ИМПУЛЬСНЫЙ КЛЮЧ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОКЛАПАНОМ Российский патент 2000 года по МПК F02D41/00 

Изобретение относится к области электротехники, автоматики и может быть использовано в различных областях народного хозяйства, где требуется управление электроклапанами, форсунками, реле, имеющими в своем составе электромагнит или коммутируемую индуктивную нагрузку.

Известны различные ключи управления индуктивной нагрузкой, начиная от простейших подключающих/отключающих напряжение питания и кончая сложными схемами с обратными связями.

К общим недостаткам известных устройств можно отнести: во - первых, неполное использование потенциального быстродействия электроклапана, во-вторых, значительное влияние разброса индуктивностей электромагнитов на их быстродействие или, в конечном итоге, расходную характеристику клапанов, закладываемую при их изготовлении, в-третьих, зависимость быстродействия клапана от питающего напряжения.

Наиболее близким из известных технических решений является электронный ключ для управления форсункой в системе впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания [1] фиг. 2.

Устройство содержит триггер FF1, управляющий величиной ограниченного тока через форсунку L1, компаратор CP1, управляющий подключением источника питания к форсунке L1 под действием сигнала обратной связи с датчика тока R1, и переключаемую цепь ограничения обратного выброса напряжения, состоящую из трех ключевых каскадов на транзисторах Q4, Q5, Q2 и диоде D1.

Недостатком известного устройства является неполное использование потенциального быстродействия клапана и зависимость времени срабатывания от напряжения питания. Чтобы получить максимальное быстродействие клапана необходимо обеспечить максимальную скорость нарастания тока или, по - другому, обеспечить максимальную скорость нарастания напряженности магнитного поля электромагнита клапана. Это можно выполнить за счет уменьшения его индуктивности, но в данном устройстве скорость нарастания тока ограничивается, с одной стороны, предельно допустимым уровнем тока I_p [1] фиг. 3с при выборе силового транзистора Q1 или из соображений помехоустойчивости самого устройства, а с другой стороны, ограничивается временем нарастания тока до значения I_p, это время наоборот должно быть достаточно большим, чтобы клапан успел открыться, или почти открыться, и только после этого можно переходить на ток удержания I_н, то есть скорость нарастания тока сдерживается запаздыванием срабатывания механической части клапана. Кроме того, выбор значения тока I_p должен определяться в первую очередь не из электрических соображений, а насыщением сердечника электромагнита, т. к., после насыщения сердечника дальнейшее наращивание тока не имеет смысла из-за того, что усилие электромагнита больше не увеличивается. Выбор же тока I_p из электрических соображений имеет смысл делать тогда, когда ток насыщения сердечника оказывается настолько высоким, что приходится его ограничивать так и не достигнув насыщения, но тем не менее эффект увеличения быстродействия будет, хотя и не максимальный.

Целью изобретения является повышение быстродействия клапана, уменьшение зависимости времени срабатывания от напряжения питания и значительное ослабление влияния разброса индуктивностей электромагнитов при их изготовлении на расходную характеристику клапанов в целом.

Указанная цель достигается тем, что электронный ключ управления клапаном, содержащий первый триггер, управляющий величиной ограничения тока, выход которого соединен с инверсным входом компаратора, управляющего подключением источника питания к клапану по сигналу обратной связи посредством мощного ключевого каскада, а также имеющий дополнительный ключевой каскад, коммутирующий цепь ограничения обратного выброса, снабжен устройством временной задержки, состоящим из второго триггера с интегрирующей цепью, вход которого подключен к входу устройства, а выход - к входу R первого триггера.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема импульсного ключа для управления электроклапаном. На фиг. 2 - временная диаграмма напряжения и тока в точке А принципиальной схемы, поясняющая работу устройства.

Импульсный ключ для электроклапана содержит три ветви управления. Первая из них состоит из ключевого каскада на транзисторе 1, источника опорного напряжения 2, компаратора 3 с резисторами 4, 5 образующими гистерезис, трех ключевых каскадов на транзисторах 6, 7 и 8, последний из которых подает напряжение В⁺ на клапан 9 и ограничивает напряжение обратного выброса диодом 10, резистора обратной связи по току 11 и двух усилительных каскадов на транзисторах 12 и 13. Вторая ветвь управления состоит из трех ключевых каскадов на транзисторах 14, 15, 16, последний из которых нагружен на диод 17 и вновь на клапан 9 при отключении напряжения В⁺. Третья ветвь управления состоит из триггера 18, вход C которого соединен со входом устройства, вход D - с питанием В⁺, вход S - с общим проводом, вход R - с конденсатором 19 и резистором 20, образующими интегрирующую цепь, определяющую величину задержки. Выход Q триггера 18 подключен к другому выводу резистора 20, а выход /Q со входом R триггера 21, который подает через транзистор 22 и резистор 23 дополнительное смещение на компаратор 3, а запускается командой управления T_p через конденсатор 24.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии после включения питания, при отсутствии команды управления клапаном, компаратор 3 под действием сигнала В⁺ на прямом входе находится во "взведенном" состоянии, следовательно, транзисторы 6 закрыт, 7 закрыт и 8 закрыты, ток через клапан 9 отсутствует, а значит и нет напряжения на датчике тока 11, в результате после усилителя па транзисторах 12, 13 напряжение на инверсном входе компаратора ниже, чем на прямом входе, что поддерживает компаратор устойчиво во "взведенном" состоянии.

Состояние второй ветви управления в исходном состоянии: транзистор 14 закрыт, значит, транзистор 15 тоже закрыт, следовательно, база - эмиттерный переход транзистора 16 закрыт и диод 17, ограничивающий обратный выброс напряжения, не подключен.

Состояние третьей ветви управления в исходном состоянии: триггеры 21 и 18 находятся в неопределенном положении, и дополнительное смещение через резистор 23 на инверсный вход компаратора установлено произвольно. Триггер 21 предназначен осуществлять переход с пускового тока I_p на ток удержания I_н, как и прежде, путем подключения/отключения дополнительного смещения через резистор 23 на инверсный вход компаратора 3.

При поступлении команды управления состояние основной ветви изменяется следующим образом: транзистор 1 открывается, подключая источник опорного напряжения 2 на прямой вход компаратора, то есть напряжение на прямом входе уменьшилось от В⁺ до (В⁺ - U_диода2), компаратор переключается, установив на своем выходе уровень "нуля". В результате последовательно открываются транзисторы 6, 7, 8, и через клапан 9 течет нарастающий ток под действием почти полностью приложенного к нему напряжения питания В⁺.

Команда одновременно поступает на вход C триггера 18 и на вход S триггера 21 через конденсатор 24. В результате, триггер 18 устанавливает на выходе /Q уровень "нуля" и начинает отрабатывать длительность временной задержки, величина которой приблизительно равна времени срабатывания клапана t_сраб, т. е. моменту его полного открывания, а триггер 21 устанадливается в "единицу", открывая инверсным выходом транзистор 22, тем самым устанавливая большее напряжение на инверсном входе компаратора 3, соответствующее ограничению тока через клапан 9 на уровне I_p.

Команда одновременно поступает и на ветвь управления цепью ограничения обратного выброса напряжения, которая не изменилась, т. е. транзистор 14, открывается, открывая последовательно транзисторы 15 и 16, последний подключает диод 17 параллельно клапану, тем самым ограничивая обратный выброс до минимума.

Увеличивающееся напряжение, снимаемое с датчика тока 11, усиливается транзисторами 12 и 13 и поступает уменьшающимся на инверсный вход компаратора 3.

Как только напряжение на инверсном входе станет меньше величины (В⁺ - U_{опдиода2}), компаратор переключается, установив на выходе высокий уровень, последний закрывает транзисторы 6, 7, 8, отключая напряжение питания от клапана (фиг. 2, точка 1).

Далее индуктивность клапана становится источником тока, двигающегося по цепи 9 ---> 11 ---> 16 ---> 17 ---> 9, величина которого уменьшается, и, как только достигнет величины I_PL, вновь срабатывает компаратор и через транзисторы подключает напряжение питания к клапану (фиг. 2, точка 2). Ток через клапан снова увеличивается, но уже до величины I_PH, определяемой гистерезисом, и вновь переключается компаратор, и вновь отключается питание от клапана. Этот процесс генерации длится до окончания команды Т_p, но после отрабатывания задержки триггером 18 в момент времени t_зад триггер 21 закрывает транзистор 22, снижая смещение компаратора 3, (фиг. 2, точка 3) и процесс геиерадии начинает поддерживать ток меньшей величины, соответствующий току удержания клапана в диапазоне от минимального I_HL до максимального I_HH. Частота генерации определяется скоростью нарастания и скоростью спада тока через клапан и величиной гистерезиса Δ I = I_HH - I_HL определяемой выходным напряжением компаратора 3 и соотношением его элементов 5/4.

При отключении команды (фиг. 2, точка 4) происходит отключение диода 17 в цепи ограничения обратного выброса напряжения клапана посредством последовательного закрытия транзисторов 14, 15, 16, и теперь окончательный спад тока через клапан уже идет по цепи 9 ---> 11 ---> к-э 8 ---> 9, а напряжение обратного выброса на эмиттере 8 ограничено в общем случае величиной U = U_бэ7 + U₁₀ + В⁺.

Таким образом, в данном устройстве скорость нарастания тока через клапан 9, а значит и быстродействие клапана, ограничивается, во-первых, величиной максимального тока I_p, равного току насыщения сердечника электромагнита, при котором обеспечивается заданное усилие клапана, во-вторых, быстродействием электрической схемы. Индуктивность электромагнита определяется уже после выбора тока I_p по известной скорости его нарастания. Переход на ток удержания теперь производится после срабатывания клапана, в момент времени t_сраб, т. е. после выполнения временной задержки триггером 18. Малая величина индуктивности электромагнита способствует и уменьшению времени отпускания клапана за счет быстрого рассасывания малой величины накопленной энергии к катушке, это дополнительно увеличивает быстродействие клапана. Скорость нарастания тока через клапан 9 зависит от питающего напряжения только до точки 1 (фиг. 2), значит чем короче этот отрезок времени по сравнению с временем срабатывания, тем слабее зависимость последнего от напряжения питания В⁺, и от разброса индуктивностей клапанов при их изготовлении.

Экспериментальные исследования заявляемого импульсного ключа управления электроклапаном показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототипом) заявляемый ключ позволяет существенно повысить быстродействие клапана, ослабив зависимость быстродействия от напряжения питания и влияние разброса индуктивностей клапанов при изготовлении на их динамику и, в конечном итоге, на расходную характеристику.

Литература
1. Заявка Франции N 2418336, МПК F 02 D 5/00, пр. 27 февраля 1978 г., заявки N 881326, 881327, 881328, 881343.

Изобретение предназначено для применения в электротехнике, автоматике. Импульсный ключ содержит первый триггер, управляющий величиной ограничения тока, выход которого соединен с инверсным входом компаратора, управляющего подключением источника питания к электроклапану по сигналу обратной связи посредством мощного ключевого каскада, а также имеет дополнительный ключевой каскад, коммутирующий цепь ограничения обратного выброса. Ключ дополнительно снабжен устройством временной задержки, состоящим из второго триггера с интегрирующей цепью, вход которого подключен к входу устройства, а выход - к входу первого триггера. Изобретение позволяет повысить быстродействие клапана. 2 ил.

Импульсный ключ управления электроклапаном, содержащий первый триггер, управляющий величиной ограничения тока, выход которого соединен с инверсным входом компаратора, управляющего подключением источника питания к клапану по сигналу обратной связи посредством мощного ключевого каскада, а также имеющий дополнительный ключевой каскад, коммутирующий цепь ограничения обратного выброса, отличающийся тем, что он снабжен устройством временной задержки, состоящим из второго триггера с интегрирующей цепью, вход которого подключен к входу устройства, а выход - к входу R первого триггера.