基于PWM控制的高速開關(guān)電磁球閥動(dòng)態(tài)特性仿真分析

林義忠，曾德樂，馮喆

(廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004)

高速開關(guān)電磁閥是一種數(shù)字式電液轉(zhuǎn)換控制元件，常采用脈寬調(diào)制(Pulse width modulation，PWM)控制方式，直接根據(jù)一系列脈沖電信號(hào)進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作。它與伺服閥、比例閥相比具有價(jià)格低廉、抗污染能力強(qiáng)、可與計(jì)算機(jī)及PLC 直接接口等特點(diǎn)。國內(nèi)外一些單位和科研機(jī)構(gòu)紛紛開展了對(duì)高速開關(guān)電磁閥的研究工作，開發(fā)出多種結(jié)構(gòu)和形式的電磁閥，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、汽車制造等電液控制領(lǐng)域［1－3］。目前此類閥在工程應(yīng)用方面較多，但是深入的理論分析與建模研究較少，所以對(duì)其動(dòng)態(tài)性能的研究就顯得尤為重要。以高速開關(guān)電磁球閥為研究對(duì)象，通過分析此閥的結(jié)構(gòu)與工作原理，建立了數(shù)學(xué)模型，利用AMESim 仿真了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并分析了驅(qū)動(dòng)電壓、線圈匝數(shù)、銜鐵質(zhì)量以及彈簧預(yù)緊力等對(duì)高速開關(guān)電磁球閥的影響，得到各參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響關(guān)系，從而為改善其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性提供了依據(jù)。

1 高速開關(guān)電磁球閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

以QDF 二位三通常閉式高速開關(guān)電磁球閥為研究對(duì)象，具體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要由高頻電磁鐵、杠桿機(jī)構(gòu)和球閥三部分構(gòu)成。

在電液控制系統(tǒng)中，高速開關(guān)電磁球閥常采用脈寬調(diào)制控制。所謂脈寬調(diào)制就是在一定的脈沖周期T內(nèi)調(diào)節(jié)開啟時(shí)間的寬度tp與脈沖周期T 的比值即脈寬占空比τ 的大小來控制閥門的通斷時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，其工作狀態(tài)只有“全開”、“全關(guān)”2 種。

圖1 高速開關(guān)電磁球閥結(jié)構(gòu)簡圖

脈寬調(diào)制式高速開關(guān)電磁球閥的控制信號(hào)是一系列幅值相等、而在每一周期內(nèi)寬度不同的脈沖信號(hào)。其控制系統(tǒng)的工作原理框圖如圖2所示。首先計(jì)算機(jī)根據(jù)控制要求發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號(hào)，經(jīng)過脈寬調(diào)制器和功率放大器，將脈沖信號(hào)調(diào)制和放大后送給高速開關(guān)閥，然后通過控制高頻電磁鐵所產(chǎn)生的吸力，利用杠桿機(jī)構(gòu)使得球閥閥芯高速正反向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)液流在閥口處的通斷功能。

圖2 高速開關(guān)閥在PWM 控制下的工作原理框圖

當(dāng)電磁鐵5 通電時(shí)，線圈電流不能立即躍變?yōu)榉€(wěn)態(tài)值，而是由零開始逐漸上升，電磁鐵吸力也表現(xiàn)為一漸升過程:在起始狀態(tài)，吸力小于阻力，閥芯處于靜止;當(dāng)電流上升到某一臨界值時(shí)，吸力與阻力相等，鋼球開始運(yùn)動(dòng);當(dāng)開關(guān)閥完全開啟時(shí)，球芯位移X 取到最大值Xmax，使A 口與P 口相通，T 口封閉，系統(tǒng)工作。當(dāng)電磁鐵失電時(shí)，由于電感作用，電磁鐵吸力表現(xiàn)為一個(gè)漸降過程:在起始狀態(tài)，吸力大于阻力，閥芯處于靜止;當(dāng)磁通下降到某一臨界值時(shí)，吸力與阻力相等，閥芯開始關(guān)閉;當(dāng)開關(guān)閥完全關(guān)閉時(shí)，球芯位移X 取最小值0，使T 口和A 口相通，P口封閉。

2 高速開關(guān)電磁球閥的數(shù)學(xué)模型

2.1 高速開關(guān)電磁球閥的電磁模型

電磁模型中的電壓方程

其中:Rc為線圈電阻;L 為線圈電感。

根據(jù)麥克斯韋電磁吸力公式［4］，在匝數(shù)為N 的控制線圈內(nèi)通以控制電流i 時(shí)，磁路內(nèi)即產(chǎn)生磁通。銜鐵受到的軸向電磁吸力F 為

根據(jù)磁路基爾霍夫定律，可得出磁路計(jì)算模型，即

式中:N 為線圈匝數(shù);φ 為磁路磁通;A 為電磁作用面積;μ0為空氣磁導(dǎo)率;Rg為工作氣隙磁阻;Rm為磁路磁阻;Rl為非工作氣隙磁阻。

2.2 高速開關(guān)電磁球閥的動(dòng)力學(xué)模型

通過對(duì)閥球串的受力分析可以得知，閥球串在閥開啟的過程中所受的作用力有:因閥芯加速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的質(zhì)量慣性力;推桿運(yùn)動(dòng)引起的黏性阻尼力;流體動(dòng)量變化產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力;液體靜壓力;電磁鐵吸力;球閥所受彈簧力。因此可以得到閥球串的運(yùn)動(dòng)力平衡方程為:

2.3 基于AMESim 的高速開關(guān)電磁球閥的動(dòng)態(tài)仿真模型

根據(jù)高速開關(guān)電磁球閥的電磁模型、動(dòng)力學(xué)模型及其結(jié)構(gòu)簡圖，采用AMESim 中的電磁庫(EM)和液壓庫(HCD)等相關(guān)模塊建立電磁高速開關(guān)球閥的動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖3所示［5］。利用一個(gè)PWM 信號(hào)去控制開關(guān)的通斷，從而控制球閥的通斷。設(shè)置仿真主要參數(shù)為:供油壓力2 MPa，彈簧剛度25 000 N/m，彈簧力15 N，fPWM=50 Hz，占空比τ =0.5，仿真時(shí)間0.02 s，初始?xì)庀秾挾?0 μm。

圖3 高速開關(guān)電磁球閥動(dòng)態(tài)仿真模型

3 仿真結(jié)果及分析

高速開關(guān)電磁球閥是電、磁、機(jī)、液四者的非線性耦合系統(tǒng)［6］，其動(dòng)態(tài)特性是指電磁球閥工作過程中包括線圈電流、銜鐵位移、電磁力和運(yùn)動(dòng)阻力等物理量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，所以其動(dòng)態(tài)變化中有很多影響因素。通過AMESim 仿真主要分析驅(qū)動(dòng)電壓、線圈匝數(shù)、銜鐵質(zhì)量、彈簧預(yù)緊力等對(duì)電磁球閥響應(yīng)特性的影響，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)此類閥門、提高其響應(yīng)能力提供理論依據(jù)。

3.1 驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響分析

圖4 為不同驅(qū)動(dòng)電壓下的電流變化曲線，從圖中可以看出:當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí)，線圈電流增大，并且上升越快，這將縮短銜鐵的吸合觸動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，從而提高高速開關(guān)電磁球閥的開啟響應(yīng)速度。但電壓過高，電磁鐵線圈溫升高，會(huì)使其壽命降低。故驅(qū)動(dòng)電壓一定要合適，既要滿足驅(qū)動(dòng)要求，又要保證響應(yīng)速度［7］。由上述分析可知:適度提高驅(qū)動(dòng)電壓可縮短吸合動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，加快高速開關(guān)電磁球閥的開啟響應(yīng)。

圖4 不同驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)響應(yīng)特性的影響

3.2 線圈匝數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響分析

在其他條件相同的情況下，設(shè)置不同線圈匝數(shù)得到電流變化曲線如圖5所示?？梢钥闯?隨著線圈匝數(shù)的增加，高速開關(guān)電磁球閥的開啟時(shí)間縮短，開啟響應(yīng)特性提高。但在設(shè)計(jì)中也不是線圈匝數(shù)越多越好。從圖中可知:匝數(shù)較少時(shí)，電流上升的速度加快;當(dāng)匝數(shù)較多時(shí)，關(guān)閉時(shí)間延長。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)該閥時(shí)，應(yīng)在滿足電磁閥有足夠的工作安匝數(shù)的前提下，選擇一個(gè)合適的數(shù)值。

圖5 不同線圈匝數(shù)對(duì)響應(yīng)特性的影響

3.3 銜鐵質(zhì)量對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響分析

圖6 為不同銜鐵質(zhì)量對(duì)高速開關(guān)電磁球閥開啟響應(yīng)時(shí)間影響的仿真結(jié)果。可以看出:隨著銜鐵質(zhì)量的增加，球閥的開啟速度降低，響應(yīng)時(shí)間增加。因此在設(shè)計(jì)此類閥時(shí)，應(yīng)盡量使用密度較小的材料，優(yōu)化球閥結(jié)構(gòu)，減少運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量，提高閥的開啟速度，縮短響應(yīng)時(shí)間。但同時(shí)在降低質(zhì)量的同時(shí)也要考慮到銜鐵半徑的影響［8］，銜鐵半徑的變化會(huì)影響銜鐵的質(zhì)量，當(dāng)銜鐵材質(zhì)一定時(shí)，半徑越大，質(zhì)量也越大。

圖6 不同運(yùn)動(dòng)質(zhì)量對(duì)響應(yīng)特性的影響

3.4 彈簧預(yù)緊力對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響分析

圖7 為不同彈簧預(yù)緊力下的電流曲線?？梢钥闯?彈簧預(yù)緊力越大，高速開關(guān)電磁球閥的開啟響應(yīng)越慢，而關(guān)閉響應(yīng)越快。為了加速該閥的關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間可適當(dāng)加大預(yù)緊力，但過大的預(yù)緊力將造成球閥開啟過程的遲緩，過小的預(yù)緊力可能使得彈簧回力不足而球閥無法關(guān)閉［9］。因此，彈簧預(yù)緊力要合理地選取，使該閥開啟和關(guān)閉的時(shí)間響應(yīng)之和最小。

圖7 不同彈簧預(yù)緊力對(duì)響應(yīng)特性的影響

4 結(jié)束語

通過建立數(shù)學(xué)模型及利用AMESim 仿真，得到相應(yīng)的仿真曲線，對(duì)影響高速開關(guān)電磁球閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的主要參數(shù)進(jìn)行了分析，得到了相應(yīng)的變化規(guī)律，為以后優(yōu)化設(shè)計(jì)此類閥提供了參考依據(jù)。不過文中只是針對(duì)電磁球閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，對(duì)其中的幾個(gè)影響因素進(jìn)行了定性的分析與仿真，要完成閥的動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化，還需要做進(jìn)一步的研究。

【1】杜巧連，陳旭輝，吳文山，等.PWM 高速開關(guān)閥的特性分析與應(yīng)用研究［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2002(3):10－11.

【2】WANG Qilei，YANG Fengyu，YANG Qian，et al.Experimental Analysis of New High-speed Powerful Digital Solenoid Valves［J］.Energy Conversion and Management，2011，52(5):2309－2313.

【3】OUYANG Xiaoping，YANG Huayong，JIANG Haoyi.Simulation of the Piezoelectric High-speed On/Off Valve［J］.Chinese Science Bulletin，2008，53(17):2706－2711.

【4】曹云東.電器學(xué)原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

【5】席建敏，何忠波.基于AMESim 的超磁致伸縮高速響應(yīng)電磁開關(guān)閥仿真［J］.機(jī)械工程師，2010(12):55－58.

【6】張廷羽，張國賢.高速開關(guān)電磁閥的性能分析及優(yōu)化研究［J］.機(jī)床與液壓，2006(9):139－142.

【7】汪志剛，張敬國，陳勤學(xué).電控柴油機(jī)用高速電磁閥的仿真研究［J］.機(jī)電設(shè)備，2003(4):22－26.

【8】王文堂，張春梅，張強(qiáng).基于Simulink 的EVA 用高速強(qiáng)力電磁閥的仿真研究［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2009，36(2):43－45.

【9】戴佳，黃敏超，余勇，等.電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性仿真研究［J］.火箭推進(jìn)，2007，33(1):40－48.