专利名称：用于在阀中控制衔铁运动的系统和方法
用于在阀中控制衔4^运动的系统和方法相关申请的交叉引用
本申请要求2005年12月16日提交的美国临时申请60/750,917的优先权，其整体并入此处作为参考。
背景技术：
电磁阀(即由一个或一个以上的螺线管致动的阀)为用于在全开或全关构造中控制液体或气体的流动的机电装置。通过经一个或一个以上的线圏发送电流，以便产生在希望的方向运动由磁性物质制造的巻筒(spool)或芯的电磁力(通常^示打开状态的第一位置到表示关闭状态的第二位置，反之亦可)，电磁阀操作。在已知的电磁阀构造中，巻筒在其从一个阀位置4黄越(traverse)到另一个阀位置的运动不受控制，因为巻筒速度在巻筒逼近第二位置时持续增大，导致高的速度冲击。这种不受控制的运动以及高冲击着陆(landing)——特别是在快速切换应用中——产生运行噪音、零件劣化、机械应力以及不希望的巻筒跳动。因此，有鉴于与电磁阀中不受控制的巻筒运动相关联的这些以及其他缺点，开发出下面介绍的实施例。
图1示出了才艮据一实施例的示例性双线圏阀组件；图2为一过程图，其示出了才艮据一实施例用于产生运动曲线(profile)的示例性步骤；
图3A为一图表，其示出了根据一实施例的示例性位置曲线；图3B为一图表，其示出了根据一实施例的示例性速度曲线；图3C为一图表，其示出了才艮据一实施例在阀组件中在电流与力之间的示例性关系；
图3D为一图表，其示出了根据一实施例的示例性电压曲线；以及图4示出了根据一实施例的示例性控制反馈方案。
具体实施例方式
提供了用于控制双线圏阀中的巻筒运动的系统和方法。该系统和方法包含，通过根据预定的任何运动曲线在阀的两个线圈之间分配电流来控制巻筒的运动。换句话说，运动曲线建立了第一线圏中的电流与第二线圏中的电流之间的最优关系，使得线圏协力工作，以控制巻筒运动，从而如下
"软着陆"。运动曲线的建立包括基于希望的巻筒特性以及实际限制脱机(offline)产生最优的运动曲线，实际限制例如为可容许电流和可用驱动电压等级的限制以及能量和沖击速度等性能指数。 一旦已经产生脱机运动曲线，应用反馈算法来控制和稳定化运动曲线，并计;Sj漠型和测量不确定度。
示例性系统
尽管下面特别参照电磁阀介绍了用于控制双线圏阀中的巻筒运动的一个或一个以上的系统和方法，本领域技术人员将会明了，示例性的叙述可应用于其他的机械阀设计，包括但不限于弹簧阀(spring loaded valves )。
图1示出了示例性电^f兹阀组件10的截面图，其具有布置在第一线圏14和第二线圏16之间的可移动巻筒12，各线圈能够在施加电流时产生电磁力。第一与第二线圏14、 16分别部分地安装在沿着纵向轴A-A延伸的外壳21的圆柱形端盖18、 20中。巻筒12的第一末端22横越由第一线圏14的最内周缘限定的内部空间，而巻筒的第二末端24横越第二线圏16的最内周缘的内部。在图l所示的实施例中，气隙Z为端盖18和巻筒12的第一末端22之间的当前距离，而气隙Z，为端盖20和巻筒12的第二末端24之间的当前距离。Zi为Z的最大可能值，并为Z与Z，的总和。本领域技术人员知道，Z为时间和巻筒12的位置的函数，因此，气隙Z和Z，将在运行中变化，而Zi保持为恒定。总气隙Zi将取决于阀组件10的特定
构造而变化。
巻筒12相对于外壳的固定元件一一例如线圏14和16—一的相对运动依赖于由第一与第二线圏14、 16的一个或二者产生的磁力的强度。磁力的强度在某种程度上为施加到第一与第二线圏14、 16的电流的函数。其他的因素包括巻筒12的长度和质量、气隙Zi的范围、对应的气隙Z与Z，以及由通过线圈14与16的电流产生的通过线圏14与16的磁通的相对大小。这些关系能用下面的微分公式表示，其中，i为通过第一或第二线圏14、16中的一个的电流，入为磁链，Z为上面讨论的巻筒12相对于端盖18的位置，Vdrv为线圏14、 16的驱动电压，m为巻筒12的质量，C^为勦胶(viscose)摩擦系数，F咖g为磁力。
公式l
L 伤 J L 丄& d
公式1描述了基于所施加的驱动电压Vdrv通过线圏14、 16中的一个
的电流的变化。注意，依赖于巻筒12 (即从第一线圏14横越到第二线圏16，反之亦然)的开始位置， 一次仅仅对于一个线圏计算电流的变化。公式1的第一括号项表示通过线圏的电感。第二括号项的第一元素为基于所施加电流i由于线圏的欧姆电阻(RL)的电压降。第二项中的第二元素为感应电压，其为磁链X(通过线圏的电流和巻筒位置的函数)的导数，其中，土为巻筒12的速度。第二项中第三和最后的元素表示线圏的驱动电压。公式2
& —丄
(A2 附
^S式2由牛顿第二运动定律推导出(即F=ma，其中，F为所有外力的总和，m为质量，a为加速度)。求解加速度，将公式2用巻筒位置的二阶孩t分的形式表示，并等于巻筒12的所有力的总和。括号内的第一项为作为通过线圈的电流和巻筒12的位置的函数的由于线圈(第一线圏14或第二线圈16中的一个)的磁力。第二项为当电流为零时由于残余磁通从另
6一侧作用在巻筒上的力。第三和最后的一项为由于黏M擦的力，其与巻
筒12的速度成比例。示例性过程
图2为一流程图，其示出了产生用于控制双线圏阀中巻筒运动的运动曲线的示例性过程。谈及物理部件参照图1所示的示例性部件。在步骤100中，选择适当的成本函数(costfunction)，其对某些设计标准进行加权或限制，这些设计标准例如但不限于能量消耗和冲击速度。于是，在步骤102中选择基于巻筒12的位置和希望的巻筒轨线的任意运动曲线。示例性的运动曲线在图3A和3B中示出，其中，图3A示出了时间t上的巻筒位置Z，图3B示出了在巻筒第一末端22如上所述地逼近端盖18时在时间上作为速度(dz/dt)的函数的巻筒12的相关联的速度。注意，图3B中的速度显示为负，因为巻筒的位置(即气隙Z)随时间减小。 一起看图3A与3B,示出了随着气隙减小，例如在时间.4ms时，巻筒12的速度的绝对值接近最大值。当气隙进一步减小时，巻筒12的绝对速度减小。如下面进一步详细介绍的那样，速度的减小以及因此导致的巻筒软着陆是由于施加到第二线圏的电流引起的，该电流基于气隙的长度产生相反的磁力，从而减小巻筒12的速度。在一个实施例中，气隙的长反基于巻筒速度来推定，巻筒速度是基于电压和电流测量的。在另一实施例中，间隙长度通过安装在端盖18、 20内的接近度传感器来确定。在弹簧阀中，测量值可为测量得到的弹簧力的结果。
参照图2，在步骤104中，使用公式1和2，基于巻筒位置以及由步骤102得到的希望的巻筒轨线(分别为图3A与3B)来计算第一与第二线圈14与16中的标称电压"^/"和标称电流/*(^以及结果得到的力曲线。这可由公式1和2得到，因为，系统具有不同平坦度的特性。由于测量误差和模型不确定度，有必要对来自步骤104的标称值进行校正。因此，在步骤106中，使用下面的公式组3计算对于第一与第二线圏14、 16二者的电流和电压的实际值。
公式组3= + "3fc,.,(5) -
",),-'(r(f),i^)y(,))
在步骤108中，根据前面建立的成本函数以及阀组件10的物理限制针对设计的可行性检查电流与电压曲线。在步骤110中，基于标准反馈控制环对脱机规划的电流和电压曲线进行校正。例如，公式组(3)中的和^w示出了^J晴环(即控制定律)，其可用于稳定化运动曲线并校正由于推定值或测量(例如电流、电压、摩擦系数等)中的不准确性引起的任何误差。公式组3中的控制定律将电压和电流的标称值用作前馈量来补偿非线性动态。通过加权标称量(在公式组3中用*表示)和实际测量量之间的差来引入反馈。这种控制结构通常被称为具有动态补偿项的状态空间反馈控制器。
图4示出了整体控制方案，其中，将电流基准曲线40 (脱机产生的曲线)与测量或推定的电流曲线42 (实际曲线)进4亍比较，以计算差，其产生电流校正。类似地，将速度基准曲线44与巻筒12的测量或推定的速度46进行比较，以建立速度校正因子。同样的原理适用于位置基准曲线48和测量或推定的巻筒12的位置50,以便得到位置校正因子。校正因子中的各个被求和，以便创建表示对于阀组件10的最优运动曲线的控制电压，使得巻筒的运动受到控制，从而提供软着陆。
图3C与3D示出了作为两个线圏中的电流的函数得到的力曲线(图3C)以及对于第一与第二线圏14、 16中的每一个结果得到的电压分布(图3D)。对于阀10的整体运动曲线通过图3A-3D中的图表概括示出。图3C最好地示出了通过各个线圏14与16的电流之间的关系、对于各个线圏14与16的结果得到的磁力以及因此在巻筒12的速度上的冲击。注意，从时间0到大约等于.4ms的时间，结果得到的力是由于第一线圏14中的力引起的。通过参照图3A与3B，可以看出这也是气隙已经变小且理想最大速度已经取得峰值的时间。为了实现软着陆，第一线圏14中的电流变为零
8("0")，同时，第二线圏16中的电流增大，在第二线圏16中产生与第一线圏14的磁场相反的磁力。随着气隙Z减小到零("0")，这种相反的力减小巻筒12的速度。结果得到软着陆。
尽管参照上面的优选实施例特别示出和介绍了本发明，本领域技术人员应当明了 ，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，对这里介绍的本发明的实施例的多种替代可用于实践本发明。所附权利要求限定了本发明的范围，且在这些权利要求及其等价内容的范围内的方法和系统被其覆盖。本发明的说明书应当理解为包含这里介绍的元素的所有具有新颖性和创造性的组合，且权利要求对这一或以后的对这些元素的任何具有新颖性和创造性的组合提出。前面的实施例是i兌明性的，没有一个特征或元件对可能在这一或后来的申请中要求的所有可能组合是必需的。当权利要求提到其等价物的一个或第一元素时，这样的权利要求应当理解为包括一个或一个以上的这样的元素，既不要求也不排除两个或两个以上的这种元素。
权利要求
1.一种系统，其包含第一线圈与第二线圈；卷筒，其可在相对于所述第一线圈的第一位置与相对于所述第一线圈的第二位置之间有选择地运动；其中，所述卷筒的所述第一位置和所述第二位置根据运动曲线受到控制。
2. 根据权利要求l的系统，其中，施加到所述第一线圈和所述第二线 圏的电流产生磁力，该磁力控制所述巻筒在所述第 一位置与所述第二位置 之间的运动。
3. 根据权利要求l的系统，其中，所述运动曲线包含施加到所述第一 线圏的第 一 电流和施加到所述第二线圏的第二电流，使得所述巻筒在其从 所述第一位置横越到所述第二位置时的运动根据所述运动曲线受到控制。
4. 根据权利要求3的系统，其中，所述第 一与所述第二电流被施加到 所述第一与第二线圏，以便控制所述巻筒的速度，从而在所述巻筒从所述 第 一位置横越并逼近所述第二位置时提供速度的降低。
5. 根据权利要求l的系统，其中，所述运动曲线为根据希望的巻筒特 性选择的任意的运动曲线。
6. 根据权利要求l的系统，其中，施加到所述第一线圏的第一电流产 生磁力，该磁力使得所述巻筒从所述第一位置横越到所述第二位置，且其 中，施加到所述笫二线圏的第二电流产生相反的磁力，以便在所述巻筒逼 近所述第二位置时减小所述巻筒的速度。
7. 根据权利要求l的系统，其中，所述阀为电磁阀。
8. 根据权利要求l的系统，其中，所述阀为弹簧阀。
9. 根据权利要求l的系统，其中，所述第二位置具有物理接触表面。
10. —种控制阀中的巻筒的方法，其包含选择在巻筒从第 一位置横越到第二位置时控制巻筒运动的任意运动曲线，以便在巻筒逼近所述第二位置时提供速度的降低，并使所述运动曲线基于巻筒在第一线圏与第二线圏之间的位置以及希望的巻筒轨线；基于所述任意运动曲线，对于所述第一与所述第二线圏中的每一个，计算电流和电压值；以及基于所述电流与电压值，产生力曲线。
11. 根据权利要求10的方法，所述电流值包含第一电流，将所述第 一电流施加到所述第一线圏，由此产生使得所述巻筒从所述第一位置向所 述第二位置横越的磁力；第二电流，将所述第二电流施加到所述第二线圏， 由此产生反向磁力并减小所述巻筒的速度，提供到所述第二位置的软着陆。
12. 根据权利要求10的方法，其还包含，通过将第一计算得到的电流 施加到所述第 一线圈并产生第 一磁力并将第二计算得到的电流施加到所述 第二线圏并产生与所述第 一磁力相反的第二磁力，在巻筒从第 一位置横越 到第二位置时控制巻筒的速度，由此在巻筒逼近所述第二位置时减小巻筒 的速度。
13. —种控制阀中的巻筒的方法，其包含选择在巻筒从第 一位置横越到第二位置时控制巻筒运动的任意运动曲 线，所述运动曲线基于巻筒在第一线圏与第二线圏之间的位置以及希望的 巻筒轨线；基于所述任意运动曲线，对于所述第一与所述笫二线圏中的每一个， 计算标称电流和标称电压；基于所述标称电流和所述标称电压，计算力曲线； 将所述标称电流以及所述标称电压与设计可行性标准进行比较； 对于所述第一与所述第二线圏中的每一个，计算实际电流与实际电压值；比较；以及基于由所述标称电流及电压与所述实际电流及电压之间的所述比较得 到的差确定校准因子，其中，所述校准因子补偿测量误差和模型不确定度。
全文摘要
一种用于控制阀中的可移动芯(12)的运动的系统，其包含第一与第二线圈(14，16)以及能在相对于第一线圈的第一位置和相对于第二线圈的第二位置之间有选择地运动的可移动芯。
文档编号H01F7/16GK101595538SQ200780049918
公开日2009年12月2日 申请日期2007年2月13日 优先权日2006年12月15日
发明者J·路透 申请人:伊顿公司