基于PWM控制模式的高速開關(guān)閥開關(guān)特性分析及優(yōu)化

王 瓊, 吳 惠, 夏 光, 張 維

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計算機與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車技術(shù)研究院,安徽 合肥 230009)

?

基于PWM控制模式的高速開關(guān)閥開關(guān)特性分析及優(yōu)化

王 瓊1, 吳 惠1, 夏 光2, 張 維1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計算機與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車技術(shù)研究院,安徽 合肥 230009)

高速開關(guān)電磁閥作為自動變速器電液控制系統(tǒng)的核心控制元件,其開關(guān)響應(yīng)特性直接影響自動變速換擋執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)速度和作動品質(zhì)。文章在分析高速開關(guān)電磁閥結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上,建立了基于Matlab/Simulink平臺上PWM維持占空比方式控制下的仿真模型,并通過仿真分析研究開關(guān)特性及關(guān)鍵參數(shù)對維持占空比及關(guān)閉時延的影響。結(jié)果表明，與定壓信號控制方式相比,采用PWM維持占空比的控制方式以及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié),有效提高了閥開關(guān)動作的整體響應(yīng)速度。

高速開關(guān)電磁閥;PWM維持占空比控制;關(guān)鍵參數(shù);響應(yīng)速度

0 引 言

自動變速車輛具有操控簡便、燃油經(jīng)濟性高、污染排放低等特點,因此,現(xiàn)代汽車的自動變速器搭載率不斷提高[1]。電液控制系統(tǒng)是實現(xiàn)汽車自動變速的關(guān)鍵控制模塊,電液控制方式也由先導(dǎo)式控制向直接接入控制方式轉(zhuǎn)變。高速電磁閥作為電液控制的核心元件,因其結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動方式靈活,在現(xiàn)代自動變速電液控制系統(tǒng)中已逐漸替代傳統(tǒng)的先導(dǎo)電磁閥與繼動滑閥的組合方式,用于控制自動變速換擋執(zhí)行機構(gòu)。因此,研究高速電磁閥特性和優(yōu)化其開關(guān)響應(yīng)性能,對縮短自動變速執(zhí)行響應(yīng)時間、提高自動變速系統(tǒng)的整體性能具有重要意義。

近年來,國內(nèi)外主要從電-機械轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新、閥芯和閥體結(jié)構(gòu)的研制、新型材料的應(yīng)用3個方面對高速開關(guān)閥進行了研究。如英國Lucas公司研發(fā)的特殊結(jié)構(gòu)的高速開關(guān)閥Helemoid閥,應(yīng)用于電控泵噴嘴燃油系統(tǒng)中,閥芯行程小于1 mm時,閥的響應(yīng)時間均在1 ms以下;美國BKM公司與貴陽紅林集團合作開發(fā)了一種螺紋插裝式高速強力電磁閥(HSV),該閥的開啟和關(guān)閉時間分別為3.5 ms和2.5 ms;浙江大學(xué)用稀土超磁致伸縮材料開發(fā)的高速強力電磁閥,位移量為0.15 mm,開環(huán)控制下閥開啟和關(guān)閉均為0.45 ms以內(nèi)[2]。

近年來,盡管國內(nèi)在電磁閥研究上取得一定成果,但是由于起步晚,受到相關(guān)理論和相關(guān)技術(shù)限制,具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速開關(guān)閥產(chǎn)品很有限。為此通過對高速開關(guān)閥響應(yīng)特性進行研究,可以為電磁閥的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

目前,國內(nèi)外許多文獻介紹了通過仿真研究分析高速開關(guān)閥開關(guān)特性機理以提高響應(yīng)速度的方法。文獻[3-6]通過仿真分析得出了影響電磁閥動態(tài)響應(yīng)的關(guān)鍵因素;文獻[7-8]結(jié)合驅(qū)動電壓對電磁閥響應(yīng)的影響，研究了提高閥開關(guān)動作響應(yīng)的硬件驅(qū)動電路方式;文獻[9-11]提出在電磁閥吸合階段采用PWM控制方法提高閥關(guān)閉響應(yīng)速度。總之,在傳統(tǒng)定壓方式驅(qū)動下,調(diào)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)縮短了電磁閥開啟時延，但明顯增大了閥關(guān)閉時延,不能整體上提高閥響應(yīng)速度;以變驅(qū)動電壓方式控制電磁閥提高了閥整體響應(yīng)速度,但大大增加了驅(qū)動電路的復(fù)雜性;PWM信號易于實現(xiàn)和數(shù)字控制,通過改變占空比獲得不同的驅(qū)動電流,十分有利于控制電磁閥開關(guān)動作過程。

針對上述情況,本文基于車體12 V電源的高速開關(guān)閥PWM信號驅(qū)動,利用Matlab/Simulnk建立高速開關(guān)閥在12 V PWM信號控制下仿真模型，對比閥在12 V定壓信號(即12穩(wěn)壓信號)驅(qū)動下的開關(guān)響應(yīng),研究其在PWM維持占空比控制方式下開關(guān)特性,并分析關(guān)鍵參數(shù)對維持占空比以及關(guān)閉時延的影響,為整體提高高速開關(guān)閥響應(yīng)速度提出優(yōu)化方案。

1 高速開關(guān)閥仿真模型

1.1 高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

本文研究對象為常閉型兩位三通高速開關(guān)閥,其結(jié)構(gòu)主要有閥體組件、電磁線圈、銜鐵、推桿、閥芯、閥座和復(fù)位彈簧,基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)

高速開關(guān)閥工作原理為線圈通電時,銜鐵和閥體之間產(chǎn)生電磁力,銜鐵在電磁力作用下帶動推桿克服彈簧力、摩擦力等阻力推動閥芯組件向右運動使控制口與進油口連通,進行充油過程;線圈斷電時,電磁力消失,閥芯在復(fù)位彈簧作用下克服剩磁力、摩擦力和阻力等,閥芯回到初始位置,進油口完全關(guān)閉,控制口與泄油口連通進行泄油。

1.2 高速開關(guān)閥數(shù)學(xué)模型

電磁閥的數(shù)學(xué)模型主要由電路、磁路、機械運動組成,三者之間是耦合關(guān)系。

(1) 電路模型。根據(jù)電路原理建立的電壓平衡方程[12]為:

(1)

(2)

其中,U為勵磁電壓;i為線圈勵磁電流;φ為磁鏈;N為線圈匝數(shù);φ為磁通量;Rx為電磁閥內(nèi)部總磁阻。

為討論方便,本文只考慮電磁閥線圈電阻R和電磁閥線圈電感L。

(2) 磁路模型。高速開關(guān)閥電磁鐵部分內(nèi)部磁場的分析,本文采用簡單易行、計算量小、適于工程上使用且易于實現(xiàn)Matlab仿真的磁路分析法。此外由于鐵芯和套筒的磁導(dǎo)率遠遠高于空氣的磁導(dǎo)率,故可近似認(rèn)為磁路磁阻主要表現(xiàn)在氣隙上,磁導(dǎo)體的磁阻可忽略不計,即磁路的磁通主要由氣隙磁通決定[12]。

(3)

(4)

(5)

其中,Rm為磁阻;l為磁路長度;u為導(dǎo)磁系數(shù);S為磁路截面積;Rg1為工作氣隙磁阻;Rg2為非工作氣隙磁阻;l0為初始工作氣隙長度;u0為空氣磁導(dǎo)率;x為閥芯位移;D為銜鐵直徑;r為等效非工作氣隙寬度;lv為銜鐵部分長度。

(3) 機械運動模型。根據(jù)閥芯在運動過程中受力情況建立的運動方程[13]如下:

(6)

(7)

其中,F為電磁吸力;m為等效運動質(zhì)量;K為彈簧剛度(假設(shè)彈簧為線性特性);x0為彈簧預(yù)壓緊量;cf+cv為黏滯系數(shù);Kf為穩(wěn)態(tài)液動力阻尼等效系數(shù)(假設(shè)供油壓力恒定);d0為閥口正遮蓋度。

1.3 仿真參數(shù)

基于以上分析,在Simulink中建立高速開關(guān)閥在PWM控制下的數(shù)學(xué)模型,通過對閥實際測量以及根據(jù)經(jīng)驗值獲得的仿真參數(shù)見表1所列,仿真過程中為研究一些參數(shù)的影響,相應(yīng)參數(shù)值會有所變動。

表1 高速開關(guān)電磁閥仿真參數(shù)

2 高速開關(guān)閥開關(guān)特性仿真與分析

采用PWM控制高速開關(guān)閥開關(guān)動作的驅(qū)動方式為:閥開啟階段占空比為100%,大電流驅(qū)動使閥盡快開啟;待閥完全打開后,采用低占空比低電流維持打開狀態(tài);閥關(guān)閉階段占空比為0,使閥盡快關(guān)閉;PWM信號驅(qū)動方式如圖2a所示。

閥完全打開階段,當(dāng)占空比分別為100%、80%、57.2%、50%時,圖2b、圖2c所示分別為占空比對電流、電磁力影響曲線,圖2d所示為占空比對閥關(guān)閉時延影響曲線。

根據(jù)圖2可知,閥完全開啟后,占空比越小,電流和電磁力越小;開啟0.02 s以后,閥開始關(guān)閉,電流、電磁力下降初值越小,下降越快,閥關(guān)閉越快;當(dāng)占空比小于57.2%取50%時,閥芯位移曲線有明顯的減小趨勢,此時閥無法保持完全打開狀態(tài),因此,閥維持占空比值為57.2%,對應(yīng)的維持電流強度為1.15 A;當(dāng)閥占空比100%呈全開階段,此時PWM驅(qū)動信號相當(dāng)于12 V定壓驅(qū)動信號。

由圖2d明顯可見,采用PWM維持占空比、維持電流控制方式明顯縮短了閥關(guān)閉時間,并且低維持電流可以降低線圈的功率損耗和避免開關(guān)閥過熱,提高了閥的可靠性。

圖2 PWM控制下閥開關(guān)動作響應(yīng)曲線

因為高速開關(guān)閥的開啟過程在12 V PWM信號驅(qū)動下和在12 V定壓信號驅(qū)動下的響應(yīng)特性基本一致,而且文獻[3-6]中已詳細(xì)討論各關(guān)鍵參數(shù)對閥開啟時延的影響,所以本文限于篇幅不再贅述,下文中直接使用其結(jié)論:在12 V穩(wěn)壓信號驅(qū)動下,調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率、線圈電阻、線圈匝數(shù)、彈簧剛度和初始工作氣隙,能夠縮短閥開啟時間,卻大幅度增大了閥關(guān)閉時延,整體上不能提高閥響應(yīng)速度。

為了提高開關(guān)閥響應(yīng)性能,本文采用PWM信號驅(qū)動維持占空比的控制方法,分析閥完全開啟階段和閥關(guān)閉過程,并進行各關(guān)鍵參數(shù)對閥維持占空比及響應(yīng)速度影響的仿真實驗及對比分析。

2.1 驅(qū)動頻率對維持占空比及響應(yīng)速度的影響

在表1中的初始設(shè)計參數(shù)下,由圖2d可知,12 V定壓信號驅(qū)動下,閥的開啟時間和關(guān)閉時間分別約為3.76 ms和4.60 ms,因此高速開關(guān)閥的臨界頻率約為119 Hz。高速開關(guān)閥在驅(qū)動頻率為小于或遠小于臨界頻率的PWM信號控制下,易出現(xiàn)周期性開啟和關(guān)閉動態(tài)特性[14],不宜于閥在完全開啟階段維持占空比的控制。因此PWM信號的驅(qū)動頻率應(yīng)大于高速開關(guān)閥的臨界頻率。

根據(jù)仿真實驗中獲得的驅(qū)動頻率,圖3a、圖3b所示分別為PWM信號驅(qū)動頻率對維持電流和維持電磁力影響曲線,圖3c所示為驅(qū)動頻率對閥關(guān)閉時延影響。

由圖3可知,提高驅(qū)動頻率,可以降低維持電流以及維持電磁力波動幅度,閥在慣性作用下越容易維持全開狀態(tài),需要的維持電磁力減小,則維持電流、維持占空比下降,使閥關(guān)閉時延減小;如當(dāng)PWM驅(qū)動頻率接近閥臨界頻率為200 Hz時,閥已很難在慣性作用下維持全開狀態(tài),需要的維持電磁力、維持電流、維持占空比都大幅增加;而當(dāng)驅(qū)動頻率遠大于閥臨界頻率時,頻率對維持電磁力、維持電流、維持占空比的大小以及對關(guān)閉時延的影響都很小。

總之,在PWM維持占空比控制中,驅(qū)動頻率應(yīng)遠大于閥的臨界頻率,適當(dāng)增大驅(qū)動頻率有利于減小維持電磁力、維持電流、維持占空比,減小關(guān)閉時延,提高閥響應(yīng)速度。

類似上述分析過程,其他關(guān)鍵因素對電磁閥維持占空比響應(yīng)速度的影響分析也是根據(jù)仿真中得到的電流、電磁力響應(yīng)曲線得到的。

但是由于篇幅有限,本文直接給出分析結(jié)果,并只給出各關(guān)鍵因素最終對閥維持占空比及響應(yīng)速度的影響曲線。

圖3 驅(qū)動頻率對閥關(guān)閉時延的影響

2.2 線圈電阻對維持占空比及響應(yīng)速度的影響

根據(jù)仿真實驗中獲得的線圈電阻,圖4a所示為線圈電阻對閥關(guān)閉時延影響曲線。

當(dāng)維持閥全開狀態(tài)時,維持電磁力和維持電流不變;線圈電阻減小,電流增大,維持占空比減小;閥關(guān)閉過程中電磁力與電流下降初始值不變,電阻減小使電流和電磁力下降更緩慢,因此閥關(guān)閉時延略微增大。

圖4b所示為12 V穩(wěn)壓信號下線圈電阻對閥關(guān)閉時延影響曲線,對比圖4b可知,PWM信號控制下減小線圈電阻對閥關(guān)閉時延增大的影響明顯小于12 V定壓信號驅(qū)動。

總之,在PWM維持占空比控制下,減小電阻對閥開啟時延減小的影響大于對閥關(guān)閉時延增大的影響,可以整體上提高閥響應(yīng)速度。

圖4 線圈電阻對閥關(guān)閉時延的影響

2.3 線圈匝數(shù)對維持占空比及響應(yīng)速度的影響

根據(jù)仿真實驗中獲得的線圈匝數(shù),圖5a所示為線圈匝數(shù)對閥關(guān)閉時延影響曲線。

圖5 線圈匝數(shù)對閥關(guān)閉時延的影響

當(dāng)維持閥全開狀態(tài)時,維持電磁力不變;線圈匝數(shù)增大,電磁力增強,需要的維持電流減小,占空比減小;在閥關(guān)閉過程,盡管線圈匝數(shù)增大時,電磁力下降初始值不變且維持電流減小,但是線圈電感增大和電磁力增強使電流和電磁力下降速度大幅度減小,從而閥關(guān)閉時延增大。圖5b所示為12 V穩(wěn)壓信號下線圈匝數(shù)對閥關(guān)閉時延影響,對比圖5b可知,PWM信號控制下增大線圈匝數(shù)對閥關(guān)閉時延增大的影響明顯小于12 V定壓信號驅(qū)動。

總之,在PWM維持占空比控制下,增大線圈匝數(shù)對閥關(guān)閉時延增大的影響大于對閥開啟時延減小的影響,增大線圈匝數(shù)整體上不利于提高閥響應(yīng)速度。應(yīng)該在保證閥正常開啟所需電磁力的前提下,并根據(jù)線圈匝數(shù)對閥開啟時延存在的最優(yōu)值影響,選擇最優(yōu)的線圈匝數(shù)盡量使閥開啟和關(guān)閉時延最小。如本文中526匝對應(yīng)的閥開啟和關(guān)閉時延基本上都達到最小。

2.4 彈簧剛度對維持占空比及響應(yīng)速度的影響

根據(jù)仿真實驗中獲得的彈簧剛度,圖6a所示為彈簧剛度對閥關(guān)閉時延的影響曲線。

當(dāng)維持閥全開狀態(tài)時,彈簧剛度越小,阻力減小,維持電磁力減小,則維持電流、維持占空比減小;在閥關(guān)閉過程,彈簧剛度減小使電磁力與電流下降初始值減小,同時復(fù)位彈簧力也減小,綜合影響下,閥關(guān)閉時延還是略微增加。圖6b所示為12 V穩(wěn)壓信號下彈簧剛度對閥關(guān)閉時延影響曲線,對比圖6b可知,PWM信號控制下減小彈簧剛度對閥關(guān)閉時延增大的影響小于12 V穩(wěn)壓信號驅(qū)動。

圖6 彈簧剛度對閥關(guān)閉時延的影響

總之,在PWM維持占空比控制下,在保證閥正常復(fù)位功能前提下,減小彈簧剛度對閥開啟時延減小的影響大于對閥關(guān)閉時延增大的影響,可以整體上提高閥響應(yīng)速度。

2.5 初始工作氣隙對維持占空比及響應(yīng)速度影響

根據(jù)仿真實驗中獲得的初始工作氣隙,圖7a所示為初始工作氣隙對閥關(guān)閉時延的影響曲線。當(dāng)維持閥全開狀態(tài)時,維持電磁力不變;閥芯最大行程不變情況下,初始工作氣隙減小,閥完全打開狀態(tài)時殘余氣隙減小,電磁力增強,獲得相同的電磁力需要的電流減小,因此維持電流減小、維持占空比減小;在閥關(guān)閉過程,殘余氣隙減小使得電流和電磁力下降速度大幅度減小,從而閥關(guān)閉時延增大。圖7b所示為12 V穩(wěn)壓信號下初始工作氣隙對閥關(guān)閉時延影響曲線,對比圖7b可知,PWM信號控制下減小初始工作氣隙對閥關(guān)閉時延增大的影響明顯小于12 V穩(wěn)壓信號驅(qū)動。

總之,在PWM維持占空比控制下,減小初始工作氣隙對閥開啟時延減小的影響大于對閥關(guān)閉時延增大的影響,可以整體上提高閥響應(yīng)速度。

圖7 初始工作氣隙對閥關(guān)閉時延的影響

3 結(jié) 論

本文建立了高速開關(guān)電磁閥在PWM控制下的仿真模型,分析了占空比對維持閥完全開啟狀態(tài)和閥關(guān)閉過程的影響,與穩(wěn)壓信號控制下相比,采用維持占空比控制方法,可有效縮短了閥關(guān)閉時延;分析了關(guān)鍵因素對維持占空比和閥關(guān)閉響應(yīng)速度的影響,通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)減小閥開啟時延同時,明顯減弱了其對閥關(guān)閉時延增大的影響,從整體上提高了閥響應(yīng)速度。

[1] 黃康,曾億山.汽車自動變速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,28(12):1503-1507.

[2] 丁凡,姚健娣,笪靖,等.高速開關(guān)閥的研究現(xiàn)狀[J].中國工程機械學(xué)報,2011,9(3):351-358.

[3] 黃維鋼,王旭永,王顯正,等.高速電磁開關(guān)閥開關(guān)特性的機理研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,1998,32(12):38-41.

[4] 袁洪濱,張民慶,孫彥堂.基于AMESim的直動式電磁閥動態(tài)仿真研究[J].火箭推進,2011,37(5):30-35.

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

[6] KAJIMA T,KAWAMURA Y.Development of a high-speed solenoid valve:investigation of solenoids[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1995,42(1):1-8.

[7] KAJIMA T.Development of a high-speed solenoid valve-investigaton of the energizing circuits[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1993,40(4):428-435.

[8] LEE III-Yeong LEE.Switching response improvement of a high speed on/off solenoid valve by using a 3 power source type valve driving circuit[C]//IEEE International Conference on Industrial Technology(ICIT),2006:1823-1828.

[9] 宋軍,李書澤,李孝祿,等.高速電磁閥驅(qū)動電路設(shè)計及試驗分析[J].汽車工程,2005,27(5):546-549.

[10] 蘇嶺,柳泉冰,汪映，等.脈寬調(diào)制保持電磁閥驅(qū)動參數(shù)的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2005,39(7):689-692.

[11] LIU Zhizhen,ZHANG Zhongxiang,NIE Xiaotao.Second modulate method of the high speed on-off electromagnetic valve and its application to pressure regulating valves[C]//The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON),2007:534-538.

[12] 葛偉亮.電磁控制元件[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2001:15-29.

[13] 高欽和,馬長林.液壓系統(tǒng)動態(tài)特性建模仿真技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013:71-80.

[14] ZHUO Guirong,WANG Haixi.Modeling and simulation of high speed on-off valve based on AMESim[C]//International Conference on Electrical and Control Engineering(ICECE),2011:2342-2346.

(責(zé)任編輯 張 镅)

Analysis and optimization of switching characteristics of high speed on-off solenoid valve based on PWM control mode

WANG Qiong1, WU Hui1, XIA Guang2, ZHANG Wei1

(1.School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Institute of Automobile Engineering Technology, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The high speed on-off solenoid valve is used as the core control element of automatic transmission electro-hydraulic control system. The switching response characteristic directly influences the response speed and the operating quality of automatic transmission shift actuator. Based on the analysis of the structure and working principle of the high speed on-off solenoid valve, the simulation model in the maintain-duty-ratio PWM control mode is established by Matlab/Simulink to study the switching characteristic and the influence of the key parameters on the maintain-duty-ratio and the off delay. The simulation results show that compared with the steady-voltage control mode, the maintain-duty-ratio PWM control mode and the optimization of structure parameters effectively improve the overall response speed of the high speed on-off solenoid valve.

high speed on-off solenoid valve; maintain-duty-ratio PWM control mode; key parameter; response speed

2015-04-28；

2015-05-25

國家自然科學(xué)基金資助項目(51205101);安徽省十二五科技攻關(guān)資助項目(12010202032)

王 瓊(1958-),女,浙江淳安人,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.09.010

U463.22

A

1003-5060(2016)09-1199-06