所述第一运算放大器的所述反相端。
7、如权利要求6所述的比例电磁阀控制装置，其中：
所述第一运算放大器反相地放大输入到所述第一运算放大器的信号，并同时将所述第一运算放大器的所述反相端的所述电压加于其上。
8、如权利要求1所述的比例电磁阀控制装置，其中，所述电流检测电路包括：
运算放大器，它将通过电流检测电阻检测的负载电流进行放大，其接收流过比例电磁阀的电流并向所述比例积分控制器提供输出信号。
9、如权利要求1所述的比例电磁阀控制装置，其中，所述比例积分控制器包括用来使所述三个信号相加的运算放大器。
10、如权利要求4所述的比例电磁阀控制装置，其中，所述偏置电路包括：
作为电压跟随器工作的第一运算放大器，用来向所述电流指令限制电路传送来自所述电流指令检测电路的所述电流指令输出信号；
第二运算放大器，它将来自所述电流指令检测电路的所述电流指令输出信号与预定参考电压进行比较，当所述电流指令大于所述预定参考电压时，产生高电平信号；
作为电压跟随器工作的第三运算放大器，用来对所述电流指令限制电路提供所述偏置值；以及
连接在所述第一运算放大器和所述第三运算放大器之间的晶体管，用来向所述电流指令限制电路施加预定的偏置值，从而限制所述电流指令输出信号。
11、一种比例电磁阀控制装置，包括：
比例电磁阀；
电流检测电路，它检测所述比例电磁阀中的电流并产生电磁电流信号；
比例积分控制器，它接收在正值和负值之间交变的第二三角波脉冲信号和所述电磁电流信号并形成一个误差信号；
脉宽调制比较器，它接收并比较第一三角波脉冲信号和所述误差信号，从而形成脉宽输出信号；以及
输出电路，它产生具有和所述脉宽输出信号相应的占空比的开关信号，用来控制所述比例电磁阀。
12、如权利要求11所述的比例电磁阀控制装置，其中：
所述比例积分控制器还接收与施加于所述比例阀的电流指令相对应的电流指令输出信号并使用所述电流指令输出信号形成所述误差信号。
13、如权利要求12所述的比例电磁阀控制装置，其中：
所述电流指令输出信号按照输入电压和参考电压之间的电压差设定。
14、如权利要求12所述的比例电磁阀控制装置，其中：
所述电流指令输出信号被设定为其中较小的一个或被设定为可由用户改变的偏置值。
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