耦合詳細驅(qū)動電路的高速電磁閥動態(tài)模型研究

趙建輝，周勇，岳鵬飛，石勇，馬修真

(1.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.重慶紅江機械有限責任公司，重慶 402160)

耦合詳細驅(qū)動電路的高速電磁閥動態(tài)模型研究

趙建輝1，周勇2，岳鵬飛1，石勇1，馬修真1

(1.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.重慶紅江機械有限責任公司，重慶 402160)

進行了驅(qū)動電流和驅(qū)動電壓兩種勵磁源條件下電磁閥動態(tài)計算，通過和試驗數(shù)據(jù)的比較，指出驅(qū)動電壓為勵磁源可正確模擬電磁閥的開啟過程，但由于沒有耦合電流反饋的驅(qū)動電路，采用驅(qū)動電壓為勵磁源計算的電磁閥無法關閉。在Ansys Simplorer平臺上建立了詳細的驅(qū)動電流反饋的電磁閥驅(qū)動電路數(shù)學模型，進行了詳細驅(qū)動電路模型和電磁閥三維模型的耦合，建立了電-磁-機耦合的電磁閥數(shù)學模型，計算結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)的對比表明，建立的電磁閥動態(tài)數(shù)學模型可準確描述電磁閥的開啟過程和關閉過程。

動態(tài)響應；高速電磁閥；高壓共軌系統(tǒng)；數(shù)學模型

高壓共軌系統(tǒng)可以不受柴油機負荷和轉(zhuǎn)速的影響而精確柔性地進行噴油定時、噴油規(guī)律和噴油量的調(diào)節(jié)，因而在柴油機上得到了廣泛的應用，是柴油機實現(xiàn)高效燃燒、超低排放的關鍵系統(tǒng)。高速電磁閥是共軌噴油器的核心控制部件，其動態(tài)響應特性是共軌系統(tǒng)實現(xiàn)燃油精確噴射的根本條件[1-3]。

Takeo[4]和Kajima[5]深入研究了電磁閥結(jié)構參數(shù)對電磁閥開啟響應的影響。Wang[6]采用新的Al-Fe軟磁材料進行電磁閥磁路的設計，實現(xiàn)了電磁閥更高速的開啟和關閉響應。李丕茂[7]根據(jù)磁鏈和電磁力的關系建立了電磁閥的動態(tài)數(shù)學模型，通過試驗數(shù)據(jù)驗證了模型的正確性。范立云[8]、張廷羽[9]、王楊彬[10]等把Ansoft Maxwell計算得到的電磁力隨氣隙、驅(qū)動電流變化的數(shù)據(jù)以插值的形式加載到AMESim電磁模型，實現(xiàn)電磁閥電-磁-機械-液力子系統(tǒng)的耦合，從而開展了電磁閥的設計優(yōu)化。Lu[11]提出了帶有預勵磁和反向磁化的電磁閥驅(qū)動控制策略，試驗驗證了所提出的驅(qū)動策略能有效提高電磁閥的動態(tài)響應。Cheng[12]對GDI噴油器軟磁材料對電磁力的影響開展了仿真分析。Al-Jaber[13]，Gaghizadeh[14]等分析了驅(qū)動電流對電磁閥電磁力的影響。Topcu[15]，Jin[16]，Mehmood[17]建立了一維電磁閥數(shù)學模型，開展了仿真分析。

上述的研究更多地集中在結(jié)構參數(shù)和未考慮詳細控制電路的條件下驅(qū)動參數(shù)對電磁閥工作性能的影響。高速電磁閥是多物理場瞬變耦合的復雜系統(tǒng)，其驅(qū)動電路的開發(fā)是電磁閥設計的關鍵。因此，本研究建立了耦合電流反饋的詳細驅(qū)動電路的電磁閥動態(tài)特性數(shù)學模型，提出了更詳細的共軌噴油器高速電磁閥數(shù)學模型，使得開展詳細驅(qū)動電路參數(shù)對電磁閥工作特性影響規(guī)律的研究成為可能，為進行電磁閥響應特性優(yōu)化設計提供了準確的設計工具。

1 高速電磁閥工作原理

噴油器高速電磁閥的結(jié)構見圖1，主要由電磁鐵、銜鐵、閥桿、銜鐵復位彈簧、銜鐵緩沖彈簧、緩沖彈簧座、球閥、閥座和電磁閥閥體組成。電磁鐵主要由鐵芯、線圈和殼體組成。

圖1 共軌噴油器高速電磁閥三維簡圖

在電磁閥運動時，銜鐵運動件受到電磁力、彈簧力、電磁鐵和銜鐵間燃油液力、銜鐵運動件重力、來自控制室內(nèi)高壓燃油壓力的作用。在電磁閥線圈通電后，當電磁力和高壓燃油壓力之和大于彈簧力、運動件重力和電磁鐵與銜鐵間燃油壓力之和后，銜鐵向上運動，離開閥座，實現(xiàn)電磁閥的打開；電磁閥斷電后，電磁力迅速減小，當電磁力和高壓燃油壓力之和小于彈簧力、運動件重力和電磁鐵與銜鐵間燃油壓力之和后，銜鐵開始回落，當銜鐵回落到閥座時完成電磁閥的關閉。

2 電磁閥動態(tài)特性數(shù)學模型

本研究是在不考慮來自高壓燃油對電磁閥工作特性影響的前提下開展電磁閥電-磁-機械動態(tài)模型的研究。圖2示出在Ansoft Maxwell軟件里建立的高速電磁閥動態(tài)特性數(shù)學模型以及電磁閥在共軌噴油器內(nèi)的位置，表1示出電磁閥計算的參數(shù)，鐵芯和銜鐵所用軟磁材料的磁化曲線見圖3。

圖2 電磁閥三維模型和其在噴油器內(nèi)的位置

類別設定值彈簧預緊力/N70彈簧剛度/N·mm-157銜鐵運動件質(zhì)量/g5．3線圈匝數(shù)52銜鐵最大運動位移/μm70電磁閥總氣隙/μm120

圖3 電磁鐵和銜鐵的B-H磁化曲線

在本研究中，電磁閥的驅(qū)動電路采用如圖4所示的Peak current-hold currentⅠ-hold currentⅡ(一個峰值電流，兩階段保持電流)形式的電磁閥驅(qū)動策略，峰值電流Peak current用來實現(xiàn)電磁閥快速打開，第一階段保持電流hold currentⅠ用來保證電磁閥銜鐵達到最大位置，而第二階段保持電流hold currentⅡ比第一階段保持電流小很多，用來維持銜鐵處于最大位置，實現(xiàn)循環(huán)噴油量的調(diào)節(jié)。

圖4 高速電磁閥驅(qū)動策略示意

3 電磁閥動態(tài)特性數(shù)學模型驅(qū)動方式

在電磁閥動態(tài)特性仿真中，可以選擇驅(qū)動電流或是驅(qū)動電壓為計算的勵磁源。勵磁源的正確選擇對準確模擬電磁閥的動態(tài)工作過程起到重要的作用，下面將分別采用實測驅(qū)動電流和對應的加載電壓為激勵源，開展在上述兩種勵磁條件下電磁閥動態(tài)仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)的比較。

電磁閥開啟響應主要受到峰值電壓Uboost和其持續(xù)時間Tboost影響，關閉響應則受到第二階段保持電流的I2影響。因此，為使結(jié)論具有普適性，在方案設計中保持第一階段保持電流I1和第二階段保持電流I2不變，而在不同的Uboost和Tboost條件下開展驅(qū)動電流和驅(qū)動電壓兩種驅(qū)動源計算結(jié)果的討論。計算方案見表2。

表2 電磁閥動態(tài)計算方案

從圖5至圖7看到，不同勵磁源條件下計算的電磁閥升程曲線與試驗數(shù)據(jù)存在一定的差異。從圖中看到，在電磁閥打開階段，與實測電流為勵磁源的計算結(jié)果相比，電壓為勵磁源計算的銜鐵運動始點更晚，但與試驗升程曲線吻合性更好。同時注意到，在控制電流/電壓切斷后，電壓為勵磁源時銜鐵仍處于最大位置而沒有落座。分析原因：在采用電壓為勵磁源進行計算時，沒有對電磁閥線圈的驅(qū)動電流進行限流調(diào)節(jié)，造成在電磁閥斷電后第二階段保持電流下降緩慢，無法在規(guī)定的時間內(nèi)迅速降低到零(見圖7)。驅(qū)動電流緩慢地降低造成電磁閥電磁力下降速度減小，最終表現(xiàn)為電磁閥銜鐵無法在規(guī)定的時間段內(nèi)落座。

圖5 方案1計算值和試驗值比較

圖6 方案2計算值和試驗值比較

圖7 方案3計算值和試驗值比較

4 耦合電流反饋驅(qū)動電路的電磁閥動態(tài)特性數(shù)學模型

以電壓為勵磁源的電磁閥計算值和試驗值在電磁閥開啟階段的吻合性好，但由于沒有對保持電流進行限流反饋調(diào)節(jié)，電磁閥銜鐵無法在驅(qū)動信號切斷后落座，因此，需要根據(jù)電磁閥真實的驅(qū)動策略，建立帶有電流反饋的電磁閥驅(qū)動電路，之后進行詳細驅(qū)動電路和電磁閥數(shù)學模型的耦合。

圖8示出帶有兩階段保持電流(見圖4)的電磁閥驅(qū)動電路，其中M1～M3為MOS開關管，D1～D4為二極管，R1～R4為電阻，L1為電磁閥初始電感，S1～S6為被控開關，峰值電流是通過設定的峰值電壓進行調(diào)節(jié)，而兩個階段的保持電流則是通過試驗臺24 V的系統(tǒng)電源電壓PWM反饋調(diào)節(jié)實現(xiàn)的。具體的工作原理：在Tboost時間段內(nèi)，控制電路給高速電磁閥施加高壓，電磁閥線圈內(nèi)電流快速上升，電路自動檢測電磁閥電流是否高于設定的峰值電流值(Peak current)，通過電流反饋調(diào)節(jié)功率管M2的開與閉，實現(xiàn)電磁閥線圈內(nèi)電流保持在設定的Peak current值附近。在T1時間段內(nèi)，高壓high voltage加載時間結(jié)束，開關S2和S4均斷開，電磁閥中存儲的能量給high voltage電源充電。開關S1和S5閉合后，電路自動檢測電磁閥電流是否高于第一階段維持電流設定值I1，通過電流反饋調(diào)節(jié)功率管M1的開與閉，保證電磁閥線圈內(nèi)的電流維持在I1的設定值附近。在T2時間段內(nèi)，開關S1和S5斷開，電磁閥中存儲的能量給high voltage電源充電，然后開關S3和S6閉合，電路自動檢測電磁閥電流并與第二階段保持電流設定值I2相比較，通過電流反饋調(diào)節(jié)功率管M3的開與閉，保證電磁閥線圈內(nèi)的電流始終在I2設定值上下波動。在T2時間段結(jié)束后，開關S3和S6斷開，電磁閥斷電，電流快速降低到零，電磁閥銜鐵快速落座，電磁閥完成一次動作過程。

圖8 帶有電流反饋的電磁閥驅(qū)動電路

Ansys Simplorer是一款機電系統(tǒng)設計與模擬仿真軟件，該軟件內(nèi)嵌入了大量的元器件庫，能夠?qū)崿F(xiàn)建立復雜控制電路模型的技術需求。采用Simplorer軟件，根據(jù)圖8建立了詳細的帶有電流反饋的電磁閥驅(qū)動電路(見圖9)。圖10至圖12示出了圖9所示的電磁閥動態(tài)數(shù)學模型的計算結(jié)果。從圖中看到，在采用耦合詳細電流反饋驅(qū)動電路的電磁閥數(shù)學模型時，銜鐵成功實現(xiàn)了快速落座。從圖10至圖12看到，計算值和試驗數(shù)據(jù)在電磁閥開啟階段和關閉階段存在不同程度的差異，這是因為在仿真計算時沒有考慮機械摩擦阻力的影響。在電磁閥的動態(tài)試驗時，連接銜鐵的閥桿在運動過程中始終受到來自閥套的摩擦阻力，該阻力會減慢銜鐵的上升速度和下降速度。而本研究的仿真計算沒有考慮銜鐵運動件受到的機械摩擦力，導致在銜鐵上升過程中計算的銜鐵升程曲線比實測數(shù)據(jù)要陡，在銜鐵下降過程中計算的銜鐵落座速度比實測數(shù)據(jù)要大，最終導致銜鐵更快達到最高限位和更快地落座。盡管上述計算值和試驗數(shù)據(jù)存在一定的誤差，但在整體上，計算值和實測值吻合程度較高，特別是電磁閥開啟始點和關閉始點。

圖9 耦合驅(qū)動電路的電磁閥動態(tài)數(shù)學模型

圖10 方案1計算值和試驗值的對比

圖11 方案2計算值和試驗值的對比

圖12 方案3計算值和試驗值的對比

本研究提出的耦合電流反饋驅(qū)動電路的電磁閥數(shù)學模型是基于電磁-機械耦合的原理建立的，并且在表2示出的3種不同的驅(qū)動策略下計算值和試驗數(shù)據(jù)均具有較好的一致性，這說明本研究提出的新的電磁閥數(shù)學模型具有普適性，其計算方法適用于不同類型帶有不同電流反饋詳細電路的共軌噴油器高速電磁閥的設計優(yōu)化。

5 結(jié)論

a) 與以實測驅(qū)動電流為勵磁源計算的電磁閥銜鐵升程曲線相比，以電壓為勵磁源的計算結(jié)果在電磁閥打開階段更接近于試驗數(shù)據(jù)，無論是銜鐵運動的起始點，還是銜鐵開啟的過程；保持電流沒有限流反饋導致以電壓為勵磁源的電磁閥動態(tài)計算無法正確模擬銜鐵的落座；

b) 在Ansys Simplorer平臺上建立了帶有二階保持電流限流反饋的詳細驅(qū)動電路數(shù)學模型，根據(jù)電磁機耦合原理，耦合了電磁閥詳細驅(qū)動電路和三維電磁閥詳細數(shù)學模型，建立了耦合電流反饋驅(qū)動策略的電磁閥動態(tài)特性數(shù)學模型，仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)的一致性證明了提出的電磁閥動態(tài)模型計算方法的正確性；

c) 提出的耦合電流反饋的高速電磁閥數(shù)學模型豐富了既有的電磁閥數(shù)學模型，該模型允許開展驅(qū)動電壓、保持電流等詳細驅(qū)動電路參數(shù)對電磁閥工作動態(tài)響應的研究，借助該數(shù)學模型可進行高速電磁閥結(jié)構參數(shù)和詳細驅(qū)動電路的設計，這為開發(fā)高動態(tài)響應的高速電磁閥提供了設計工具。

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DynamicModelofHighSpeedSolenoidValveCouplingwithDriveCircuit

ZHAO Jianhui1，ZHOU Yong2，YUE Pengfei1,SHI Yong1，MA Xiuzhen1

(1.College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China; 2.Chongqing Hongjiang Machinery Co.,Ltd.，Chongqing 402160,China)

The dynamic simulation of high speed solenoid valves was carried out in two different excitation sources of drive current and drive voltage. Compared with experimental data, it was thought that using drive voltage as excitation source could simulate the opening process of solenoid valve, but the valve could not close due to the lack of current feedback. A driving circuit model of high speed solenoid with current feedback was established based on the platform of Ansys Simplorer. The model was comprised of electrical-magnetic- mechanical fields via coupling the driving circuit model with 3D model. The agreement of simulation results with test data proved that the simulation model could precisely describe the opening and closing process of valve.

dynamic response；high speed solenoid valve;high pressure common rail system；mathematic model

2017-05-17;

2017-10-22

黑龍江省留學歸國人員科學基金項目(LC201422);中央高?；究蒲袠I(yè)務費(HEUCFM170302);國家自然科學基金項目(51475100)

趙建輝(1981—)，男，副教授，主要從事電控燃油噴射系統(tǒng)研究;zhao163.163@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.003

TK421.44

B

1001-2222(2017)05-0011-05

[編輯: 李建新]