[发明专利]螺线管控制方法和螺线管控制器

说明书

本发明公开了改善的螺线管控制方法和螺线管控制器。一个说明性螺线管控制方法实施方案包括：向螺线管供应驱动信号，该驱动信号具有：平均电流，该平均电流对应于电枢的期望的位置；以及抖动电流，该抖动电流具有产生相关联的螺线管电压变化的抖动振幅；在不足以克服该电枢的静摩擦力的区域中使该抖动振幅变化；确定该区域中的该抖动振幅与该相关联的螺线管电压变化之间的线性关系；增加该抖动振幅，同时监测该相关联的螺线管电压变化，以获得低于由该线性关系所指示的该电压变化的偏差；以及在检测到该偏差时，采用对应的抖动振幅来维持该电枢的移动性。

技术领域

本发明涉及用于控制螺线管的方法。具体地讲，本公开涉及用于获得关于该螺线管的电枢的物理移动的信息的方法。

背景技术

螺线管是与致动器组合以将电能转换成线性物理运动的电磁体。螺线管通常可包括缠绕在用作电枢的金属活塞周围的线圈导体。当将电压施加于线圈端子时，电流通过线圈导体，生成电磁场，将金属活塞拉向该电磁场。电子控制器可耦合至螺线管以用于调节流过线圈导体的电流以控制电磁场。螺线管可用于宽范围的装置和应用中。它们可用于以电的方式打开门和闩锁、打开或关闭阀门、移动和操作机器人肢体和机构，以及甚至致动电开关。

传统的螺线管驱动器电子器件依赖于线性电流，线性电流是在电阻两端施加恒定电压以产生与电压成正比的输出电流。反馈可用于实现恰好匹配控制信号的输出。然而，该方案将大量功率耗散为热量，因此效率非常低。该热量可导致使螺线管线圈过热达到其操作变得不稳定并且可甚至导致故障或无功能的点。螺线管线圈在过热时失去其力功率。

两种改善的螺线管控制技术包括脉宽调制(PWM)和抖动。脉宽调制通过控制循环PWM信号“接通”的时间量相对于其“断开”的时间量来产生通过线圈的期望平均电流。与输入信号相比，该占空比可变化，并且产生用于控制比例控制阀的有效得多的手段。

然而，即使使用PWM，静摩擦力(“静摩擦”)和滞后也可导致阀门的控制不稳定且不可预测。静摩擦可防止电枢在给定小输入改变时移动，并且滞后可导致移位对于相同输入信号的不同应用是不同的。为了抵消静摩擦和滞后的影响，在螺线管中产生围绕期望的平均电流的小循环电流振幅振动(抖动)。这种抖动不断地克服静摩擦力，从而确保电枢甚至在小输入改变的情况下也会移动，并且滞后效应得到平衡。抖动可被提供为叠加在PWM螺线管电流的控制信号上的小纹波，这引起期望的振动，从而增加阀门的线性度以及改善阀门响应。

抖动和PWM频率彼此互补以改善控制，并且在大多数情况下可独立地调节。这允许使用者为各自单独的应用定制这些信号以获得最佳的性能。低频PWM(通常小于400Hz)可生成抖动或电流纹波作为PWM过程的副产物。抖动的量不是恒定的，而是随着平均线圈电流改变而改变。这可导致在一些电流电平下过多抖动，而在其他电平下不足以引起抖动。此外，这种抖动依赖于PWM占空比和PWM频率，并且其振幅和频率不能被独立地设置。对于需要特定设置抖动的许多阀设而言并不理想。对于高PWM频率，线圈电流不具有纹波。不产生副产物抖动。因此，通常用于消除不期望的内部抖动的高频PWM可通过可调节的外部抖动来增强。生成抖动的实质上是以特定频率改变PWM输出波形的占空比；改变PWM的占空比可改变施加于螺线管的抖动振幅和频率。

如果抖动振幅过小，则静摩擦力不会被去除，并且控制系统不能提供平滑控制，从而可能导致安全问题。如果抖动振幅过大，则浪费能量并且螺线管过早耗尽。因此，应调节抖动振幅，使得电枢仅略微移动。

为了向螺线管提供适当的抖动电流，已知的是检测电枢的移动，并且基于该检测，将抖动电流施加于螺线管上以使电枢略微移动。此类方法的示例描述于2018年12月27日公布的授予Berger等人的WO2018233917中。Berger等人提出了一种抖动控制回路，在该抖动控制回路中，螺线管电压V和/或螺线管电流I被观察到生成“线圈信号”，计算器使用螺线管的物理模型来找到电枢的速度，对该速度进行进一步分析以提取移动参数。尽管不需要传感器来检测电枢的移动，但由于复杂的计算螺线管模型，其要求从ASIC至微控制器的高速通信接口以及微控制器中的大的计算开销。