高速開關(guān)電磁閥閥芯動態(tài)模型設(shè)計(jì)及研究

郝江脈

摘要：為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)前對汽車制動系統(tǒng)中對制動力控制的線性要求，詳細(xì)研究了制動系統(tǒng)中核心控制部件電磁閥的結(jié)構(gòu)，通過對電磁閥中重要部件閥芯的受力分析，細(xì)致分析了電磁閥閥芯的運(yùn)動特性，從應(yīng)用層面上給出了閥芯運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型，并針對閥芯的運(yùn)動過程建立了基于實(shí)際運(yùn)動的物理狀態(tài)模型，建立新的動態(tài)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真。根據(jù)仿真結(jié)果對電磁閥進(jìn)行實(shí)際的流量控制試驗(yàn)，驗(yàn)證得出建立的數(shù)學(xué)模型具有實(shí)際應(yīng)用指導(dǎo)效果，并得出了電磁閥實(shí)際的運(yùn)動特性與仿真模型一致的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：電磁閥;閥芯;動態(tài)模型;仿真;試驗(yàn)

0? 引言

電磁閥廣泛應(yīng)用在汽車電子制動系統(tǒng)中。例如常見的電子制動控制系統(tǒng)、ABS（制動防抱死系統(tǒng)）、ESC（車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)）。在集成式制動系統(tǒng)，例如大陸的MKC1、博世的IPB。電磁閥的性能及特性一直都是關(guān)鍵研究對象，而電磁閥中的閥芯的運(yùn)動特性直接影響著電磁閥的運(yùn)動特性，從而影響整個(gè)制動系統(tǒng)對制動液的控制，進(jìn)而影響了整車制動特性。

針對整車制動力的特性控制，其核心在于對電磁閥閥芯運(yùn)動特性的控制，文獻(xiàn)[1]對閥芯分析建立在靜態(tài)方程中，在各個(gè)平衡狀態(tài)分析了閥口開度與閥芯位移的關(guān)系。文獻(xiàn)[2-4]中對電磁閥采用了常規(guī)非限位的運(yùn)動學(xué)方程。本文對電磁閥閥芯受力及工作環(huán)境進(jìn)行分析建立了閥芯工作過程中受到限位的運(yùn)動物理模型，同時(shí)建立了數(shù)學(xué)模型，利用仿真軟件對閥芯運(yùn)動進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的建立并進(jìn)行仿真分析，后再根據(jù)仿真特性進(jìn)行流量特性驗(yàn)證，并得出該種模型的正確性。

1? 高速開關(guān)電磁閥結(jié)構(gòu)及閥芯工作原理

高速開關(guān)電磁閥機(jī)構(gòu)如文獻(xiàn)[1]圖1所示，其中8所示的閥芯的位移決定了閥口開啟關(guān)閉，以及閥口開度的大小。當(dāng)線圈5通電后，動鐵7與閥體9磁化，吸合帶動閥芯8下移將閥座11上的油孔閉合實(shí)現(xiàn)關(guān)閉。常規(guī)狀態(tài)下閥芯8由彈簧10頂起，由隔磁管7限位，此時(shí)電磁閥處于開啟狀態(tài)。電磁閥通過線圈的通電與斷電對液路實(shí)現(xiàn)閉合與開啟的2種狀態(tài)。

5? 仿真模型建立

電磁吸力的控制因素主要為線圈的輸入電流，在常規(guī)汽車供電系統(tǒng)電壓為12V，高速電磁閥的控制主要采用PWM對輸入電壓控制來控制閥芯的開閉。壓力差的大小決定了流體力Fh的大小。聯(lián)合不同狀態(tài)下的動力學(xué)方程（2）（3）（4），建立如圖3閥芯的動力學(xué)圖框，圖中假設(shè)K1與K2相等，C1與C2相等，閥芯初始限位距離H=0.3。

對整個(gè)進(jìn)液閥模型進(jìn)行封裝，如圖4所示。

5.1 仿真模型控制

假設(shè)閥口輸入壓力恒定為10Mpa，閥口輸出壓力恒定為5Mpa，即電磁閥進(jìn)出口壓力差為5Mpa狀態(tài)下。改變對線圈電壓脈沖控制信號，在觀察該模型下的閥芯位移的響應(yīng)狀態(tài)：①Z=50%，f=10Hz狀態(tài)下閥芯位移與脈沖跟隨狀態(tài)如圖5。②Z=50%，f=100Hz狀態(tài)下閥芯位移與脈沖跟隨狀態(tài)如圖6。③Z=50%，f=500Hz狀態(tài)下閥芯位移與脈沖跟隨狀態(tài)如圖7。

圖5、圖6、圖7縱坐標(biāo)表示動鐵的位移距離，橫坐標(biāo)為時(shí)長。從仿真結(jié)果來看，對比圖5、圖6、圖7，在相同占空比50%情況下，采用不同頻率，閥芯的位移狀態(tài)會出現(xiàn)明顯不同，閥芯的運(yùn)動范圍由初始限位距離決定。在低頻率脈沖f=10Hz狀態(tài)下，閥芯位移Xm與控制信號有良好的跟隨性，閥芯位移Xm會在上下限位區(qū)間進(jìn)行來回震動。在控制信號頻率為f=100Hz狀態(tài)下，閥芯下移到最大位移后，閥芯無法跟隨控制信號復(fù)位到最大開啟位置處后就隨著控制信號閉合。在脈沖為f=1000Hz狀態(tài)下，電磁閥閥芯處于震動狀態(tài)，并以該種狀態(tài)不斷向最大位移處移動，直到最大位處，會跟隨控制信號進(jìn)行微弱的位移運(yùn)動。

5.2 仿真結(jié)論

經(jīng)過仿真可以看出，電磁力控制信號在相同的占空比情況下，采用不同的頻率會對電磁閥閥芯的運(yùn)動位移產(chǎn)生影響：越低的頻率會導(dǎo)致閥芯運(yùn)動到最大限位處復(fù)位性越強(qiáng);越高的頻率會導(dǎo)致閥芯運(yùn)動到最大限位處復(fù)位性越弱。即影響了閥口的開度大小。

6? 試驗(yàn)驗(yàn)證

閥口開度會影響單位時(shí)間流過的液體體積進(jìn)而影響流量特性那么根據(jù)該特性，在實(shí)際的液壓控制上采用不同頻率的控制信號應(yīng)當(dāng)會對液體流量產(chǎn)生不同的影響。故此設(shè)計(jì)實(shí)際試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜谶M(jìn)行實(shí)際電磁閥的液壓試驗(yàn)。

6.1 試驗(yàn)驗(yàn)證模型

試驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)如圖8所示。

恒流泵從儲液箱中泵送恒定流量的液體通過電磁閥，在恒流泵與電磁閥之間安裝有流量計(jì)用于采集流量，電磁閥由控制器來控制電磁閥上電磁吸力的頻率。泵送的液體通過電磁閥后返回儲液箱。

6.2 流量試驗(yàn)

試驗(yàn)采用在同一占空比狀態(tài)下，不斷改變電磁閥的控制頻率實(shí)現(xiàn)對閥口開度的控制。恒流泵在與閥連接后泵送的恒定流量140ml/min。控制器對電磁吸力采用定占空比方波變頻率控制，從100Hz開始進(jìn)行150Hz/s遞增變化。同時(shí)觀測流量計(jì)的流量變化曲線。如圖9所示。

根據(jù)圖9數(shù)據(jù)顯示，在低頻率情況下，電磁閥開度大，對液體阻礙效果小，當(dāng)頻率也來越高，電磁閥開口開度越來越小，直到完全關(guān)閉形成閉合效果。該結(jié)論證明建立改進(jìn)后的數(shù)學(xué)模型及仿真結(jié)果可以適用于實(shí)際控制需求。

7? 結(jié)束語

本文針對電磁閥閥芯運(yùn)動特性做了分析，建立對應(yīng)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，建立了仿真模型，在模型中通過對輸入的信號的頻率改變來控制閥芯的運(yùn)動狀態(tài)，通過仿真結(jié)果得出改進(jìn)數(shù)學(xué)模型的理論基礎(chǔ)，并通過電磁閥實(shí)際流量控制驗(yàn)證了模型的正確性。對高速開關(guān)閥的基本運(yùn)動特性及在制動系統(tǒng)中的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]孔祥東.高速開關(guān)電磁閥力控系統(tǒng)線性增壓控制研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014（22）：192-199.

[2]石蕾.ESC中線性電磁閥的動態(tài)特性研究及參數(shù)優(yōu)化[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2013：12-13.

[3]楊玉濤，張小棟.高速電磁閥模型建立及響應(yīng)特性研究[J]. 測控技術(shù)，2008（6）：86-89.

[4]戴佳.電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性仿真研究[J].火箭推進(jìn)，2007（1）：43.