專(zhuān)利名稱(chēng)：用于在閥中控制銜鐵運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)和方法
用于在閥中控制銜4^運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)和方法相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2005年12月16日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)60/750,917的優(yōu)先權(quán)，其整體并入此處作為參考。
背景技術(shù)：
電磁閥(即由一個(gè)或一個(gè)以上的螺線管致動(dòng)的閥)為用于在全開(kāi)或全關(guān)構(gòu)造中控制液體或氣體的流動(dòng)的機(jī)電裝置。通過(guò)經(jīng)一個(gè)或一個(gè)以上的線圏發(fā)送電流，以便產(chǎn)生在希望的方向運(yùn)動(dòng)由磁性物質(zhì)制造的巻筒(spool)或芯的電磁力(通常^示打開(kāi)狀態(tài)的第一位置到表示關(guān)閉狀態(tài)的第二位置，反之亦可)，電磁閥操作。在已知的電磁閥構(gòu)造中，巻筒在其從一個(gè)閥位置4黃越(traverse)到另一個(gè)閥位置的運(yùn)動(dòng)不受控制，因?yàn)閹喭菜俣仍趲喭脖平诙恢脮r(shí)持續(xù)增大，導(dǎo)致高的速度沖擊。這種不受控制的運(yùn)動(dòng)以及高沖擊著陸(landing)——特別是在快速切換應(yīng)用中——產(chǎn)生運(yùn)行噪音、零件劣化、機(jī)械應(yīng)力以及不希望的巻筒跳動(dòng)。因此，有鑒于與電磁閥中不受控制的巻筒運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的這些以及其他缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出下面介紹的實(shí)施例。


圖1示出了才艮據(jù)一實(shí)施例的示例性雙線圏閥組件；圖2為一過(guò)程圖，其示出了才艮據(jù)一實(shí)施例用于產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)曲線(profile)的示例性步驟；
圖3A為一圖表，其示出了根據(jù)一實(shí)施例的示例性位置曲線；圖3B為一圖表，其示出了根據(jù)一實(shí)施例的示例性速度曲線；圖3C為一圖表，其示出了才艮據(jù)一實(shí)施例在閥組件中在電流與力之間的示例性關(guān)系；
圖3D為一圖表，其示出了根據(jù)一實(shí)施例的示例性電壓曲線；以及圖4示出了根據(jù)一實(shí)施例的示例性控制反饋方案。
具體實(shí)施例方式
提供了用于控制雙線圏閥中的巻筒運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)和方法包含，通過(guò)根據(jù)預(yù)定的任何運(yùn)動(dòng)曲線在閥的兩個(gè)線圈之間分配電流來(lái)控制巻筒的運(yùn)動(dòng)。換句話說(shuō)，運(yùn)動(dòng)曲線建立了第一線圏中的電流與第二線圏中的電流之間的最優(yōu)關(guān)系，使得線圏協(xié)力工作，以控制巻筒運(yùn)動(dòng)，從而如下
"軟著陸"。運(yùn)動(dòng)曲線的建立包括基于希望的巻筒特性以及實(shí)際限制脫機(jī)(offline)產(chǎn)生最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)曲線，實(shí)際限制例如為可容許電流和可用驅(qū)動(dòng)電壓等級(jí)的限制以及能量和沖擊速度等性能指數(shù)。 一旦已經(jīng)產(chǎn)生脫機(jī)運(yùn)動(dòng)曲線，應(yīng)用反饋算法來(lái)控制和穩(wěn)定化運(yùn)動(dòng)曲線，并計(jì);Sj漠型和測(cè)量不確定度。
示例性系統(tǒng)
盡管下面特別參照電磁閥介紹了用于控制雙線圏閥中的巻筒運(yùn)動(dòng)的一個(gè)或一個(gè)以上的系統(tǒng)和方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)明了，示例性的敘述可應(yīng)用于其他的機(jī)械閥設(shè)計(jì)，包括但不限于彈簧閥(spring loaded valves )。
圖1示出了示例性電^f茲閥組件10的截面圖，其具有布置在第一線圏14和第二線圏16之間的可移動(dòng)巻筒12，各線圈能夠在施加電流時(shí)產(chǎn)生電磁力。第一與第二線圏14、 16分別部分地安裝在沿著縱向軸A-A延伸的外殼21的圓柱形端蓋18、 20中。巻筒12的第一末端22橫越由第一線圏14的最內(nèi)周緣限定的內(nèi)部空間，而巻筒的第二末端24橫越第二線圏16的最內(nèi)周緣的內(nèi)部。在圖l所示的實(shí)施例中，氣隙Z為端蓋18和巻筒12的第一末端22之間的當(dāng)前距離，而氣隙Z，為端蓋20和巻筒12的第二末端24之間的當(dāng)前距離。Zi為Z的最大可能值，并為Z與Z，的總和。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，Z為時(shí)間和巻筒12的位置的函數(shù)，因此，氣隙Z和Z，將在運(yùn)行中變化，而Zi保持為恒定?？倸庀禯i將取決于閥組件10的特定
構(gòu)造而變化。
巻筒12相對(duì)于外殼的固定元件一一例如線圏14和16—一的相對(duì)運(yùn)動(dòng)依賴于由第一與第二線圏14、 16的一個(gè)或二者產(chǎn)生的磁力的強(qiáng)度。磁力的強(qiáng)度在某種程度上為施加到第一與第二線圏14、 16的電流的函數(shù)。其他的因素包括巻筒12的長(zhǎng)度和質(zhì)量、氣隙Zi的范圍、對(duì)應(yīng)的氣隙Z與Z，以及由通過(guò)線圈14與16的電流產(chǎn)生的通過(guò)線圏14與16的磁通的相對(duì)大小。這些關(guān)系能用下面的微分公式表示，其中，i為通過(guò)第一或第二線圏14、16中的一個(gè)的電流，入為磁鏈，Z為上面討論的巻筒12相對(duì)于端蓋18的位置，Vdrv為線圏14、 16的驅(qū)動(dòng)電壓，m為巻筒12的質(zhì)量，C^為勦膠(viscose)摩擦系數(shù)，F(xiàn)咖g為磁力。
公式l
L 傷 J L 丄& d
公式1描述了基于所施加的驅(qū)動(dòng)電壓Vdrv通過(guò)線圏14、 16中的一個(gè)
的電流的變化。注意，依賴于巻筒12 (即從第一線圏14橫越到第二線圏16，反之亦然)的開(kāi)始位置， 一次僅僅對(duì)于一個(gè)線圏計(jì)算電流的變化。公式1的第一括號(hào)項(xiàng)表示通過(guò)線圏的電感。第二括號(hào)項(xiàng)的第一元素為基于所施加電流i由于線圏的歐姆電阻(RL)的電壓降。第二項(xiàng)中的第二元素為感應(yīng)電壓，其為磁鏈X(通過(guò)線圏的電流和巻筒位置的函數(shù))的導(dǎo)數(shù)，其中，土為巻筒12的速度。第二項(xiàng)中第三和最后的元素表示線圏的驅(qū)動(dòng)電壓。公式2
& —丄
(A2 附
^S式2由牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律推導(dǎo)出(即F=ma，其中，F(xiàn)為所有外力的總和，m為質(zhì)量，a為加速度)。求解加速度，將公式2用巻筒位置的二階孩t分的形式表示，并等于巻筒12的所有力的總和。括號(hào)內(nèi)的第一項(xiàng)為作為通過(guò)線圈的電流和巻筒12的位置的函數(shù)的由于線圈(第一線圏14或第二線圈16中的一個(gè))的磁力。第二項(xiàng)為當(dāng)電流為零時(shí)由于殘余磁通從另
6一側(cè)作用在巻筒上的力。第三和最后的一項(xiàng)為由于黏M擦的力，其與巻
筒12的速度成比例。示例性過(guò)程
圖2為一流程圖，其示出了產(chǎn)生用于控制雙線圏閥中巻筒運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)曲線的示例性過(guò)程。談及物理部件參照?qǐng)D1所示的示例性部件。在步驟100中，選擇適當(dāng)?shù)某杀竞瘮?shù)(costfunction)，其對(duì)某些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加權(quán)或限制，這些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)例如但不限于能量消耗和沖擊速度。于是，在步驟102中選擇基于巻筒12的位置和希望的巻筒軌線的任意運(yùn)動(dòng)曲線。示例性的運(yùn)動(dòng)曲線在圖3A和3B中示出，其中，圖3A示出了時(shí)間t上的巻筒位置Z，圖3B示出了在巻筒第一末端22如上所述地逼近端蓋18時(shí)在時(shí)間上作為速度(dz/dt)的函數(shù)的巻筒12的相關(guān)聯(lián)的速度。注意，圖3B中的速度顯示為負(fù)，因?yàn)閹喭驳奈恢?即氣隙Z)隨時(shí)間減小。 一起看圖3A與3B,示出了隨著氣隙減小，例如在時(shí)間.4ms時(shí)，巻筒12的速度的絕對(duì)值接近最大值。當(dāng)氣隙進(jìn)一步減小時(shí)，巻筒12的絕對(duì)速度減小。如下面進(jìn)一步詳細(xì)介紹的那樣，速度的減小以及因此導(dǎo)致的巻筒軟著陸是由于施加到第二線圏的電流引起的，該電流基于氣隙的長(zhǎng)度產(chǎn)生相反的磁力，從而減小巻筒12的速度。在一個(gè)實(shí)施例中，氣隙的長(zhǎng)反基于巻筒速度來(lái)推定，巻筒速度是基于電壓和電流測(cè)量的。在另一實(shí)施例中，間隙長(zhǎng)度通過(guò)安裝在端蓋18、 20內(nèi)的接近度傳感器來(lái)確定。在彈簧閥中，測(cè)量值可為測(cè)量得到的彈簧力的結(jié)果。
參照?qǐng)D2，在步驟104中，使用公式1和2，基于巻筒位置以及由步驟102得到的希望的巻筒軌線(分別為圖3A與3B)來(lái)計(jì)算第一與第二線圈14與16中的標(biāo)稱(chēng)電壓"^/"和標(biāo)稱(chēng)電流/*(^以及結(jié)果得到的力曲線。這可由公式1和2得到，因?yàn)椋到y(tǒng)具有不同平坦度的特性。由于測(cè)量誤差和模型不確定度，有必要對(duì)來(lái)自步驟104的標(biāo)稱(chēng)值進(jìn)行校正。因此，在步驟106中，使用下面的公式組3計(jì)算對(duì)于第一與第二線圏14、 16二者的電流和電壓的實(shí)際值。
公式組3= + "3fc,.,(5) -
",),-'(r(f),i^)y(,))
在步驟108中，根據(jù)前面建立的成本函數(shù)以及閥組件10的物理限制針對(duì)設(shè)計(jì)的可行性檢查電流與電壓曲線。在步驟110中，基于標(biāo)準(zhǔn)反饋控制環(huán)對(duì)脫機(jī)規(guī)劃的電流和電壓曲線進(jìn)行校正。例如，公式組(3)中的和^w示出了^J晴環(huán)(即控制定律)，其可用于穩(wěn)定化運(yùn)動(dòng)曲線并校正由于推定值或測(cè)量(例如電流、電壓、摩擦系數(shù)等)中的不準(zhǔn)確性引起的任何誤差。公式組3中的控制定律將電壓和電流的標(biāo)稱(chēng)值用作前饋量來(lái)補(bǔ)償非線性動(dòng)態(tài)。通過(guò)加權(quán)標(biāo)稱(chēng)量(在公式組3中用*表示)和實(shí)際測(cè)量量之間的差來(lái)引入反饋。這種控制結(jié)構(gòu)通常被稱(chēng)為具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償項(xiàng)的狀態(tài)空間反饋控制器。
圖4示出了整體控制方案，其中，將電流基準(zhǔn)曲線40 (脫機(jī)產(chǎn)生的曲線)與測(cè)量或推定的電流曲線42 (實(shí)際曲線)進(jìn)4亍比較，以計(jì)算差，其產(chǎn)生電流校正。類(lèi)似地，將速度基準(zhǔn)曲線44與巻筒12的測(cè)量或推定的速度46進(jìn)行比較，以建立速度校正因子。同樣的原理適用于位置基準(zhǔn)曲線48和測(cè)量或推定的巻筒12的位置50,以便得到位置校正因子。校正因子中的各個(gè)被求和，以便創(chuàng)建表示對(duì)于閥組件10的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)曲線的控制電壓，使得巻筒的運(yùn)動(dòng)受到控制，從而提供軟著陸。
圖3C與3D示出了作為兩個(gè)線圏中的電流的函數(shù)得到的力曲線(圖3C)以及對(duì)于第一與第二線圏14、 16中的每一個(gè)結(jié)果得到的電壓分布(圖3D)。對(duì)于閥10的整體運(yùn)動(dòng)曲線通過(guò)圖3A-3D中的圖表概括示出。圖3C最好地示出了通過(guò)各個(gè)線圏14與16的電流之間的關(guān)系、對(duì)于各個(gè)線圏14與16的結(jié)果得到的磁力以及因此在巻筒12的速度上的沖擊。注意，從時(shí)間0到大約等于.4ms的時(shí)間，結(jié)果得到的力是由于第一線圏14中的力引起的。通過(guò)參照?qǐng)D3A與3B，可以看出這也是氣隙已經(jīng)變小且理想最大速度已經(jīng)取得峰值的時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)軟著陸，第一線圏14中的電流變?yōu)榱?br> 8("0")，同時(shí)，第二線圏16中的電流增大，在第二線圏16中產(chǎn)生與第一線圏14的磁場(chǎng)相反的磁力。隨著氣隙Z減小到零("0")，這種相反的力減小巻筒12的速度。結(jié)果得到軟著陸。
盡管參照上面的優(yōu)選實(shí)施例特別示出和介紹了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明了 ，在不脫離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對(duì)這里介紹的本發(fā)明的實(shí)施例的多種替代可用于實(shí)踐本發(fā)明。所附權(quán)利要求限定了本發(fā)明的范圍，且在這些權(quán)利要求及其等價(jià)內(nèi)容的范圍內(nèi)的方法和系統(tǒng)被其覆蓋。本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)應(yīng)當(dāng)理解為包含這里介紹的元素的所有具有新穎性和創(chuàng)造性的組合，且權(quán)利要求對(duì)這一或以后的對(duì)這些元素的任何具有新穎性和創(chuàng)造性的組合提出。前面的實(shí)施例是i兌明性的，沒(méi)有一個(gè)特征或元件對(duì)可能在這一或后來(lái)的申請(qǐng)中要求的所有可能組合是必需的。當(dāng)權(quán)利要求提到其等價(jià)物的一個(gè)或第一元素時(shí)，這樣的權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)理解為包括一個(gè)或一個(gè)以上的這樣的元素，既不要求也不排除兩個(gè)或兩個(gè)以上的這種元素。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，其包含第一線圈與第二線圈；卷筒，其可在相對(duì)于所述第一線圈的第一位置與相對(duì)于所述第一線圈的第二位置之間有選擇地運(yùn)動(dòng)；其中，所述卷筒的所述第一位置和所述第二位置根據(jù)運(yùn)動(dòng)曲線受到控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，施加到所述第一線圈和所述第二線 圏的電流產(chǎn)生磁力，該磁力控制所述巻筒在所述第 一位置與所述第二位置 之間的運(yùn)動(dòng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，所述運(yùn)動(dòng)曲線包含施加到所述第一 線圏的第 一 電流和施加到所述第二線圏的第二電流，使得所述巻筒在其從 所述第一位置橫越到所述第二位置時(shí)的運(yùn)動(dòng)根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)曲線受到控制。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中，所述第 一與所述第二電流被施加到 所述第一與第二線圏，以便控制所述巻筒的速度，從而在所述巻筒從所述 第 一位置橫越并逼近所述第二位置時(shí)提供速度的降低。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，所述運(yùn)動(dòng)曲線為根據(jù)希望的巻筒特 性選擇的任意的運(yùn)動(dòng)曲線。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，施加到所述第一線圏的第一電流產(chǎn) 生磁力，該磁力使得所述巻筒從所述第一位置橫越到所述第二位置，且其 中，施加到所述笫二線圏的第二電流產(chǎn)生相反的磁力，以便在所述巻筒逼 近所述第二位置時(shí)減小所述巻筒的速度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，所述閥為電磁閥。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，所述閥為彈簧閥。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，所述第二位置具有物理接觸表面。
10. —種控制閥中的巻筒的方法，其包含選擇在巻筒從第 一位置橫越到第二位置時(shí)控制巻筒運(yùn)動(dòng)的任意運(yùn)動(dòng)曲線，以便在巻筒逼近所述第二位置時(shí)提供速度的降低，并使所述運(yùn)動(dòng)曲線基于巻筒在第一線圏與第二線圏之間的位置以及希望的巻筒軌線；基于所述任意運(yùn)動(dòng)曲線，對(duì)于所述第一與所述第二線圏中的每一個(gè)，計(jì)算電流和電壓值；以及基于所述電流與電壓值，產(chǎn)生力曲線。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，所述電流值包含第一電流，將所述第 一電流施加到所述第一線圏，由此產(chǎn)生使得所述巻筒從所述第一位置向所 述第二位置橫越的磁力；第二電流，將所述第二電流施加到所述第二線圏， 由此產(chǎn)生反向磁力并減小所述巻筒的速度，提供到所述第二位置的軟著陸。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其還包含，通過(guò)將第一計(jì)算得到的電流 施加到所述第 一線圈并產(chǎn)生第 一磁力并將第二計(jì)算得到的電流施加到所述 第二線圏并產(chǎn)生與所述第 一磁力相反的第二磁力，在巻筒從第 一位置橫越 到第二位置時(shí)控制巻筒的速度，由此在巻筒逼近所述第二位置時(shí)減小巻筒 的速度。
13. —種控制閥中的巻筒的方法，其包含選擇在巻筒從第 一位置橫越到第二位置時(shí)控制巻筒運(yùn)動(dòng)的任意運(yùn)動(dòng)曲 線，所述運(yùn)動(dòng)曲線基于巻筒在第一線圏與第二線圏之間的位置以及希望的 巻筒軌線；基于所述任意運(yùn)動(dòng)曲線，對(duì)于所述第一與所述笫二線圏中的每一個(gè)， 計(jì)算標(biāo)稱(chēng)電流和標(biāo)稱(chēng)電壓；基于所述標(biāo)稱(chēng)電流和所述標(biāo)稱(chēng)電壓，計(jì)算力曲線； 將所述標(biāo)稱(chēng)電流以及所述標(biāo)稱(chēng)電壓與設(shè)計(jì)可行性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較； 對(duì)于所述第一與所述第二線圏中的每一個(gè)，計(jì)算實(shí)際電流與實(shí)際電壓值；比較；以及基于由所述標(biāo)稱(chēng)電流及電壓與所述實(shí)際電流及電壓之間的所述比較得 到的差確定校準(zhǔn)因子，其中，所述校準(zhǔn)因子補(bǔ)償測(cè)量誤差和模型不確定度。
全文摘要
一種用于控制閥中的可移動(dòng)芯(12)的運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，其包含第一與第二線圈(14，16)以及能在相對(duì)于第一線圈的第一位置和相對(duì)于第二線圈的第二位置之間有選擇地運(yùn)動(dòng)的可移動(dòng)芯。
文檔編號(hào)H01F7/16GK101595538SQ200780049918
公開(kāi)日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2007年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
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