一種適應于大負載工況的高線性度數字化比例電磁閥*

張 榛，汪旭東，王代華，梁 亮，潘 斌，張 良

0 引 言

變推力液體火箭發(fā)動機可以為航天器的推進與控制提供可控動力，是航天器動力系統(tǒng)的理想選擇，在軟著陸系統(tǒng)、無拖曳系統(tǒng)以及電推進氙氣貯供系統(tǒng)中均得到了應用[1-3].其中，流量調節(jié)技術是變推力發(fā)動機的核心技術之一，是變推力發(fā)動機研究的熱點和難點.

工業(yè)領域中，可以實現比例控制輸出的流量調節(jié)閥主要有電液伺服閥、比例電磁閥和電機閥.其中，電液伺服閥雖然具有精度高、死區(qū)小等優(yōu)點，但是容易被污染，易發(fā)生卡滯等故障，不適合應用于空間飛行器[4].電機閥的結構較為復雜，也存在可靠性較低的問題.

比例電磁閥基于比例電磁鐵技術，可以通過改變輸入電流調整閥門的開度．從而實現流量的無級調節(jié)[5]，具有結構簡單，易于加工、便于裝配、響應快速、可靠性高、成本較低等優(yōu)點，非常適合空間推進系統(tǒng)流量調節(jié)的應用需求.

但是，一般的比例電磁閥在應用中存在以下局限性：(1) 無法適應大負載工況.當工作壓力較高或者閥門通徑較大時，閥門上下游會形成較高的壓力差，需要較大的電磁力才能克服壓差，打開閥門.但是閥門一旦開啟，壓差力又將大幅下降，導致閥芯的受力平衡關系被打破，使得閥門銜鐵難以保持在靜止的節(jié)流位置.因此，大部分比例電磁閥只能應用于氙氣貯供和冷氣微推力調節(jié)等低負載小流量工況.(2) 電磁材料B-H曲線的非線性和遲滯特性會嚴重影響閥門電流輸入和流量輸出的比例特性[6-7]，不利于系統(tǒng)的開環(huán)控制.

本文提出了一種新型的比例電磁閥設計方案，在優(yōu)化比例磁路設計的基礎上，利用平衡腔結構消除了壓差力的影響，使閥門可以始終工作于“近似空載”的狀態(tài)，并采用線性化控制器對電磁遲滯非線性現象進行補償，實現了比例電磁閥在大負載工況下對流量的高線性度開環(huán)控制.

1 比例電磁閥的結構方案

設計比例電磁閥，特別需要關注電磁力、彈簧力以及壓差力之間的三力平衡.從零流量到滿流量范圍內，銜鐵必須能夠穩(wěn)定的保持在任意一個節(jié)流位置上，從而實現流量的無級調節(jié)[8-9].

因為彈簧力隨銜鐵位移的變化遵循胡克定律，是線性關系，所以為了保證力的平衡關系，需要將問題聚焦于電磁力的控制和壓差力的消除.

1.1 磁路結構設計

應用于非線性電磁鐵的經典電磁力計算公式如下[10-11]：

(1)

其中，Φ為磁通，Rδ為氣隙磁阻，δ為氣隙長度.從式(1)看出，Φ與電磁力F之間是明顯的非線性關系.如圖1所示，勵磁電流I與Φ也是非線性關系.因此，需要通過磁路設計，使電磁力F和控制量I近似形成比例關系.

圖1 軟磁材料Φ-I曲線Fig.1 Φ-I curve of soft magnetic material

如圖2所示，在螺管式電磁閥的磁路結構上，除了傳統(tǒng)的工作氣隙A區(qū)(作為銜鐵的作動距離)以外，設計了一個較大的漏磁氣隙B區(qū).由于B區(qū)的存在，導致整個磁路的磁阻很大，可以確保閥門工作點位于低磁通區(qū)域，則閥門始終工作于Φ-I曲線的相對線性部分，如圖1所示.

圖2 比例電磁閥磁路結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the proportional solenoid valve’s magnetic circuit structure

在銜鐵吸合過程中，隨著氣隙δ的減小，磁阻減小，磁通Φ增加，會導致電磁力急劇增大，打破與彈簧力之間的平衡關系.

為了抑制該問題，在磁路中增加了比例極靴結構，如圖3所示.當銜鐵遠離吸合面時，比例極靴的尖角α靠近銜鐵，因此B區(qū)的側向漏磁相對較小，獲得較大電磁吸力來啟動閥門；當銜鐵開始吸合時，側向漏磁逐漸增多，磁通Φ相對減小，降低了電磁力的增速，從而有效的抑制了電磁力過快增長，使其與彈簧力保持相對平衡，令銜鐵可以懸停于中間位置.

圖3 銜鐵在不同位置時的間隙變化Fig.3 The gap changes of armature at different positions

使用Ansoft有限元仿真軟件，對比例電磁閥的靜態(tài)特性進行模擬[12-13]，對B區(qū)間隙和比例極靴的尖角α角度進行優(yōu)化設計.其優(yōu)化目標是保證閥門在0.4 mm間隙至1.6 mm間隙的范圍內，電磁力F與氣隙長度δ呈近似線性變化的關系(如圖4所示)，且盡量提高初始電磁力(間隙最大時)，以使得閥門同時獲得較大的電磁力初始值和較高線性度.

圖4 有限元仿真計算的電磁力-位移關系Fig.4 The relationship between magnetic force and displacement

1.2 壓力平衡結構設計

為了消除介質負載形成的壓差力，設計了平衡腔結構，如圖5所示，以實現閥門從開啟到關閉全過程的壓力平衡[14].

圖5 比例電磁閥壓力平衡腔結構圖Fig.5 Structure diagram of the proportional solenoid valve’s pressure balance chamber

該平衡腔采用了一種對稱結構，利用閥桿、閥體和閥座構建了上下兩個壓力腔，上腔與入口連通，下腔與出口連通，兩個腔的壓力作用面積必須與密封面積相等.

所以，閥門從零流量至滿流量工作范圍內，始終只需要考慮電磁力和彈簧力的作用.

2 控制模塊設計

由于比例電磁閥具有強感性的負載特性，并且存在遲滯的問題，所以需要配合前饋控制器模塊，結合相關的控制算法來進行對閥門的電磁遲滯非線性現象的補償，實現閥門流量與輸入控制信號的線性控制.

采用基于Bouc-Wen模型構建的前饋控制系統(tǒng)[15-16]，其控制器原理框圖，如圖6所示.

圖6 比例電磁閥控制器系統(tǒng)總體原理框圖Fig.6 Total schematic diagram of the proportional solenoid valve’s control device

比例電磁閥的輸出電磁力與勵磁電流之間存在嚴重的遲滯特性，可將電磁閥執(zhí)行器的輸出力看成是線性分量和遲滯分量的疊加，并提出如下模型：

F(t)=kvIA(t)+h(t)

(2)

式中：F(t)為電磁閥的輸出電磁力；I(t)為電磁閥的勵磁電流；kv為電磁閥的輸出電磁力與作用電流之間的比率常量；h(t)為遲滯力分量.利用Bouc-Wen遲滯算子模擬遲滯位移分量，可以表示為：

(3)

式(2)～(3)構成了電磁閥基于Bouc-Wen模型的前饋線性化控制方法.如圖7所示，通過對比例電磁閥的遲滯輸出力進行“學習觀測”，可以求解A、β和γ的參數，然后利用得到的遲滯力對比例電磁閥的輸入電流進行補償，實現閥輸出力與輸入電流之間遲滯關系的線性化控制.

圖7 比例電磁閥的前饋線性化控制器原理圖Fig.7 Schematic diagram of the proportional solenoid valve’s feedforward linearized control

3 產品實現及測試驗證

采用上述技術方案，研制了一套比例電磁閥及其線性化控制器樣機，如圖8～9所示，可以實現250 N變推力單組元發(fā)動機的流量調節(jié).閥門等效通徑為4 mm，工作壓力可以達到10 MPa以上.

圖8 比例電磁閥實物照片Fig.8 The photograph of the proportional solenoid valve

圖9 閥門線性化控制器照片Fig.9 The photograph of the valve’s control device

控制器采用28 V直流供電，通過電源管理模塊同時驅動控制器芯片和閥門線圈.控制指令通過串口數字量進行輸入，從00字位至FF字位分為256個控制點，實現了閥門流量的高分辨率數字化控制.

由于閥門采用了壓力平衡設計，閥門空載與負載特性并無明顯差異，所以在空載條件下進行了銜鐵行程隨電流變化的曲線測試：如圖10(a)所示，在沒有控制器補償的情況下，閥門的磁滯現象仍然比較明顯；通過對補償模型的修正，首先消除了升程和回程曲線之間的滯環(huán)，并使得電流—行程曲線的線性化程度得以大幅提升，升回程曲線簇全部擬合到圖10(b)所示的回歸曲線中.經過回歸分析，擬合優(yōu)度的確定系數R2值可以達到0.999，表明回歸直線對觀測值的擬合程度非常好.

圖10 控制器補償前(a)和補償后(b)電流—行程曲線圖Fig.10 Comparison of current and displacement curves before (a) and after (b) controller compensation

以酒精為試驗介質進行負載性能試驗，從0-255的控制點數中選取若干個位置點，在0.2 MPa的額定壓降下，對比例電磁閥及線性化控制器進行了質量流量測試，測試過程中每點數據采集時間在10 s以上，觀測流量非常穩(wěn)定，表明閥芯位置穩(wěn)定無震顫，測試結果如圖11所示.

從圖11(a)中可以看出，當控制點數超過200時，閥門流量已經接近飽和，表明此時閥門節(jié)流位置已經不在閥口開度上.對0～200控制點范圍內的流量曲線進行線性擬合，如圖11(b)所示，R2值為0.988，表明該設計方案可以實現超高線性度的數字化比例流量控制.

圖11 比例電磁閥的負載流量曲線Fig.11 Load flow curves of the proportional solenoid valves

4 結 論

流量調節(jié)技術是變推力發(fā)動機系統(tǒng)研究的重點和難點，比例電磁閥作為一種理想的流量調節(jié)方案，在未來將得到廣泛應用.本文提出了能夠適應大負載工況的超高線性度的比例電磁閥設計方案，具有以下特點：

(1) 采用低磁通工作點和比例極靴的磁路設計，大幅抑制了電磁力隨著行程變化的增速，有效改善了其非線性和滯環(huán)特性.

(2) 采用平衡腔結構設計，使閥門從零流量至滿流量工作范圍內，只需要考慮電磁力和彈簧力的作用，排除了壓差力的干擾.

(3) 采用前饋補償遲滯線性化及電流驅動放大器的控制器模塊，結合控制算法對閥門的電磁遲滯非線性現象進行補償，并實現了數字化的控制指令高分辨率調節(jié).