一种基于比例电磁阀的精确位置调控装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于比例电磁阀的精确位置调控装置及方法，属于液压控制技术领域。

背景技术

比例电磁阀应用于柴油发动机的电控燃油喷射系统中，为燃油喷射阀的先导阀，通过控制阀芯位置的变化改变伺服油油路，从而实现高压伺服油对燃油增压与喷射的控制。在喷油时，调整其开启时刻、开启时间以及阀芯开启位移大小，实时精确控制喷油定时与喷油量。通过此先导比例电磁阀控制主阀实现对高压大流量液流的比例控制，并克服主阀芯上的液动力干扰，在负载变化时具有较高的稳定裕度。目前，该比例电磁阀中的电磁铁采用的是动铁电磁铁，其缺点是体积较大。输入功率较大且存在散热问题，输出力较小，灵敏度低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于比例电磁阀的精确位置调控装置及方法，通过闭环反馈控制(先导阀阀芯位移反馈+主阀阀芯位移反馈)比例电磁铁中电流的大小，控制动铁式电磁铁运动，驱动阀芯的往复运动，改变比例阀阀口开度，实现先导比例阀流量的精确控制，最终完成主阀阀芯的精确位置调控。并利用液压油/燃油的系统压力，实现主阀阀芯的精确位置调控。

本发明的技术解决方案是：

本发明公开了一种基于比例电磁阀的精确位置调控装置，包括：控制器、比例放大器、先导阀、先导阀位移传感器和主阀位移传感器；其中：

控制器根据外部系统发送的小电流指令信号、先导阀位移传感器发送的一级反馈电流信息和主阀位移传感器发送的二级反馈电流信息，输出小电流信号，发送给比例放大器，实现精确位置闭环控制；

比例放大器接收控制器发送的小电流信号，将小电流信号转换为大电流信号，发送给先导阀；

先导阀根据比例放大器发送的大电流信号，控制先导阀流量，输出先导阀的位移信号；通过位移信号和流量输出控制外部主阀的位移信号；

先导阀位移传感器采集先导阀的位移信号，将先导阀的位移信号转换为一级反馈电流信号，输出给控制器；

主阀位移传感器采集外部主阀的位移信号，将主阀的位移信号转换为二级反馈电流信号，输出给控制器。

在上述调控装置中，所述先导阀包括电磁线圈、动铁式电-机转换器、先导阀阀芯，其中，

电磁线圈接收经由比例放大器放大的大电流信号，电磁线圈在电流信号的作用下产生感应电磁场，使能于动铁式电-机转换器；

动铁式电-机转换器将感应电磁场转化为运动的机械能，在电磁线圈磁场的作用下产生磁场，在场的相互作用下实现机械运动，将电气信号转换为机械能；实现对先导阀阀芯位置的连续控制；

先导阀阀芯与动铁式电-机转换器刚性连接；先导阀阀芯将动铁式电-机转换器的机械能转换为控制先导阀流量的开口大小，实现对先导阀阀芯位置的精确控制。

在上述调控装置中，所述先导阀还包括滑套、阀体，先导阀阀芯位于滑套内，滑套位于阀体内，阀体上设置P口，P口为供油口，P口的两侧沿阀体轴向分别设置A口和B口，A口远离P口的一端设置T1口，B口远离P口的一端设置T2口；A口与主阀的大活塞侧连通，T1口和T2口为泄放口，与主阀的泄放通道连通；滑套的中部径向设置圆孔与阀体的P口、A口、B口和T口相通。

在上述调控装置中，P口和A口连通时与先导阀阀芯形成阀口1，B口和T口连通时与先导阀阀芯形成阀口4，P口和B口连通时与先导阀阀芯形成阀口2，A口和T口连通时与先导阀阀芯形成阀口3。

在上述调控装置中，电磁线圈通电使能后，阀芯左移，P口与A口连通，液压油通过阀口1给下级主阀供能，驱动主阀阀芯动作；电磁线圈断电后，阀芯在弹簧力的作用下左移，P口与B口连通，A口与T口连通，主阀使能端液压油通过阀口3实现泄压。

在上述调控装置中，先导阀阀芯与滑套间隙配合，滑套与阀体间隙配合；先导阀阀芯与滑套间隙为1～2μm，滑套与阀体间隙为1～2μm，先导阀阀芯与滑套均为同种材料，保证热膨胀系数相等，避免热膨胀导致卡死。

在上述调控装置中，所述先导阀还包括碟簧、小碟簧；其中，碟簧用于滑套与阀体的轴向定位，滑套一端采用碟簧和孔用弹性挡圈，为浮动式定位，当轴向发生卡滞时，碟簧吸能，避免结构件损坏；电磁铁与先导阀连接处选用两个小碟簧串联，改刚性连接为弹性连接，在超过正常工作力值时，碟簧吸能，保护异常工况下结构件。

在上述调控装置中，所述先导阀还包括大弹簧、小弹簧、小弹簧座、小弹簧上盖、螺母；其中，采用大小弹簧套联设计，实现先导阀阀芯轴向定位，先导阀阀芯的一端连接大弹簧与小弹簧座和螺母，先导阀阀芯的另一端连接小弹簧与小弹簧座和小弹簧上盖；小弹簧外径小于大弹簧内径，小弹簧套于大弹簧内。

本发明公开了一种基于比例电磁阀的精确位置调控方法，包括：

控制器根据外部系统发送的小电流指令信号、先导阀位移传感器发送的一级反馈电流信息和主阀位移传感器发送的二级反馈电流信息，输出小电流信号，发送给比例放大器，实现精确位置闭环控制；

比例放大器接收控制器发送的小电流信号，将小电流信号转换为电流信号，发送给先导阀；

先导阀根据比例放大器发送的电流信号，控制先导阀流量，输出先导阀的阀芯位移信号；通过位移信号和流量输出控制外部主阀的阀芯位移信号；

先导阀位移传感器采集先导阀的位移信号，将先导阀的位移信号转换为一级反馈电流信号，输出给控制器；

主阀位移传感器采集外部主阀的位移信号，将主阀的位移信号转换为二级反馈电流信号，输出给控制器。

在上述调控装置中，所述控制器根据外部系统发送的小电流指令信号、先导阀位移传感器发送的一级反馈电流信号和主阀位移传感器发送的二级反馈电流信息，输出小电流信号，具体方法为：

先导阀传感器实时监测先导阀阀芯位移值X

主阀位移传感器实时监测主阀阀芯位移值X

其中，deta＝3～10％；X

在上述调控装置中，所述先导阀根据比例放大器发送的电流信号，控制先导阀流量，输出先导阀的阀芯位移信号，通过位移信号和流量输出控制外部主阀的阀芯位移信号，具体方法为：

计算阀的额定流量，公式为：

Q＝D

X

式中，Q为阀的额定流量；D

本发明与现有技术的有益效果在于：

(1)本发明设计了两级位移-电反馈控制，将先导比例阀的阀芯位置信号作为一级反馈控制，将主阀阀芯位置作为二级反馈信号进行反馈控制，可实现位置的精确闭环控制；

(2)本发明设计了动铁式电-机械转换器，具有体积小、响应快、输出力/力矩大和灵敏度高等优点；

(3)本发明中与先导阀阀芯采用浮动式滑套设计，阀芯与滑套间隙配合，滑套与阀体间隙配合，轴向采用碟簧浮动式定位，既降低阀体加工成本，又避免阀芯运动过程中的卡死；

(4)本发明中为确保阀芯往复运动过程中均可复位，在一端采用大小双弹簧套联设计，节省轴向尺寸空间，减小产品尺寸。

附图说明

图1为本发明控制原理方框图；

图2为本发明电磁铁通电阀芯位置图；

图3为本发明电磁铁断电阀芯位置图；

图4为本发明先导阀结构示意图；

图5为本发明控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种基于比例电磁阀的精确位置调控装置，包括：控制器、比例放大器、先导阀、先导阀位移传感器和主阀位移传感器；其中：

控制器根据外部系统发送的小电流指令信号、先导阀位移传感器发送的一级反馈电流信息和主阀位移传感器发送的二级反馈电流信息，输出小电流信号，发送给比例放大器，实现精确位置闭环控制；

比例放大器接收控制器发送的小电流信号，将小电流信号转换为大电流信号，发送给先导阀；

先导阀根据比例放大器发送的大电流信号，控制先导阀流量，输出先导阀的位移信号；通过位移信号和流量输出控制外部主阀的位移信号；

先导阀位移传感器采集先导阀的位移信号，将先导阀的位移信号转换为一级反馈电流信号，输出给控制器；

主阀位移传感器采集外部主阀的位移信号，将主阀的位移信号转换为二级反馈电流信号，输出给控制器。

如图4所示，先导阀包括电磁线圈8、动铁式电-机转换器9、先导阀阀芯7，其中，电磁线圈接收经由比例放大器放大的大电流信号，电磁线圈在电流信号的作用下产生感应电磁场，使能于动铁式电-机转换器；动铁式电-机转换器将感应电磁场转化为运动的机械能，在电磁线圈磁场的作用下产生磁场，在场的相互作用下实现机械运动，将电气信号转换为机械能；实现对先导阀阀芯位置的连续控制；先导阀阀芯与动铁式电-机转换器刚性连接；先导阀阀芯将动铁式电-机转换器的机械能转换为控制先导阀流量的开口大小，实现对先导阀阀芯位置的精确控制。

如图4所示，先导阀还包括滑套5、阀体4，先导阀阀芯7位于滑套5内，滑套5位于阀体4内，阀体4上设置P口，P口为供油口，P口的两侧沿阀体4轴向分别设置A口和B口，A口远离P口的一端设置T1口，B口远离P口的一端设置T2口；A口与主阀的大活塞侧连通，T1口和T2口为泄放口，与主阀的泄放通道连通；滑套5的中部径向设置圆孔与阀体4的P口、A口、B口和T口相通。P口和A口连通时与先导阀阀芯7形成阀口1，B口和T口连通时与先导阀阀芯7形成阀口4，P口和B口连通时与先导阀阀芯7形成阀口2，A口和T口连通时与先导阀阀芯7形成阀口3。

如图2所示，电磁线圈8通电使能后，先导阀阀芯7左移，P口与A口连通，液压油通过阀口1给下级主阀供能，驱动主阀阀芯动作；电磁线圈8断电后，先导阀阀芯7在弹簧力的作用下右移，P口与B口连通，A口与T口连通，主阀使能端液压油通过阀口3实现泄压。

先导阀阀芯7与滑套5间隙配合，滑套5与阀体4间隙配合；先导阀阀芯7与滑套5间隙为1～2μm，滑套5与阀体4间隙为1～2μm，先导阀阀芯7与滑套5均为同种材料，保证热膨胀系数相等，避免热膨胀导致卡死。

如图4所示，先导阀还包括碟簧6、小碟簧10；其中，碟簧6用于滑套5与阀体4的轴向定位，滑套5一端采用碟簧加孔用弹性挡圈11，为浮动式定位，当轴向发生卡滞时，碟簧6吸能，避免结构件损坏；电磁铁与先导阀连接处选用两个小碟簧串联，改刚性连接为弹性连接，在超过正常工作力值时，碟簧6吸能，保护异常工况下结构件。

先导阀还包括大弹簧3、小弹簧2、小弹簧座12、小弹簧上盖13、螺母1、销14；其中，采用大小弹簧套联设计，实现先导阀阀芯轴向定位，先导阀阀芯的一端连接大弹簧与小弹簧座和螺母，先导阀阀芯的另一端连接小弹簧与小弹簧座和小弹簧上盖；小弹簧位于大弹簧内，套联设计节省轴向距离。销13用于固定小弹簧上盖12。

如图5所示，本实施例提供的一种基于比例电磁阀的精确位置调控方法，包括：

步骤S1、控制器根据外部系统发送的小电流指令信号、先导阀位移传感器发送的一级反馈电流信息和主阀位移传感器发送的二级反馈电流信息，输出小电流信号，发送给比例放大器，实现精确位置闭环控制；

步骤S2、比例放大器接收控制器发送的小电流信号，将小电流信号转换为电流信号，发送给先导阀；

步骤S3、先导阀根据比例放大器发送的电流信号，控制先导阀流量，输出先导阀的阀芯位移信号；通过位移信号和流量输控制外部主阀的阀芯位移信号；

步骤S4、先导阀位移传感器采集先导阀的位移信号，将先导阀的位移信号转换为一级反馈电流信号，输出给控制器；

步骤S5、主阀位移传感器采集外部主阀的位移信号，将主阀的位移信号转换为二级反馈电流信号，输出给控制器。

在步骤S1中，控制器根据外部系统发送的小电流指令信号、先导阀位移传感器发送的一级反馈电流信号和主阀位移传感器发送的二级反馈电流信息，输出小电流信号，具体方法为：

先导阀传感器实时监测先导阀阀芯位移值X

主阀位移传感器实时监测主阀阀芯位移值X

其中，deta＝3～10％，本实施例中，deta＝5％；X

在步骤S3中，先导阀根据比例放大器发送的电流信号，控制先导阀流量，输出先导阀的阀芯位移信号，通过位移信号和流量输控制外部主阀的阀芯位移信号，具体为：先导阀根据比例放大器发送的电流信号，控制动铁式电-机转换器，通过电磁线圈产生的电磁力，推动先导阀阀芯轴向运动，通过先导阀阀芯与滑套形成的阀口开度控制先导阀流量，低压时，液体不可压缩性，改变主阀阀芯控制侧体积来控制主阀阀芯位移，具体方法为：先导阀阀芯的位移X

式中，Q──阀的额定流量；

Cd──流量系数，为常数；

Av──阀口流通面积，与阀开口成正比；

Δp──阀口两端进出口压差，与阀开口大小正相关；

因此，阀流量与先导阀阀芯开口正相关，简化为Q＝kx

实施例

本实施例的比例阀用于燃油喷射阀的先导级，比例阀用于控制，主阀起功率输出的作用。可以根据接收到电信号的大小对主阀芯位移进行控制，从而对伺服液压油的流动通路和流量的大小进行成比例的调节。

比例阀控制原理如附图1所示。比例阀接收测试平台控制系统的电流指令信号，通过动铁式电-机转换器推动阀芯在左右方向上移动，从而控制由比例阀阀芯节流口进入主阀大活塞侧的液压油，进而控制主阀阀芯的位置。通过位移-电反馈的形式将主阀阀芯的位移反馈给控制器，控制器根据位移-电反馈信息控制比例阀的电流实现位置闭环控制。

比例阀为结构原理主要由电子放大器、动铁式电-机械转换器、先导阀芯等部件组成。动铁式电-机械转换器作用是将来自电子放大器的控制信号成比例地转变成为力、位移、力矩输出，实现电气信号到机械量的转换。能够连续性地控制比例阀阀芯的位置，进而可以连续性地控制液压系统的压力、流量和方向。动铁式电-机械转换器的动态响应特性通常决定于线圈中流通电流的大小、电磁力的大小以及动铁组件的运动。

比例阀中线圈电流的大小除了与线圈电感相关之外，同时还与动铁组件运动速率相关。动铁组件运动速率对线圈电流大小产生影响，动铁组件在运动的过程中对整个电磁系统的磁通量产生影响，磁通量的变化相应地导致在线圈上产生反电动势，阻碍线圈中电流的变化。

如附图2所示，比例阀的阀体内安装有旋入式的衬套，衬套中部的径向圆孔与阀体安装面的P孔相通，由主阀引入的液压油由此进入P孔环槽待命，P孔左、右两侧各有两个矩形窗口即A、B窗口，A口通向主阀的大活塞侧，B口为盲孔与主阀不能连通，T口为泄放口与主阀泄放通道连通。

图示位置，阀处于中位，阀芯与滑套为正遮盖配合状态，液压油仅通过滑套上的倒角间隙以微小流量通向A、B口。

图2电磁铁通电阀芯位置，电磁铁通电使能后，阀芯左移，P口与A口连通，液压油通过阀口1给下级主阀供能，驱动主阀阀芯动作。

图3电磁铁断电阀芯位置，电磁铁断电后，阀芯在弹簧力的作用下左移，P口与B口连通，A口与T口连通，主阀使能端液压油通过阀口3实现泄压。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。