高速雙線圈開關(guān)電磁閥控制策略研究

欒盈盈 孫 柯 樓亞斌

(1.西安航天自動(dòng)化股份有限公司， 陜西 西安 710065； 2.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 陜西 西安 710072)

引言

高速電磁閥結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、柴油機(jī)噴射系統(tǒng)、機(jī)器人以及精密控制領(lǐng)域[1-2]。目前，高速電磁閥多采用單線圈結(jié)構(gòu)形式，采用彈簧或壓強(qiáng)差產(chǎn)生回復(fù)力，通過控制線圈兩端的電壓實(shí)現(xiàn)銜鐵的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

為了提升高速電磁閥的動(dòng)態(tài)特性，提高動(dòng)作頻率，當(dāng)前高速電磁閥的研究主要集中在兩個(gè)方面。一方面是新型電磁閥結(jié)構(gòu)[3-5]的研究，超磁致伸縮材料[6]和新型壓電材料[7]的研究提高了電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。另一方面，國內(nèi)外對(duì)電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了大量研究，主要控制方式有數(shù)字脈沖寬度調(diào)制(PWM)、雙電壓或多電壓控制。

郭樹滿等[8]分析了高速電磁閥在開通、保持、關(guān)閉階段的不同電流動(dòng)態(tài)需求，設(shè)計(jì)了一種基于自舉電路的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，提高了保持階段的電流穩(wěn)定性，加快開通和關(guān)閉狀態(tài)的電流響應(yīng)。王瓊等[9]通過分析高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了基于Simulink平臺(tái)的PWM占空比控制模型，研究開關(guān)特性及關(guān)鍵參數(shù)對(duì)維持占空比及關(guān)閉時(shí)延的影響。

為了提高電磁閥開關(guān)速度，同時(shí)降低電磁閥在吸合保持階段的功耗，兩電壓或多電壓驅(qū)動(dòng)方式是目前的研究熱點(diǎn)[10-13]。兩電壓驅(qū)動(dòng)方式的主要思路是使用大電壓開啟，小電壓保持。相比兩電壓驅(qū)動(dòng)方式，三電壓驅(qū)動(dòng)方式是在閥的關(guān)閉階段施加反向電壓，提升閥的關(guān)閉速度。楊文英[14]提出了一種兩電壓電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，通過控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)開關(guān)的導(dǎo)通關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)電磁閥不同電壓下的驅(qū)動(dòng)。湯龍飛等[15]提出了一種高壓直流閉環(huán)起動(dòng)，低壓直流閉環(huán)保持的電磁閥控制模塊，實(shí)現(xiàn)電磁閥的閉環(huán)反饋控制。李勇等[16]設(shè)計(jì)了一種雙電壓合成信號(hào)脈寬調(diào)制的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)全脈寬驅(qū)動(dòng)電磁閥開通，低脈寬驅(qū)動(dòng)電磁閥保持，降低了電磁閥的穩(wěn)態(tài)功耗。高強(qiáng)等[17]提出了電磁閥的復(fù)合PWM控制策略，分析了激勵(lì)PWM、高頻PWM以及反向PWM在不同工況下對(duì)高速開關(guān)閥的影響規(guī)律。張斌等[18]通過搭建高速電磁閥的仿真模型，分析了在流量特性不變的情況下，不同控制策略對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響，驗(yàn)證了三電壓控制的優(yōu)越性。LEE Y等提出一種三電壓電磁閥驅(qū)動(dòng)方式，將電磁閥開啟時(shí)間從5 ms降低為1.5 ms，關(guān)閉時(shí)間由2.2 ms降低到1.95 ms[19]。

單線圈電磁閥氣隙通常小于1 mm，開啟和關(guān)閉時(shí)間幾個(gè)毫秒以內(nèi)。而對(duì)于雙線圈電磁閥，其銜鐵調(diào)節(jié)范圍更大，電磁氣隙通常在幾個(gè)毫米，驅(qū)動(dòng)電路也比單線圈電磁閥更加復(fù)雜。針對(duì)雙線圈往復(fù)式電磁閥的快速驅(qū)動(dòng)控制，本研究首先建立了雙線圈電磁閥的數(shù)學(xué)模型，分析了幾種雙線圈電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路，探討其開啟和關(guān)閉時(shí)電流的導(dǎo)通和續(xù)流回路。在前人研究的基礎(chǔ)上，提出一種雙H橋?qū)?qū)動(dòng)控制方法，在一個(gè)線圈關(guān)閉時(shí)將電流釋放到另一線圈和電源中，加快銜鐵的動(dòng)作頻率。通過實(shí)驗(yàn)比較，驗(yàn)證了該控制方法的優(yōu)越性。

1 雙線圈電磁閥數(shù)學(xué)模型

雙線圈電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。線圈匝數(shù)為400匝，控制電壓27 V，電阻為150 Ω，初始?xì)庀?.5 mm。工作時(shí)，一側(cè)線圈得電，銜鐵在電磁吸力的作用下吸向該側(cè)。銜鐵切換時(shí)，需要將一側(cè)線圈電流泄放到0，然后向另一側(cè)線圈通電，切換銜鐵位置。

圖1 雙線圈電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，假定磁通在介質(zhì)中均勻分布，兩端鐵心之間的電磁氣隙為L0，一側(cè)鐵心距離銜鐵位置為xe，另一側(cè)鐵心距離銜鐵(L0-xe)。根據(jù)閉合磁路的安培定律，有:

NI=HcLc+Hexe

(1)

式中，N—— 線圈匝數(shù)

I—— 線圈電流

Hc—— 主磁場(chǎng)強(qiáng)度

Lc—— 鐵心磁路長度

He—— 氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度

考慮鐵心的磁導(dǎo)率μr、空氣的磁導(dǎo)率μ0、回路磁感應(yīng)強(qiáng)度B，式(1)可以寫為:

(2)

回路磁通量φ，磁鏈ψ有如下關(guān)系:

(3)

式中，S—— 回路截面積

L—— 線圈的等效電感

將(3)式代入(2)中，可以得到其中一個(gè)線圈電感隨銜鐵位置的變化表達(dá)式：

(4)

考慮到電磁閥的總電磁氣隙不變，不難得到另一線圈電感隨銜鐵位置的變化表達(dá)式：

(5)

兩線圈的電壓方程分別為：

(6)

(7)

式中，u1，u2—— 分別為兩線圈的電壓

R—— 線圈電阻

I1，I2—— 分別為兩個(gè)線圈的電流

其中，兩線圈電感對(duì)時(shí)間的微分可以表示為：

(8)

(9)

電磁閥工作時(shí)，銜鐵受到的兩側(cè)電磁吸力分別為：

(10)

(11)

2 幾種電磁閥驅(qū)動(dòng)方式的對(duì)比分析

對(duì)于如圖1所示的雙線圈電磁閥，由兩側(cè)線圈的電磁吸力表達(dá)式(10)、式(11)可知，一側(cè)線圈的吸力只與該側(cè)線圈電流有關(guān)。當(dāng)兩側(cè)線圈切換時(shí)，必須將一側(cè)線圈電流降為0，釋放銜鐵，然后向另一側(cè)線圈通入電流，才能保證銜鐵動(dòng)作的可靠切換。基于這種動(dòng)作切換方式，下面分析幾種典型的雙線圈電磁閥切換驅(qū)動(dòng)電路及驅(qū)動(dòng)方式。

2.1 兩電壓驅(qū)動(dòng)方式

雙線圈電磁閥的兩電壓驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，線圈兩端獲得的電壓由施加在MOS管上的PWM波決定。以其中一個(gè)線圈為例，當(dāng)銜鐵向該側(cè)線圈吸合時(shí)，PWM調(diào)制波首先按照最大電壓輸出，以獲得最大的電流上升速度，使銜鐵快速吸合。轉(zhuǎn)入保持階段后，PWM調(diào)制波降低到線圈的維持電壓，使銜鐵保持在吸合狀態(tài)，同時(shí)達(dá)到降低電磁閥功耗的目的。

圖2 雙線圈電磁閥兩電壓驅(qū)動(dòng)電路圖

圖2中，當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，電流從供電電源流經(jīng)電磁閥和MOS管，流回電源。當(dāng)MOS管關(guān)閉時(shí)，線圈的電流通過自身反并聯(lián)的二極管續(xù)流。此時(shí)，電路的導(dǎo)通和續(xù)流回路如圖3所示。

當(dāng)需要切換銜鐵位置時(shí)，PWM停止輸出，線圈電流通過反并聯(lián)的二極管消耗到0。因此，影響線圈切換過程速度的主要因素是線圈電流的泄放速度，也就是線圈的續(xù)流過程。假定續(xù)流過程開始時(shí)線圈電流為I0，可知續(xù)流過程中線圈電流的表達(dá)式為：

I(t)=I0e-t/τ

(12)

式中，τ—— 電磁閥線圈的時(shí)間常數(shù)，表示為τ=L/R

L—— 線圈電感

R—— 線圈電阻

若續(xù)流開始時(shí)線圈中儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量為Q，則可以寫出線圈電流釋放時(shí)間的表達(dá)式：

(13)

圖3 兩電壓驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通續(xù)流回路圖

不難得到：

(14)

2.2 三電壓驅(qū)動(dòng)方式

與電磁閥的兩電壓驅(qū)動(dòng)方式相比，三電壓驅(qū)動(dòng)方式需要在線圈電流泄放時(shí)向線圈施加負(fù)電壓。因此，電磁閥的三電壓驅(qū)動(dòng)通常使用H橋驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的正負(fù)任意調(diào)節(jié)。對(duì)于雙線圈電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路而言，其包含的2個(gè)線圈需要由2個(gè)不同的H橋驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)。但考慮到2個(gè)線圈在任意時(shí)刻有且僅有1個(gè)線圈工作，因此，可以使用3個(gè)橋臂組成的驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)功能，如圖4所示。其中，2個(gè)線圈共用1個(gè)公共橋臂，其余2個(gè)橋臂分別驅(qū)動(dòng)2個(gè)線圈。

圖4 雙線圈電磁閥三電壓驅(qū)動(dòng)電路圖

圖4中，J1-J4組成線圈1的H橋驅(qū)動(dòng)電路，J3-J6組成線圈2的H橋驅(qū)動(dòng)電路。3個(gè)橋臂使用同樣的時(shí)間基準(zhǔn)，當(dāng)不同橋臂導(dǎo)通的占空比都為50%時(shí)，H橋輸出的電壓為0。當(dāng)其中的1個(gè)H橋工作時(shí)，2個(gè)橋臂按照占空比互補(bǔ)的方式導(dǎo)通，剩余1個(gè)橋臂上下管均不導(dǎo)通。以線圈1吸合保持過程為例，其MOS管導(dǎo)通方式和電流回路分別如圖5和圖6所示。

圖5 三電壓驅(qū)動(dòng)吸合保持過程導(dǎo)通時(shí)序圖

圖6 三電壓驅(qū)動(dòng)吸合保持過程電流回路

如圖5和圖6所示，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，只有t2時(shí)間段線圈從電源吸收能量，其余的t1和t3時(shí)間段，線圈電流通過MOS管續(xù)流。因此，調(diào)整t2時(shí)間段占整個(gè)開關(guān)周期的比例，即可調(diào)整線圈兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)電磁閥吸合或保持。當(dāng)銜鐵釋放時(shí)，需要調(diào)整2個(gè)橋臂的占空比，向線圈通入反向電壓，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通時(shí)序和電流回路分別如圖7和圖8所示。

圖7 三電壓驅(qū)動(dòng)釋放過程導(dǎo)通時(shí)序圖

圖8 三電壓驅(qū)動(dòng)釋放過程電流回路

根據(jù)圖7所示的導(dǎo)通時(shí)序，在t4和t6時(shí)間段，線圈通過MOS管實(shí)現(xiàn)自身續(xù)流。而在t5時(shí)間段中，線圈兩端施加負(fù)電壓，而流過線圈電感的電流不能發(fā)生突變，此時(shí)線圈電流流回到電源內(nèi)，實(shí)現(xiàn)能量回饋。

若電流釋放過程中，t5時(shí)間段占開關(guān)周期的比例為D，那么線圈兩端施加的平均負(fù)電壓為DU。釋放過程中線圈電阻兩端電壓為：

(15)

回路中電流按照指數(shù)形式衰減，其表達(dá)式仍然為式(12)所示的形式。那么對(duì)于電流釋放開始時(shí)線圈儲(chǔ)存的能量Q，其釋放過程表達(dá)式為：

(16)

將式(12)、式(15)代入式(16)，整理可得：

(17)

比較式(13)、式(14)、式(17)可知，式(14)為式(17)等式右端第二項(xiàng)的解。由式(17)可知，由于等式右端第一項(xiàng)和第三項(xiàng)的存在，會(huì)使此時(shí)電流釋放時(shí)間的解t遠(yuǎn)小于兩電壓時(shí)電流釋放時(shí)間式(14)。因此，三電壓驅(qū)動(dòng)方式可以縮短回路電流的釋放時(shí)間，加快電磁閥動(dòng)作的響應(yīng)頻率。

由電磁閥釋放過程MOS管開關(guān)電流回路圖8可知，當(dāng)線圈電流下降到0后，若繼續(xù)保持此種開關(guān)方式，電源會(huì)繼續(xù)向線圈通入反向電流。對(duì)于銜鐵而言，反向電流同樣會(huì)對(duì)銜鐵產(chǎn)生吸力作用，此時(shí)銜鐵會(huì)重新吸合，對(duì)銜鐵的切換動(dòng)作不利。因此，三電壓驅(qū)動(dòng)方式通常使用閉環(huán)控制方式，即根據(jù)兩側(cè)電磁閥的動(dòng)作指令產(chǎn)生線圈的電流指令，與線圈實(shí)際電流信號(hào)比較之后產(chǎn)生實(shí)際的開關(guān)信號(hào)，對(duì)兩側(cè)線圈進(jìn)行控制。電流閉環(huán)的三電壓電磁閥控制框圖如圖9所示。

圖9 電流閉環(huán)的三電壓控制框圖

根據(jù)三電壓釋放過程時(shí)間表達(dá)式(17)可知，若要減小電流下降時(shí)間，最直接的方法是提高反向電壓占空比D。但直接提高電壓占空比則容易產(chǎn)生反向電流。因此，這里提出一種雙線圈電磁閥切換方法，可以提高反向電壓占空比，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生反向電流。

2.3 新型驅(qū)動(dòng)方式

雙線圈電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路圖仍然如圖4所示。其中，J1-J4組成線圈1的H橋驅(qū)動(dòng)電路，J3-J6組成線圈2的H橋驅(qū)動(dòng)電路。線圈的吸合保持狀態(tài)仍然如圖5和圖6所示。在線圈的泄放或切換狀態(tài)，為了保持反向電壓的占空比，采用如圖10所示的MOS管導(dǎo)通時(shí)序圖。此時(shí)各個(gè)狀態(tài)下線圈的電流回路如圖11所示。

圖10 切換過程導(dǎo)通時(shí)序圖

圖11 切換過程電流回路

由于流過電感的電流不能突變，因此在兩線圈電磁閥的切換過程中，線圈1的電流逐漸減小為0，而線圈2的電流會(huì)逐漸增大。根據(jù)2個(gè)線圈電流大小的不同，導(dǎo)通續(xù)流回路也會(huì)發(fā)生變化，這里分為線圈1電流I1大于線圈2電流I2，和I1小于I2的情況進(jìn)行分開討論，如圖11所示。當(dāng)線圈1電流大于線圈2電流時(shí)，線圈1電流的一部分通過J3反并聯(lián)的二極管續(xù)流回電源，可以看作此時(shí)線圈1的放電占主要部分。同理，當(dāng)線圈1電流小于線圈2電流時(shí)，線圈2通過J3充電，此時(shí)，線圈2的充電占主要狀態(tài)。

由圖11可知，在整個(gè)切換過程中，線圈1的電流釋放到線圈2和電源中。而線圈2則從線圈1和電源中不斷吸收能量。最終達(dá)到線圈1電流釋放到0，而線圈2中流過穩(wěn)定的電流的情況。當(dāng)線圈1電流等于0時(shí)，此時(shí)整體導(dǎo)通回路為線圈2的吸合導(dǎo)通回路。線圈1不會(huì)重新充電，也就不會(huì)像三電壓驅(qū)動(dòng)電路那樣，電流泄放完成后出現(xiàn)反向電流。同時(shí)，由于線圈1泄放電流和線圈2建立電流是同時(shí)完成的，無需先對(duì)線圈電流進(jìn)行泄放，再對(duì)另一線圈進(jìn)行充電。因此，此種導(dǎo)通控制方式還可以進(jìn)一步提高兩線圈電磁閥的切換速度。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的雙線圈電磁閥控制方法的有效性，搭建了電磁閥驅(qū)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖12所示。整體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由電源、示波器、多路電磁閥驅(qū)動(dòng)電路以及被測(cè)電磁閥組成，其中，本研究所使用的電磁閥實(shí)物圖如圖13所示，其參數(shù)如表1所示。

圖12 電磁閥驅(qū)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

總體控制電路設(shè)計(jì)如圖14所示，雙線圈電磁閥的運(yùn)動(dòng)指令由上位機(jī)生成，并通過通訊傳輸?shù)娇刂菩酒珼SP中。由DSP根據(jù)控制指令和檢測(cè)電路采樣的電流，生成對(duì)應(yīng)的MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)兩側(cè)電磁線圈，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)。圖15～圖17分別是兩電壓驅(qū)動(dòng)方式、三電壓驅(qū)動(dòng)方式和提出的新型驅(qū)動(dòng)方式的實(shí)驗(yàn)波形圖。

圖13 實(shí)驗(yàn)用雙線圈電磁閥實(shí)物圖

表1 電磁閥參數(shù)

圖14 總體控制電路設(shè)計(jì)框圖

圖15 兩電壓驅(qū)動(dòng)方式實(shí)驗(yàn)波形圖

圖16 三電壓驅(qū)動(dòng)方式實(shí)驗(yàn)波形圖

圖17 新型驅(qū)動(dòng)方式實(shí)驗(yàn)波形圖

根據(jù)雙線圈電磁閥線圈電感表達(dá)式(4)～式(9)可知，當(dāng)銜鐵被一側(cè)線圈吸引時(shí)，隨著銜鐵的運(yùn)動(dòng)，該側(cè)線圈的電感以及電感的變化率會(huì)急劇增大，導(dǎo)致電流減小。當(dāng)銜鐵被吸合的瞬間，線圈電流達(dá)到最小值。因此，可以根據(jù)電流波形中的電流凹槽來判斷銜鐵是否被完全吸合。同樣，一側(cè)線圈電流從零變化到凹槽的時(shí)間也決定了銜鐵的最高運(yùn)動(dòng)頻率。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形圖15～圖17可知，采用兩電壓驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，電流下降時(shí)間約為10 ms，銜鐵能達(dá)到的最快運(yùn)動(dòng)頻率為18 Hz左右。采用三電壓驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，電流下降時(shí)間得到了改善，可以達(dá)到5 ms左右，此時(shí)能達(dá)到的最快運(yùn)動(dòng)頻率約為20 Hz。而采用本研究提出的新型驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，電流下降時(shí)間可以降低到3 ms 以內(nèi)，銜鐵最快運(yùn)動(dòng)頻率可以達(dá)到25 Hz左右。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，驅(qū)動(dòng)頻率可以獲得明顯提升。

4 結(jié)論

建立了雙線圈電磁閥的數(shù)學(xué)模型，分析了雙線圈電磁閥在兩電壓驅(qū)動(dòng)和三電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)的電流導(dǎo)通和續(xù)流回路，推導(dǎo)了線圈電流泄放時(shí)間的表達(dá)式。為了縮短雙線圈電磁閥的電流泄放時(shí)間，提高動(dòng)作頻率，提出一種雙線圈電磁閥的切換控制方法。分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法通過2個(gè)線圈之間的能量轉(zhuǎn)移和回饋，能大大縮短線圈電流泄放時(shí)間。將大氣隙雙線圈電磁閥實(shí)際電流泄放時(shí)間縮短至3 ms左右，最高動(dòng)作頻率提升至25 Hz，表明該控制方法能有效提升雙線圈電磁閥驅(qū)動(dòng)特性。