一种改善高速开关电磁阀比例特性的PWM控制方法

摘要

本发明公开了一种改善高速开关电磁阀比例特性的PWM控制方法，其特征在于：在高速开关电磁阀作为比例控制功能使用时，设置所述高速开关电磁阀的PWM控制信号的频率、高电平和低电平参数来改善高速开关电磁阀的比例控制功能。本发明能有效减小高速开关电磁阀的压力波动幅度，拓宽高速开关电磁阀的比例调节范围和PWM的有效控制占空比范围，改善高速开关电磁阀的比例特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高速开关电磁阀的驱动方法，具体地说是一种改善高速开关电磁阀比例特性的PWM控制方法。

背景技术

高速开关电磁阀的基本工作原理是基于外部输入脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)控制信号控制阀内的电磁铁产生或消除电磁吸力，以带动阀芯进行往返运动的同时，使得阀口处于开或关状态，从而实现了阀口处液流的通断控制，在高频PWM控制信号可实现类似比例阀的阀口开度比例控制功能，称之为高速开关电磁阀的比例功能特性。

国产的高速开关阀在性能、品质方面受生产技艺限制，在PWM控制信号下对阀口开度进行比例控制时，比例可控范围有限且阀口较易全开或全关，有效控制占空比范围小，一般在30％～55％。

高速开关电磁阀结构的参数主要包括线圈电阻、线圈匝数、弹簧刚度、初始工作气隙、等，在保证高速开关阀正常开启、关闭、具有比例控制功能的前提下，线圈匝数和线圈电阻参数主要影响有效占空比工作区间，对电磁阀比例控制范围和有效占空比范围影响很小，改变弹簧刚度和初始工作气隙参数可在一定程度上拓宽电磁阀比例控制范围和有效控制占空比范围，但是改善效果甚微。因而通过对这些结构参数的适当调整对高速开关电磁阀的比例控制范围和有效控制占空比范围的拓宽效果甚微，还需要对高速开关电磁阀的设计参数进行修改，因此，实用性不强。

因而，目前高速开关电磁阀的比例控制功能存在比例可控范围小和有效占空比范围较小的弊端，通过对电磁阀的结构参数调整也很难明显改善其比例特性，且成本较高，调节过程复杂，不利于产品的推广应用。

发明内容

本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，提出一种改善高速开关电磁阀比例特性的PWM控制方法，以期能有效拓宽高速开关电磁阀的比例控制范围和有效控制占空比范围，提高高速开关电磁阀所控制的流量和压力的比例控制范围，实现对阀口开度更精细的调节及对流量和压力更精确的调节，从而提高高速开关阀的比例控制功能。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种改善高速开关电磁阀比例特性的PWM控制方法的特点是：在所述高速开关电磁阀作为比例控制功能使用时，设置所述高速开关电磁阀的PWM控制信号的频率为比例频率f_P，设置所述高速开关电磁阀的PWM控制信号的高电平为比例高电平V_PH，设置所述 高速开关电磁阀的PWM控制信号的低电平为比例低电平V_PL。

本发明所述PWM控制方法的特点也在于：

所述比例频率f_P为所述高速开关电磁阀在正常工作频率范围内的最大频率值；

所述比例高电平V_PH为所述高速开关电磁阀的额定工作电压；

所述比例低电平V_PL是通过压力比例调节试验方法确定其取值范围。

所述压力比例调节试验方法是按如下步骤进行：

步骤1、将所述高速开关电磁阀接入电磁阀液压试验台系统，设置所述PWM控制信号的频率为所述比例频率f_P，设置所述PWM控制信号的高电平为所述比例高电平V_PH，设置所述PWM控制信号的低电平V_L为0V；

步骤2、定义占空比调节步距为Δλ、电压调节步距为ΔV、所述低电平V_L的调节次数为n，并初始化Δλ＝α、ΔV＝β、n＝1；

步骤3、以所述PWM控制信号的低电平V_L为0V作为第n-1次调节的低电平设置PWM控制信号的占空比为0，按照占空比调节步距Δλ逐步增大所述第n-1次调节的PWM控制信号的占空比，并记录所述高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的相应压力变化情况，当所述高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始增大时，标记第n-1次调节时压力开始增大时刻所对应的PWM控制信号的占空比为并继续按照占空比调节步距Δλ逐步增大所述第n-1次调节的PWM控制信号的占空比；当所述高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始维持不变时，停止增大PWM控制信号的占空比；

步骤3、以电压调节步距ΔV增大所述PWM控制信号的低电平作为第n次调节的低电平判断所述第n次调节的占空比是否为“0”；若为“0”，则按照占空比调节步距Δλ逐步增大所述第n次调节的PWM控制信号的占空比；当所述高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始维持不变时，停止增大PWM控制信号的占空比；标记第n次调节的PWM控制信号的低电平为V_max；否则，将n+1赋值给n，并重复执行步骤3；

步骤4、以电压调节步距ΔV减小所述PWM控制信号的低电平作为第n+1次调节的低电 平判断所述第n次调节的占空比是否为“0”；若为“0”，则将n+1赋值给n，并重复执行步骤4；否则，按照占空比调节步距Δλ逐步增大所述第n+1次调节的PWM控制信号的占空比；当所述高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始维持不变时，停止增大PWM控制信号的占空比；标记第n+1次调节的PWM控制信号的低电平为V_min；

步骤5、设定所述比例低电平V_PL的取值范围为[V_min,V_max)。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明通过调整PWM控制信号参数中的频率来改善高速开关电磁阀的比例特性，PWM控制信号的频率采用比例频率，减小了高速开关电磁阀阀芯悬浮的振动幅度，提高了阀口开度的比例控制精度。

2、本发明通过调整PWM控制信号参数中的电压高电平和电压低电平来改善高速开关电磁阀的比例特性，PWM控制信号的电压高电平采用比例高电平，电压低电平采用比例低电平，拓宽了高速开关电磁阀的比例控制范围和有效控制占空比范围，提高了高速开关电磁阀所控制的流量和压力的比例控制范围，实现了对阀口开度更精细的调节及对流量和压力更精确的调节，从整体上提高了高速开关电磁阀的比例控制功能。

3、本发明通过调整PWM控制信号的参数实现了对高速开关电磁阀比例控制范围和有效控制占空比范围的拓宽，提高了高速开关电磁阀的比例特性，无需改变高速开关电磁阀的结构设计参数，可操作性强，且适合不同类型和参数的高速开关电磁阀，适用范围广。

4、本发明通过调整PWM控制信号参数中的频率、电压高电平和电压低电平来拓宽高速开关电磁阀比例控制范围和有效控制占空比范围，是改善高速开关电磁阀的比例特性的最简捷有效方法，有效避免了通过设计电磁阀的智能功率驱动电路来改善高速开关电磁阀的比例特性，降低了高速开关电磁阀的硬件驱动电路成本，工程推广应用性更强。

附图说明

图1为本发明PWM控制信号图；

图2为用于本发明的电磁阀测试试验系统结构图。

图中标号：1液压泵；2PWM信号发生器；3电磁阀接口；4压力传感器；5计算机。

具体实施方式

本实施例中，一种改善高速开关电磁阀比例特性的PWM控制方法，在高速开关电磁阀作为比例控制功能使用时，设置高速开关电磁阀的PWM控制信号的频率、高电平和低电平参数来拓宽高速开关电磁阀的比例调节范围和PWM的有效控制占空比范围，减小高速开关 电磁阀的压力波动幅度，改善高速开关电磁阀的比例特性。具体的说，

参阅图1，一种改善高速开关电磁阀比例特性的PWM控制方法，在高速开关电磁阀作为比例控制功能使用时，设置高速开关电磁阀的PWM控制信号的频率为比例频率f_P，设置高速开关电磁阀的PWM控制信号的高电平为比例高电平V_PH，设置高速开关电磁阀的PWM控制信号的低电平为比例低电平V_PL。

高速开关电磁阀存在工作的临界频率，一般约为200HZ，当PWM控制信号的频率小于或远小于临界频率时，高速开关电磁阀易出现周期性开启和关闭动态特性，高速开关电磁阀已很难在惯性作用下维持全开状态，不利于高速开关电磁阀的比例控制功能的实现，增大驱动频率，高速开关电磁阀的比例控制范围和有效控制占空比范围变化微小，但是阀芯震动幅度减小，有利于阀口开度的比例控制和精确调节。为保证高速开关阀阀口开度的比例控制功能，PWM控制信号的驱动频率应大于高速开关电磁阀的临界频率。由于高速开关电磁阀都有一定的工作频率范围，具体实施中，选取PWM控制信号的比例频率f_P为高速开关电磁阀在正常工作频率范围内的最大频率值；

选取PWM控制信号的比例高电平V_PH为高速开关电磁阀的额定工作电压，一般为高速开关电磁阀所在系统的标准电压，在汽车上使用的高速开关电磁阀一般为直流12V电压驱动，工程车辆和商用车一般为直流24V电压驱动，本发明中PWM控制信号的比例高电平V_PH采用高速开关电磁阀所在系统的标准电压，无需通过升压电路产生高压，可有效降低高速开关电磁阀硬件驱动电路的成本。

PWM控制信号的比例低电平V_PL是通过压力比例调节试验方法确定其取值范围。

由于高速开关电磁阀存在线圈电感L，在线圈通电初期线圈电流不能迅速提升，且衔铁及阀芯在初始位置，衔铁工作气隙最大，通过提高PWM控制信号的低电平电压，增大线圈电流和电磁力，但产生的电磁力还不足以克服复位弹簧力等电磁阀的开启阻力，阀芯位移为零，电磁阀的开度为零，但是由于预置的电磁力已部分克服复位弹簧等开启阻力，当对高速开关电磁阀进行开启操作时，只需很小的PWM控制信号的占空比即可完成高速开关电磁阀的开启动作，有效降低PWM控制信号的开启占空比。因而通过选取合理的PWM控制信号低电平电压，可有效降低高速开关电磁阀的开启占空比，拓宽PWM控制信号的有效控制占空比范围。

具体实施中，压力比例调节试验方法是按如下步骤进行：

步骤1、将高速开关电磁阀接入电磁阀液压试验台系统，由于高速开关电磁阀工作在正常工作频率范围内时，PWM控制信号的频率越大，阀芯震动的幅度越小，越利于阀口开度的比例控制和精确调节，设置PWM控制信号的频率为比例频率f_P，即高速开关电磁阀在正常工作频率范围内的最大频率值，以提高高速开关电磁阀的比例控制精度，设置PWM控制信号的高电平为比例高电平V_PH，即高速开关电磁阀的额定工作电压，高速开关电磁阀所接入系统的标准电压一般可满足要求，车辆用高速开关电磁阀一般为直流12V或者24V，车载电源的标准电源电压可满足电压供给要求，为了确保通过压力比例调节试验方法确定PWM控制信号的比例低电平V_PL过程的易操作性，设置PWM控制信号的低电平V_L为0V，并按照一定的电压调节步距增大低电平V_L，以避免由于PWM控制信号的低电平V_L设置过高和电压调节步距设置过大而丢失PWM控制信号的比例低电平V_PL数据，提高压力比例调节试验方法的准确率；

步骤2、定义占空比调节步距为Δλ、电压调节步距为ΔV、低电平V_L的调节次数为n，并初始化Δλ＝α、ΔV＝β、n＝1，Δλ和ΔV的初始化取值根据高速开关电磁阀的具体参数确定；

步骤3、以PWM控制信号的低电平V_L为0V作为第n-1次调节的低电平设置PWM控制信号的占空比为0，按照占空比调节步距Δλ逐步增大第n-1次调节的PWM控制信号的占空比，并记录高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的相应压力变化情况，当高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始增大时，标记第n-1次调节时压力开始增大时刻的压力为标记第n-1次调节时压力开始增大时刻所对应的PWM控制信号的占空比为并继续按照占空比调节步距Δλ逐步增大第n-1次调节的PWM控制信号的占空比；当高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始维持不变时，标记第n-1次调节时压力开始维持不变时刻的压力为标记第n-1次调节时压力开始维持不变时刻所对应的PWM控制信号的占空比为并停止增大PWM控制信号的占空比；

步骤3、以电压调节步距ΔV增大PWM控制信号的低电平作为第n次调节的低电平判断第n次调节的占空比是否为“0”；若为“0”，则标记空比为“0”时刻所对应的压 力为由于预置不为零的PWM控制信号的低电平电压，以致产生的线圈电流及电磁力在PWM控制信号的占空比为零的情况下也足以克服电磁和复位弹簧力等电磁阀开启阻力，但也缩小了高速开关电磁阀的比例调节范围，需要进一步确定合适的PWM控制信号的低电平电压，以保证在PWM控制信号的占空比为零时产生的电磁力不足以克服电磁和复位弹簧力等电磁阀开启阻力，但只需很小的PWM控制信号的占空比就可满足克服电磁阀开启阻力的需要，以拓展PWM控制信号的有效占空比范围；继续按照占空比调节步距Δλ逐步增大第n次调节的PWM控制信号的占空比；当高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始维持不变时，标记第n次调节时压力开始维持不变时刻的压力为标记第n次调节时压力开始维持不变时刻所对应的PWM控制信号的占空比为并停止增大PWM控制信号的占空比；标记第n次调节的PWM控制信号的低电平为V_max；否则，将n+1赋值给n，并重复执行步骤3；

步骤4、以电压调节步距ΔV减小PWM控制信号的低电平作为第n+1次调节的低电平判断第n+1次调节的占空比是否为“0”；若为“0”，则将n+1赋值给n，并重复执行步骤4；否则，标记压力开始增大时刻的压力为由于预置的不为零的PWM控制信号低电平电压产生的线圈电流及电磁力在PWM控制信号的占空比为零的情况下不足以克服电磁和复位弹簧力等电磁阀开启阻力，但是由于产生的预置电磁力已部分克服电磁和复位弹簧等开启阻力，当对高速开关电磁阀进行开启操作时，只需很小的PWM控制信号的占空比即可完成高速开关电磁阀的开启动作，拓展了PWM控制信号的有效占空比范围；继续按照占空比调节步距Δλ逐步增大第n+1次调节的PWM控制信号的占空比；当高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始维持不变时，标记第n+1次调节时压力开始维持不变时刻的压力为标记第n+1次调节时压力开始维持不变时刻所对应的PWM控制信号的占空比为并停止增大PWM控制信号的占空比；标记第n+1次调节的PWM控制信号的低电平为V_min；

步骤5、设定比例低电平V_PL的取值范围为[V_min,V_max)。

实施例：

本实施例使用本发明的控制方法对某型号高速开关电磁阀进行比例驱动控制，该型号高 速开关电磁阀的参数如下：工作频率范围为200HZ～1KHZ，额定工作电压为12V，线圈匝数为526匝，动衔铁直径为9mm，初始气隙为2.2mm，非工作气隙为0.2mm。阀芯最大位移为1.0mm，运动质量为0.0045kg，线圈电阻为6欧姆，弹簧预压缩量为2.0mm，弹簧刚度为1300N·m^-1，黏性阻尼系数为1.4N·m·s^-1，液动力系数为0.005×2E6N·m^-1，真空磁导率为4πE-7H·m^-1，遮盖度为0.5mm。

如图2所示的电磁阀液压试验系统，其中1为液压泵，用于产生液压压力，2为PWM信号发生器，用于产生不同频率、高电平、低电平和占空比的PWM控制信号，3为电磁阀接口，用于接入高速开关电磁阀，4为压力传感器，用于检测液压系统的压力，5为计算机，用于记录压力传感器的压力变化过程，将该高速开关电磁阀接入电磁阀液压试验系统中的电磁阀接口2，设置液压泵产生2Mpa的液压压力。

首先测试高速开关电磁阀在常规PWM控制信号参数下的比例特性，为保证高速开关电磁阀的比例功能，PWM控制信号的频率要远大于高速开关电磁阀存在工作的临界频率，本实施例中采用的高速开关电磁阀的临界频率为200HZ，采取PWM控制信号的频率分别为500HZ、800HZ和1KHZ，高电平为直流12V，低电平为0V进行高速开关电磁阀的比例控制，计算机5记录高速开关电磁阀的压力变化情况，可知PWM控制信号的频率对高速开关电磁阀的比例调节范围、PWM信号的有效控制占空比范围基本无影响，但随着PWM控制信号的频率越大，高速开关电磁阀的压力变化幅度减小，利于高速开关电磁阀的比例精细调节，不同PWM控制信号频率下的高速开关电磁阀的压力比例控制范围为0.32Mpa～1.98Mpa，PWM信号的有效控制占空比范围为72％～91％。

下面按照本发明的PWM控制信号的设置方法进行高速开关电磁阀比例控制试验。

由上述高速开关电磁阀在常规PWM控制信号参数下的比例特性试验测试结果可知，PWM控制信号的频率对高速开关电磁阀的比例调节范围、PWM信号的有效控制占空比范围基本无影响，但随着PWM控制信号的频率增大，高速开关电磁阀的压力变化幅度减小，利于高速开关电磁阀的比例精细调节，因而选取高速开关电磁阀的PWM控制信号的比例频率f_P为高速开关电磁阀在正常工作频率范围内的最大频率值，即：1KHZ；设置高速开关电磁阀的PWM控制信号的比例高电平V_PH为高速开关电磁阀的额定工作电压，即：直流12V；上述PWM控制信号的比例频率f_P和比例高电平V_PH均由PWM信号发生器2产生。

PWM控制信号的比例低电平V_PL的取值范围通过压力比例调节试验方法确定，具体步骤如下：

步骤1、将高速开关电磁阀接入电磁阀液压试验台系统，设置PWM控制信号的频率为比例频率f_P＝1KHZ，设置PWM控制信号的高电平为比例高电平V_PH＝12V，为避免由于PWM控制信号的低电平V_L设置过高和电压调节步距设置过大而丢失PWM控制信号的比例低电平V_PL数据，提高压力比例调节试验方法的准确率，设置PWM控制信号的低电平V_L为0V，并按照一定的电压调节步距增大低电平V_L；

步骤2、定义占空比调节步距为Δλ、电压调节步距为ΔV、低电平V_L的调节次数为n，Δλ和ΔV的初始化取值根据高速开关电磁阀的具体参数确定，在本实施例中选取Δλ＝α＝1％、ΔV＝β＝0.1V，选取初始化调节次数n＝1；

步骤3、设置第0次调节的PWM控制信号的低电平设置PWM控制信号的占空比为0，按照占空比调节步距1％逐步增大第0次调节的PWM控制信号的占空比，并记录高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的相应压力变化情况，当高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始增大时，标记第0次调节时压力开始增大时刻的压力为标记第0次调节时压力开始增大时刻所对应的PWM控制信号的占空比为并继续按照占空比调节步距1％逐步增大第0次调节的PWM控制信号的占空比；当高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始维持不变时，标记第0次调节时压力开始维持不变时刻的压力为标记第0次调节时压力开始维持不变时刻所对应的PWM控制信号的占空比为并停止增大PWM控制信号的占空比；由此可知高速开关电磁阀在第0次调节PWM控制信号低电平的试验结果与上述高速开关电磁阀在常规PWM控制信号参数下的比例特性试验测试结果基本一致，高速开关电磁阀的压力比例控制范围为0.31Mpa～1.99Mpa，PWM信号的有效控制占空比范围为72％～91％。

步骤3、设置第1次调节的PWM控制信号的低电平为电压调节步距0.1V，根据步骤2的试验操作方法，标记第1次调节的占空比由于第1次调节的占空比不为“0”，则将2赋值给n，并重复执行步骤3；反复进行上述试验操作，当进行第89次调节的PWM控制信号的低电平时，标记第89次调节的占空比为由于则标记空比为“0”时刻所对应的压力由于预置PWM控制信号的低电平为8.9V，以致其产生的线圈电流及电磁力在PWM控制信号的占空比为零的情况下也足以克 服电磁和复位弹簧力等电磁阀开启阻力，完成开启；继续按照占空比调节步距1％逐步增大第89次调节的PWM控制信号的占空比；当高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始维持不变时，标记第89次调节时压力开始维持不变时刻的压力为标记第89次调节时压力开始维持不变时刻所对应的PWM控制信号的占空比为并停止增大PWM控制信号的占空比；标记第89次调节的PWM控制信号的低电平为V_max＝8.9V；

步骤4、设置第90次调节的PWM控制信号的低电平为以电压调节步距0.1V减小PWM控制信号的低电平，即标记第90次调节的占空比为由于不为“0”，则标记压力开始增大时刻的压力由于预置PWM控制信号低电平为8.8V产生的线圈电流及电磁力在PWM控制信号的占空比为零的情况下不足以克服电磁和复位弹簧力等电磁阀开启阻力，但是由于产生的预置电磁力已部分克服电磁和复位弹簧等开启阻力，当对高速开关电磁阀进行开启操作时，PWM控制信号的占空比为1％时即可完成高速开关电磁阀的开启动作，拓展了PWM控制信号的有效占空比范围；继续按照占空比调节步距1％逐步增大第90次调节的PWM控制信号的占空比；当高速开关电磁阀所控制的电磁阀液压试验台系统的压力开始维持不变时，标记第90次调节时压力开始维持不变时刻的压力标记第90次调节时压力开始维持不变时刻所对应的PWM控制信号的占空比并停止增大PWM控制信号的占空比；标记第90次调节的PWM控制信号的低电平

步骤5、设定比例低电平V_PL的取值范围为[V_min,V_max)＝[8.8V,8.9V)。

本实施例中，选取PWM控制信号的比例低电平V_PL＝8.8V，则高速开关电磁阀在PWM控制信号的比例频率f_P＝1KHZ，比例高电平V_PH＝12V，比例低电平V_PL＝8.8V等参数的比例控制下，高速开关电磁阀的压力比例控制范围为0.11Mpa～2.0Mpa，PWM信号的有效控制占空比范围为1％～66％，高速开关电磁阀在常规PWM控制信号参数下压力比例控制范围为0.32Mpa～1.98Mpa，PWM信号的有效控制占空比范围为72％～91％，采用本发明PWM控制方法下的高速开关电磁阀的压力比例控制范围和有效占空比范围均得到了明显的拓宽，且PWM控制信号的频率越大，高速开关电磁阀的压力变化幅度减小，利于高速开关电磁阀的比 例精细调节。

采用本发明的PWM控制方法可以有效优化高速开关电磁阀的比例特性，减小了高速开关电磁阀的压力波动幅度，利于高速开关电磁阀的比例控制和精细调节，拓宽了高速开关电磁阀的比例调节范围和PWM的有效控制占空比范围。