基于阻容元件的電磁閥快響應(yīng)技術(shù)

鄒 嘉，劉 飛，朱建國，周學(xué)鋒

(1.海軍裝備部，陜西 西安 710065；2.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

液體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)一般由推力室和控制閥組成，作為調(diào)整飛行器軌道或姿態(tài)的動(dòng)力裝置?？刂崎y一般采用直動(dòng)式電磁閥，結(jié)構(gòu)簡單、功能可靠、性能穩(wěn)定，而控制閥的響應(yīng)速度直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)加速性和關(guān)機(jī)減速性[1]，影響飛行器的機(jī)動(dòng)性、靈活性和精確性，因此控制閥的快響應(yīng)特性[2-4]已成為航天動(dòng)力裝置的主要技術(shù)攻關(guān)方向之一。

為了使電磁閥達(dá)到快響應(yīng)目標(biāo)，除了本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取措施外，還需要一個(gè)合理有效的驅(qū)動(dòng)控制回路。在汽車領(lǐng)域，隨著高速噴油電磁閥的發(fā)展，各種驅(qū)動(dòng)控制電路應(yīng)運(yùn)而生，采用高電壓開啟、低電壓維持的電路應(yīng)用居多[5]；在航天領(lǐng)域，國外多型動(dòng)力系統(tǒng)采用驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)電磁閥快響應(yīng)技術(shù)[6-8]，國內(nèi)西安航天動(dòng)力研究所宋會(huì)玲[9]等采用具有集成加速開啟、時(shí)序控制和加速關(guān)閉功能的芯片控制雙繞組高速電磁閥實(shí)現(xiàn)高電壓開啟、低電壓維持，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到3 ms左右。以上驅(qū)動(dòng)控制電路都需要單獨(dú)研制復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器，研制周期比較長，對(duì)于近階段地面研究性使用場(chǎng)景，有必要尋求一種簡單、便捷的快響應(yīng)電磁閥驅(qū)動(dòng)控制電路。

本文以某直動(dòng)式電磁閥為研究對(duì)象，充分利用電容的充放電功能和電阻的分壓功能，采用電阻和電容元器件組成的簡易控制電路，實(shí)現(xiàn)電磁閥高電壓開啟、低電壓維持的快響應(yīng)工作模式。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

電磁閥的線圈[10]是一個(gè)帶鐵芯的線圈，具有一定的電感，因而當(dāng)線圈加上電壓后，線圈中的電流按近似指數(shù)規(guī)律上升，上升的速度快慢一般用線圈的電時(shí)間常數(shù)T=L0/R表征(L0為線圈電感；R為線圈電阻)。為提高響應(yīng)速度，對(duì)電磁線圈結(jié)構(gòu)自身，一方面是提高吸合儲(chǔ)備裕度，減小吸合觸動(dòng)時(shí)間及閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間，另一方面是減少線圈匝數(shù)，降低電感，提高電流上升速度。因此，對(duì)于直動(dòng)式電磁閥自身采取高儲(chǔ)備吸合裕度(2.2倍)和低電阻(8 Ω)、低電感(0.08 H)線圈設(shè)計(jì)的快響應(yīng)技術(shù)措施，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

驅(qū)動(dòng)控制電路由串聯(lián)在線圈上的電阻、電容并聯(lián)組和在電源輸入端并聯(lián)的二極管組成，如圖1所示。電源供電啟動(dòng)時(shí)，電容尚未充電，電容兩端電壓為零，相當(dāng)于將電阻短路，線圈兩端電壓約等于電源電壓(28 V)，電磁閥在高電壓開啟，有利于加快打開速度；一段時(shí)間后，電容充電完成，電容兩端電壓達(dá)到分配電壓，相當(dāng)于將電阻接入電路分壓，使線圈工作在低電壓狀態(tài)；另外，斷電后，釋放小回路形成的瞬態(tài)感應(yīng)電流又與電容的釋放電能形成的反向電流抵消，消耗了一定能量，更有利于加速線圈電流的釋放效果。

圖1 電磁閥及簡易驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of solenoid valve and simple drive circuit

另外，在電源輸入端并聯(lián)二極管，形成釋放小回路，來釋放瞬態(tài)反沖電壓，減小反沖電壓對(duì)上游電源或電路的干擾和破壞。當(dāng)電磁閥正常通電時(shí)，二極管反向截止，分支中沒有電流通過；當(dāng)電磁閥關(guān)閉，瞬態(tài)反沖電壓產(chǎn)生時(shí)二級(jí)管正向?qū)?，線圈電感與二極管形成連通的回路，能夠?qū)㈦姼猩系乃矐B(tài)反沖電壓減小到很低，甚至接近于0。

2 仿真計(jì)算與分析

2.1 原理仿真

IMAGINE公司開發(fā)的AMESim系統(tǒng)仿真平臺(tái)軟件[11]是一款高級(jí)建模和仿真軟件，為流體動(dòng)力、機(jī)械、熱流體和控制系統(tǒng)提供一個(gè)完善、優(yōu)越的仿真環(huán)境及靈活的解決方案，提供了豐富的圖形化建模元件應(yīng)用庫，使工程技術(shù)人員可以從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來，從而專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)和優(yōu)化[12]。

根據(jù)電磁閥及其驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)原理建立整體電磁系統(tǒng)的AMESim仿真模型[13-15]，如圖2所示，包括電磁、液壓、機(jī)械運(yùn)動(dòng)3類子模型。將電磁閥的實(shí)際物理參數(shù)賦予仿真模型，在未增加驅(qū)動(dòng)電路的情況下，采用電磁閥部分的有載試驗(yàn)數(shù)據(jù)(打開4.6 ms，關(guān)閉8.7 ms)對(duì)模型進(jìn)行了修正與驗(yàn)證，仿真結(jié)果(打開4.5 ms，關(guān)閉8.5 ms)精度達(dá)2.3%，精度滿足特性仿真研究需求。

圖2 電磁閥及驅(qū)動(dòng)電路仿真模型Fig.2 Simulation model of solenoid valve and drive circuit

在原理仿真模型中，取串接電阻20 Ω、電容600 μF并聯(lián)組，0時(shí)刻開始給控制電路接通28 V直流電壓，40 ms時(shí)斷電，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。啟動(dòng)時(shí)，電容尚未充電，電容兩端電壓為零，相當(dāng)于將與之并聯(lián)的電阻短路，線圈兩端電壓等于電源電壓，電磁閥在28 V高電壓下啟動(dòng)，有利于加快打開速度，打開約3.4 ms；隨著電磁閥的打開動(dòng)作，電容開始充電，經(jīng)過約15 ms電容完成充電，電容兩端電流為零，相當(dāng)于將與之并聯(lián)的電阻斷路，這樣電阻串入線圈回路，達(dá)到分壓效果，線圈兩端電壓降低至約8 V，維持電流約1 A，能夠保證閥芯處于可靠吸合狀態(tài)；斷電后，閥芯僅在維持電流約1 A條件下釋放，關(guān)閉達(dá)到2.1 ms，另外，電阻和電容串接在釋放小回路中同樣對(duì)加速釋放有較好的效果。

從上述電磁閥及其驅(qū)動(dòng)電路的原理仿真可知，電磁閥部分采用的2.2倍高儲(chǔ)備吸合裕度和8 Ω低電阻、0.08 H低電感線圈設(shè)計(jì)使得自身具有電磁觸動(dòng)快的特點(diǎn)，簡易的驅(qū)動(dòng)電路可以使線圈達(dá)到高電壓開啟、低電壓維持的效果，實(shí)現(xiàn)了電磁閥的快響應(yīng)技術(shù)特點(diǎn)。

2.2 參數(shù)選擇分析

對(duì)于電磁閥部分設(shè)計(jì)參數(shù)已經(jīng)確定，主要變化驅(qū)動(dòng)電路部分的電容和電阻參數(shù)，比較分析對(duì)線圈電流和響應(yīng)特性的影響。

圖3 仿真線圈電流曲線Fig.3 Simulation curves of valve coil current

圖4 仿真線圈和電容電壓曲線Fig.4 Simulation curves of valve coil and capacitane voltage

2.2.1 電容參數(shù)的影響

變化電容值分別為150 μF，600 μF和800 μF，其他參數(shù)不變(電阻20 Ω)，仿真對(duì)比結(jié)果如圖5所示。電阻值不變情況下，隨著電容值的增大，啟動(dòng)時(shí)電磁閥線圈電流上升速度越快，打開響應(yīng)時(shí)間越短，并且啟動(dòng)電流峰值越大，但是充電時(shí)間也越長，趨于低電壓維持的時(shí)間也越長。由圖5中150 μF電容值的電流曲線可知，電容值過小，充電能量較弱、充電時(shí)間較短，使電阻短路的能力較弱，閥芯還沒動(dòng)作完成，電阻就串入回路分壓，導(dǎo)致電磁線圈吸合能力變?nèi)?，故電容值的大小要根?jù)系統(tǒng)對(duì)峰值電流的限制和線圈的吸合能力合理選擇。

另外，對(duì)比釋放關(guān)閉時(shí)間，電容值越大，充電量越大，由于電容將釋放電能與線圈感應(yīng)電能反方向抵消，消耗能量，線圈電流的釋放越快，閥芯關(guān)閉也越快。

圖5 電容值對(duì)線圈電流的影響Fig.5 Influence of capacitance value on coil current

2.2.2 電阻參數(shù)的影響

將變化電阻值分別為10 Ω，20 Ω和30 Ω，其他參數(shù)不變(電容600 μF)，仿真對(duì)比結(jié)果如圖6所示。電容值不變情況下，隨著電阻值的增大，分壓能力越強(qiáng)，線圈維持電流越低，線圈釋放、閥芯關(guān)閉時(shí)就越快，而對(duì)啟動(dòng)電流影響很小。正因?yàn)殡娮璧姆謮鹤兇?，電容兩端電壓也越大，完成充電的時(shí)間也略變長。故電阻值的大小要根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)的線圈必須維持電流合理選擇，保證低電壓維持階段閥芯處于可靠開啟狀態(tài)。

圖6 電阻值對(duì)線圈電流的影響Fig.6 Influence of resistance value on coil current

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用

根據(jù)圖1所示電磁閥及簡易驅(qū)動(dòng)電路原理圖，采用如圖7所示的產(chǎn)品進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)[16]，電子元器件采用工業(yè)級(jí)電阻、電容。在入口壓力8 MPa，電壓28 V，流量50 g/s條件下驅(qū)動(dòng)并測(cè)試電磁閥打開、關(guān)閉電流曲線，結(jié)果如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用串接電阻和電容并聯(lián)組的方式驅(qū)動(dòng)電磁閥，線圈兩端具有“高電壓開啟、低電壓維持”的特點(diǎn)，打開3.8 ms，關(guān)閉2.0 ms，達(dá)到了快響應(yīng)技術(shù)目標(biāo)。同時(shí)，與圖3仿真結(jié)果對(duì)比表明，兩者特征和趨勢(shì)一致，理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好。

圖7 電磁閥及電子元器件試驗(yàn)件Fig.7 Solenoid valve and electron element

圖8 電磁閥及驅(qū)動(dòng)電路驗(yàn)證電流曲線Fig.8 Verification test coil current of solenoid valve and drive circuit

采用不同的電阻和電容進(jìn)行比較試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。對(duì)比表中結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

1)電阻值主要影響維持電流和關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間。電阻值越大，分壓能力越強(qiáng)，線圈維持電流越低，線圈釋放、閥芯關(guān)閉就越快，而對(duì)啟動(dòng)電流影響很小。但電阻值的選取應(yīng)保證低電壓維持階段閥芯處于可靠開啟狀態(tài)。

2)電容值主要影響啟動(dòng)時(shí)電流上升率和峰值。電容值越大，電容充電能力越強(qiáng)，充電時(shí)間越長，啟動(dòng)時(shí)的電流上升快、峰值也就越大，打開響應(yīng)時(shí)間短；另外，電容值越大，電容充電量越大，對(duì)關(guān)閉時(shí)的反向電動(dòng)勢(shì)消除越快，關(guān)閉也就越快。

3)串接20 Ω電阻和100 μF電容并聯(lián)組時(shí)電磁閥打不開，而串接20 Ω電阻和600 μF電容并聯(lián)組時(shí)電磁閥可靠打開，說明電容值過小時(shí)，充電能量較弱、充電時(shí)間較短，失去了對(duì)電阻的短路作用，電阻過早串入回路分壓，導(dǎo)致電磁線圈吸合能力不夠。

故電阻和電容參數(shù)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)要求和電磁閥自身設(shè)計(jì)參數(shù)合理選擇。

表1 不同參數(shù)對(duì)電流和響應(yīng)的影響

Tab.1 Influence of variant parameter oncurrent and response

電阻/Ω電容/μF打開/ms關(guān)閉/ms電流峰值/A維持電流/A101006.85.21.731.56106003.82.82.611.5620100————206003.82.02.601.02

設(shè)計(jì)的電磁閥及其簡易驅(qū)動(dòng)電路(線圈串接電阻和電容并聯(lián)組)，結(jié)構(gòu)簡易，操作簡便。驅(qū)動(dòng)電路采用的電阻和電容均為工業(yè)級(jí)電子元器件，花費(fèi)成本低，技術(shù)成果驗(yàn)證效果好，經(jīng)驗(yàn)證可以轉(zhuǎn)化并推廣至普通電磁閥中。

4 結(jié)論

以電磁閥高電壓開啟、低電壓維持的快響應(yīng)工作模式為需求，充分利用電容的充放電功能和電阻的分壓功能，設(shè)計(jì)了“電磁閥線圈串接電阻和電容并聯(lián)組”的驅(qū)動(dòng)線路，通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)途徑可以達(dá)到高電壓開啟、低電壓維持的效果，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)電磁閥的快響應(yīng)目標(biāo)。根據(jù)參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，啟動(dòng)電流峰值和上升率應(yīng)通過選擇電容參數(shù)來控制，維持電流應(yīng)通過選擇分壓電阻參數(shù)來調(diào)整。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證技術(shù)可以轉(zhuǎn)化并推廣至快響應(yīng)電磁閥設(shè)計(jì)中，采用啟動(dòng)線圈和維持線圈串聯(lián)繞制并在維持線圈上并聯(lián)電容的方式，實(shí)現(xiàn)電磁閥高電壓開啟、低電壓維持的功能。