电磁致动液压阀的切换方法和液压阀

技术领域

本发明涉及电磁致动液压阀的切换方法和液压阀。液压阀具有切换元件、控制单元和电磁铁。

背景技术

这种液压阀中使用的电磁铁具有线圈和电枢。电枢与切换元件连接以进行共同运动，例如通过闭合连杆、外形配合或材料封闭。要执行切换操作，就要向线圈施加电流，以使电枢与切换元件一起从初始位置移动到终止位置。切换元件可以是例如靠在阀座上的阀芯或阀塞。根据液压阀的使用情况，切换操作阻断或释放入口与出口之间的连接。通常，这些液压阀被配置成使得当电磁铁断电时，切换元件例如通过作用在切换元件上的偏置力或弹簧力保持在或返回到初始位置。

当电磁铁通电，切换元件因此移动到终止位置时，必须确保切换元件保持在终止位置，以保持所需的切换位置。为此，首先向电磁铁施加切换电压。电流因此增大到饱和电流，液压阀在达到饱和电流之前切换。然后，将电磁铁上施加的饱和电流减小到保持电流。通常，保持电流是在预定义的时间段之后施加的，该预定义的时间段足够长，以确保切换元件处于终止位置。通常，该保持电流是饱和电流的一个固定比例，例如饱和电流的60％。在其他情况下，不对保持电流进行调节，而是例如通过脉冲宽度调制将施加的电压平均降低到一个固定的百分比。因此，保持电流也减小，其大小取决于磁铁的欧姆电阻，而欧姆电阻又受到例如温度的影响。因此，温度升高会导致保持电流不可接受地急剧下降。

这些方案的缺点是，必须将保持电流设置到足够高的水平，以补偿诸如温度等外部影响。换句话说，采用这种方案，这样施加的保持电流定期地显著高于实际需要的(最小)保持电流。这会导致电磁铁不必要地发热，进而对使用寿命产生负面影响。这还增加了能源消耗。另一个缺点是，在许多情况下，致动控制单元必须适应于阀。换句话说，通常需要手动设置保持电流的高低。其替代方案是例如通过预设参数进行自动化设置。这样做的缺点是产生变量，并对阀产生相关联的约束。

替代地，也可以通过电位器手动设置保持电流。手动调节既费时，又不够准确，使得该方案从电磁铁的使用寿命和能源效率来看也是不利的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种更高效、更简便的电磁致动液压阀切换方法。本发明的另一个目的是提供一种相应的液压阀。

利用根据权利要求1所述的方法来实现解决问题。从属权利要求中描述了优选的实施例。

根据本发明，可电磁操作的液压阀包括切换元件、控制单元以及具有线圈和电枢的电磁铁，电枢与切换元件连接以进行共同运动。线圈被配置成当对其分别施加电流或电压时，与切换元件一起从初始位置移动到终止位置，以进行切换操作。根据本发明用于切换这种电磁致动液压阀的方法由控制单元执行，包括以下步骤：向电磁铁的所述线圈施加切换电压以启动切换操作；捕获随时间变化的电流曲线；进行切换元件的终止位置的到达检测；根据切换元件的终止位置的到达检测以及所捕获的电流曲线来确定保持电流；以及将线圈上施加的电流或线圈上施加的电压分别减小到所确定的保持电流。

因此，在线圈上最初施加切换电压。由此产生的饱和电流定期地高于使电枢移动所需的电流。施加切换电压后，电流最初大致呈线性增长，直到电枢移动并启动切换过程。由于电枢的电感变化，电流曲线随着电枢的移动而变化。一旦电枢到达其终止位置，例如当电枢或切换元件与止动件相接时，电流曲线就再次变化，电流再次大致呈线性上升。在到达终止位置的点后由控制单元捕获或监测电流曲线，并且检测终止位置的到达。基于电流曲线和检测到达终止位置，可以在电枢或切换元件最初到达终止位置的时间确定低电流。根据该低电流来确定该切换操作的保持电流，例如通过低电流加上安全系数。当然，也可以将低电流直接定义为或用作保持电流。然后，将线圈上施加的电流减小到所确定的保持电流。

根据本发明的方法使得可以在每次切换操作过程中确定必要的保持电流，而无需事先调整控制单元以适于阀。这简化了阀的起动。此外，根据本发明的方法还能显著降低能源消耗。因此，还可以避免电磁铁过热。由于每次切换操作都可以确定保持电流，因此还可以考虑到诸如温度变化等外部影响。

优选地，终止位置的到达检测包括以下步骤：检测所检测的电流曲线的特征轮廓，其中特征轮廓优选是所检测的电流曲线的拐点。如上所述，在施加切换电压时，电流最初大致呈线性增长。一旦电枢移动，切换过程开始，电枢中的电感就随着移动速度的增加而最初增加。由于能量守恒，线圈中的电流随着电枢电感的增加而减小。一旦电枢或切换元件处于终止位置，在机械上不再可能进一步运动，电枢中的电感就会因电枢当时的静态位置而大致保持恒定。因此，线圈中的电流再次增加。在这个时间点，电流曲线中出现拐点，这是特征性的，因此被识别出来。拐点时的电流与最初到达终止位置时的可用来确定保持电流的低电流相对应。

在这种情境下，应该注意的是，就本发明而言，术语“特征轮廓”应从广义上理解。特征轮廓可以是电流曲线的曲率行为发生变化的点，即拐点。然而，在某些情况下，某些电磁铁或液压阀的电流曲线的曲率行为不发生变化，只是在到达终止位置时，电流曲线的斜率才发生突然的显著的变化。就本发明而言，这种显著的斜率变化也是特征轮廓。另外，该拐点不必是电流曲线的第一个拐点。可以想到，由于在运动过程中和到达终止位置之前电枢的电感变化，获得电流轮的第一个拐点，从而到达终止位置时的拐点就是电流轮廓的第二个拐点。特别地，还可以根据电流曲线上两个拐点之间的最大可能差值得出特征轮廓。

替代地，液压阀可以包括终止位置检测装置，其中基于来自终止位置检测装置的信号来检测切换元件的终止位置。终止位置检测装置可以是例如限位开关。因此，从所捕获的电流曲线中读出在被终止位置检测装置指示为终止位置到达时间的时间处施加到线圈上的电流，作为切换过程的保持电流。

切换过程的保持电流可直接用作所确定的保持电流。然而，还可以想到，在确定保持电流时，由来自至少两次切换操作的保持电流形成保持电流指导值，并将其用作保持电流，例如作为保持电流平均值。特别地，如果对来自多次切换操作的保持电流求平均值，则可以防止例如由于切换操作的保持电流异常值而导致阀的错误切换。平均值可以是一定次数的切换操作的固定平均值，或者是浮动平均值。还可以想到，使用预定义次数的切换操作的最高值作为所确定的保持电流，以确保可靠运行。

还可以想到，对切换操作的保持电流进行缓冲。因此，可以例如基于四分位距或基于常见的异常值测试，通过控制单元进行异常值分析。因此，还优选的是，液压阀或控制单元包括存储器。

优选地，从可预定义的时间点开始执行将线圈上施加的电流减小到所确定的保持电流。该时间点可以例如手动定义，或由控制单元基于电流曲线来确定。

优选地，在执行将线圈上施加的电流减小到所确定的保持电流之前，线圈上施加的电流达到饱和电流。通过这样的方式，在任何情况下都能确保切换操作完成，并且电枢和切换元件分别处于终止位置。

另外，通过液压阀来解决问题。该液压阀是电磁致动液压阀，其包括切换元件、电磁铁和控制单元，电磁铁包括线圈和与切换元件连接的电枢。控制单元被配置为执行根据本发明的上述方法。特别地，该液压阀是双向动作液压阀。这种双向动作液压阀也称为液压黑白阀或液压切换阀。

液压阀的切换元件可以是例如阀芯、阀锥或以某种方式形成的液压阀关闭元件。液压阀还可包括将切换元件偏置到初始位置的偏置元件。这可以确保切换元件在磁铁断电时始终处于初始位置或返回到初始位置。

附图说明

以下参照附图所示的示例性实施例更详细地说明本发明，其中示意性地：

图1是根据本发明的液压阀的侧视图；

图2是图1所示液压阀的局部剖面；以及

图3分别示出根据本发明的液压阀的电流曲线和切换元件或电枢的位置。

具体实施方式

图1描绘根据本发明的液压阀10的侧视图。液压阀10是电磁致动液压阀10，并且包括固定在液压阀10的阀壳体22上的电磁铁14。此外，液压阀10包括连接器24，该连接器具有连接器壳体26。如图1所示，连接器24设置在电磁铁14上。通过连接器24，可以为电磁铁14供电，并且还可能为其提供信号。另外，在本示例性实施例中，控制单元20设置在连接器壳体26中，参见图2。当然，控制单元20也可以设置在阀壳体22中或者形成独立的部件。

图2示出图1所示液压阀10的完全示意性的局部简化剖面图。阀壳体22设有轴向孔34，切换元件12可轴向移动地设置在该轴向孔中。在本示例性实施例中，切换元件12是阀芯活塞。第一液压口30和第二液压口32各自通入轴向孔34中，这样，根据切换元件12在轴向孔34中的位置，第一液压口30与第二液压口32之间的流体连接被阻断或释放。因此，在本实施例中，液压阀10是双向动作液压阀。第一液压口30可以是例如压力口或油箱口等，第二液压口32可以是例如用于液压消耗器的口。

在图2中，示出切换元件12处于初始位置AP，在该位置上，第一液压口30和第二液压口32之间的流体连通被阻断。切换元件12通过偏置元件28保持在初始位置AP。为此，本示例性实施例中的偏置元件28被配置为接收在轴向孔34中的弹簧。偏置元件28一方面支撑在阀壳体22上，另一方面支撑在切换元件12上，并在初始位置AP的方向上对切换元件12产生力。

为了切换液压阀10并将切换元件12从初始位置AP移动到终止位置EP(在终止位置，第一液压口30和第二液压口32之间的流体连接被打开)，电磁铁14通过连接器24和控制单元20被通电。为此，电磁铁14包括线圈16和电枢18。电枢18设置在线圈16的径向内侧，并通过连接元件36与切换元件12连接，使得电枢18和切换元件12一起运动。例如，连接元件36可以是挺杆。

当电磁铁14的线圈16通电时，使电枢18以已知的方式运动。电枢18的运动通过连接元件36传递到切换元件12，使得切换元件12对抗偏置元件28施加的力而移动到终止位置EP。在本示例性实施例中，终止位置EP是通过机械方式预先确定的，例如通过止动件(未示出)。为了将切换元件12保持在终止位置EP，对线圈16通入保持电流I1，该电流通过控制单元20确定，这将在下文中更详细地描述。

一旦不再对线圈16通电，就只有偏置元件28的力作用在切换元件12上。切换元件12通过该力从终止位置EP移动回到初始位置AP。同时，电枢18与切换元件12同步移动，因为切换元件12的运动通过连接元件36传递到电枢18。

在下文中，现在参照图3更详细地说明根据本发明由控制单元20执行的液压阀10的切换方法，其中横座标代表时间曲线t，左纵坐标代表电流I，右纵坐标代表切换元件12或电枢18的位置P。

为了启动切换过程，通过控制单元20向线圈16施加切换电压。最初，电流曲线SV(实线)大致呈线性上升，直到第一个时间点t1。在第一个时间点t1，电枢18或切换元件12开始运动，切换元件12或电枢18的位置PO(虚线)开始变化，实际切换过程开始。电枢18的电感先缓慢增加，然后随着电枢18速度的增大而越来越快地增加，并在第二个时间点t2达到最大值。由于施加了切换电压，磁路中的能量不断增加，这就导致在电磁铁14的电感值保持恒定的情况下电流增加。电枢18的运动增加了电磁铁14的电感。随着电感变化率的增加，电磁铁电流的斜率因能量守恒而减小到负值，尽管电磁铁电路中的能量增加。因此，电流曲线SV先上升到极限电流I2，然后从第一个时间点t1与第二个时间点t2之间的第一个拐点WP1开始下降。

在第二时间点t2，由于运动的优选机械限制，切换元件12或电枢18分别到达终止位置EP，切换元件12或电枢18分别突然停止，从而第二时间点t2的电流曲线SV与用来确定保持电流I1的低电流相对应。在所示实施例中，低电流与保持电流I1相对应，但还可以想到，保持电流I1是由低电流施加了安全系数产生的。然后，由于电枢18在终止位置EP的静态位置，电感再次大致保持恒定，电流曲线SV从时间点t2的第二个拐点WP2开始再次大致线性增加，直到该电流曲线对应于饱和电流I3。从可自由选择的或预定义的第三个时间点t3开始，然后由控制单元20将电流曲线减小到保持电流I1，从第四个时间点t4开始达到保持电流I1，并将切换元件12保持在终止位置EP，使得第一液压口30与第二液压口32之间的流体连接打开并保持打开。

为了确定保持电流I1，由控制单元20分别捕获或监测随时间t变化的电流轮廓SV。控制单元20被配置为检测锁捕获的电流曲线SV的特征轮廓，并由此确定保持电流I1。在本示例性实施例中，特征轮廓是电流曲线SV的第二个转折点WP2。控制单元20因此确定该切换操作的保持电流I1，在本示例性实施例中，该保持电流与第二时间点t2的第二转折点WP2的低电流相对应。当然，保持电流I1也可以偏离低电流，例如通过考虑安全系数。

根据控制单元20的配置，相应切换操作的保持电流I1可直接用作从时间点t3开始施加到线圈16上的所确定的保持电流。当然，还可以想到，控制单元20从几次切换操作的保持电流I1得出所确定的保持电流(例如作为移动平均值)。另外，还可以想到，控制单元20直接将任何异常值定性为异常值并忽略不计。还可以想到，控制单元20为此具有存储器，以缓冲或存储各个切换操作的保持电流I1。

在本实施例中，用于将电流减小到所确定的保持电流的可自由选择的第三个时间点t3是这样选择的：线圈16上施加的电流先上升到饱和电流I3。然而，并不是绝对需要电流先上升到饱和电流I3。相反，可自由选择的第三个时间点t3也可以以显著更短的时间间隔跟随第二个时间点t2，而线圈16上施加的电流尚未达到饱和电流I3。特别地，可以通过这样的方式来配置控制单元20：可自由选择的第三个时间点t3被优化，使得液压阀10的整体能效尽可能高。

另外，可以提供终止位置开关(未示出)，该终止位置开关用信号向控制单元20发送第二时间点t2，即切换元件12或电枢18分别到达终止位置EP。控制单元20因此通过终止位置开关的对应信号来检测终止位置EP的到达，并且如上所述根据所检测的电流曲线SV来确定切换过程的保持电流I1。

附图标记列表

10 液压阀

12 切换元件

14 电磁铁

16 线圈

18 电枢

20 控制单元

22 阀壳体

24 连接器

26 连接器壳体

28 偏置元件

30 第一液压口

32 第二液压口

34 轴向孔

36 连接元件

AP 初始位置

EP 终止位置

I 电流

I1 保持电流

I2 极限电流

I3 饱和电流

P 位置

PO 电枢位置

SV 电流曲线

t1 第一个时间点

t2 第二个时间点

t3 第三个时间点

t4 第四个时间点

WP1 第一个拐点

WP2 第二个拐点