基于PWM控制的高速開(kāi)關(guān)電磁球閥動(dòng)態(tài)特性仿真分析

　　介紹高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的結(jié)構(gòu)及工作原理，建立其動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用AMESim仿真軟件將所建的數(shù)學(xué)模型聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，分析驅(qū)動(dòng)電壓、線圈匝數(shù)、銜鐵質(zhì)量以及彈簧預(yù)緊力等參數(shù)對(duì)此閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響，得到一些定性的結(jié)論，為高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的后續(xù)優(yōu)化研究提供了參考。

　　高速開(kāi)關(guān)電磁閥是一種數(shù)字式電液轉(zhuǎn)換控制元件，常采用脈寬調(diào)制(Pulsewidthmodulation，PWM)控制方式，直接根據(jù)一系列脈沖電信號(hào)進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作。它與伺服閥、比例閥相比具有價(jià)格低廉、抗污染能力強(qiáng)、可與計(jì)算機(jī)及PLC直接接口等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外一些單位和科研機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)展了對(duì)高速開(kāi)關(guān)電磁閥的研究工作，開(kāi)發(fā)出多種結(jié)構(gòu)和形式的電磁閥，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、汽車(chē)制造等電液控制領(lǐng)域。目前此類(lèi)閥在工程應(yīng)用方面較多，但是深入的理論分析與建模研究較少，所以對(duì)其動(dòng)態(tài)性能的研究就顯得尤為重要。以高速開(kāi)關(guān)電磁球閥為研究對(duì)象，通過(guò)分析此閥的結(jié)構(gòu)與工作原理，建立了數(shù)學(xué)模型，利用AMESim仿真了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并分析了驅(qū)動(dòng)電壓、線圈匝數(shù)、銜鐵質(zhì)量以及彈簧預(yù)緊力等對(duì)高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的影響，得到各參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響關(guān)系，從而為改善其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性提供了依據(jù)。

1、高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

　　以QDF二位三通常閉式高速開(kāi)關(guān)電磁球閥為研究對(duì)象，具體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要由高頻電磁鐵、杠桿機(jī)構(gòu)和球閥三部分構(gòu)成。

　　在電液控制系統(tǒng)中，高速開(kāi)關(guān)電磁球閥常采用脈寬調(diào)制控制。所謂脈寬調(diào)制就是在一定的脈沖周期T內(nèi)調(diào)節(jié)開(kāi)啟時(shí)間的寬度tp與脈沖周期T的比值即脈寬占空比τ的大小來(lái)控制閥門(mén)的通斷時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，其工作狀態(tài)只有“全開(kāi)”、“全關(guān)”2種。

圖1 高速開(kāi)關(guān)電磁球閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

　　脈寬調(diào)制式高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的控制信號(hào)是一系列幅值相等、而在每一周期內(nèi)寬度不同的脈沖信號(hào)。

　　其控制系統(tǒng)的工作原理框圖如圖2所示。首先計(jì)算機(jī)根據(jù)控制要求發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制器和功率放大器，將脈沖信號(hào)調(diào)制和放大后送給高速開(kāi)關(guān)閥，然后通過(guò)控制高頻電磁鐵所產(chǎn)生的吸力，利用杠桿機(jī)構(gòu)使得球閥閥芯高速正反向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)液流在閥口處的通斷功能。

圖2 高速開(kāi)關(guān)閥在PWM控制下的工作原理框圖

　　當(dāng)電磁鐵5通電時(shí)，線圈電流不能立即躍變?yōu)榉�(wěn)態(tài)值，而是由零開(kāi)始逐漸上升，電磁鐵吸力也表現(xiàn)為一漸升過(guò)程：在起始狀態(tài)，吸力小于阻力，閥芯處于靜止;當(dāng)電流上升到某一臨界值時(shí)，吸力與阻力相等，鋼球開(kāi)始運(yùn)動(dòng);當(dāng)開(kāi)關(guān)閥完全開(kāi)啟時(shí)，球芯位移X取到最大值Xmax，使A口與P口相通，T口封閉，系統(tǒng)工作。當(dāng)電磁鐵失電時(shí)，由于電感作用，電磁鐵吸力表現(xiàn)為一個(gè)漸降過(guò)程：在起始狀態(tài)，吸力大于阻力，閥芯處于靜止;當(dāng)磁通下降到某一臨界值時(shí)，吸力與阻力相等，閥芯開(kāi)始關(guān)閉;當(dāng)開(kāi)關(guān)閥完全關(guān)閉時(shí)，球芯位移X取最小值0，使T口和A口相通，P口封閉。

2、高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的數(shù)學(xué)模型

　　2.1、高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的電磁模型

　　電磁模型中的電壓方程

　(1)

　　其中：Rc為線圈電阻;L為線圈電感。

　　根據(jù)麥克斯韋電磁吸力公式，在匝數(shù)為N的控制線圈內(nèi)通以控制電流i時(shí)，磁路內(nèi)即產(chǎn)生磁通。銜鐵受到的軸向電磁吸力F為

　(2)

　　根據(jù)磁路基爾霍夫定律，可得出磁路計(jì)算模型，即

　(3)

　　式中：N為線圈匝數(shù);Φ為磁路磁通;A為電磁作用面積;μ0為空氣磁導(dǎo)率;Rg為工作氣隙磁阻;Rm為磁路磁阻;Rl為非工作氣隙磁阻。

　　2.2、高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的動(dòng)力學(xué)模型

　　通過(guò)對(duì)閥球串的受力分析可以得知，閥球串在閥開(kāi)啟的過(guò)程中所受的作用力有：因閥芯加速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的質(zhì)量慣性力;推桿運(yùn)動(dòng)引起的黏性阻尼力;流體動(dòng)量變化產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力;液體靜壓力;電磁鐵吸力;球閥所受彈簧力。因此可以得到閥球串的運(yùn)動(dòng)力平衡方程為：

　　(4) 其中：F為電磁鐵吸力;

　　為閥球串加速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的質(zhì)量慣性力;C為黏性阻尼系數(shù);

　　為黏性阻尼力;Fk為球閥所受彈簧力;F液為液壓力;Fs為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力;Ft為瞬態(tài)液動(dòng)力。

　　2.3、基于AMESim的高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的動(dòng)態(tài)仿真模型

　　根據(jù)高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的電磁模型、動(dòng)力學(xué)模型及其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，采用AMESim中的電磁庫(kù)(EM)和液壓庫(kù)(HCD)等相關(guān)模塊建立電磁高速開(kāi)關(guān)球閥的動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖3所示。利用一個(gè)PWM信號(hào)去控制開(kāi)關(guān)的通斷，從而控制球閥的通斷。設(shè)置仿真主要參數(shù)為：供油壓力2MPa，彈簧剛度25000N/m，彈簧力15N，fPWM=50Hz，占空比τ=0.5，仿真時(shí)間0.02s，初始?xì)庀秾挾?0μm。

圖3 高速開(kāi)關(guān)電磁球閥動(dòng)態(tài)仿真模型

3、仿真結(jié)果及分析

　　高速開(kāi)關(guān)電磁球閥是電、磁、機(jī)、液四者的非線性耦合系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性是指電磁球閥工作過(guò)程中包括線圈電流、銜鐵位移、電磁力和運(yùn)動(dòng)阻力等物理量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，所以其動(dòng)態(tài)變化中有很多影響因素。通過(guò)AMESim仿真主要分析驅(qū)動(dòng)電壓、線圈匝數(shù)、銜鐵質(zhì)量、彈簧預(yù)緊力等對(duì)電磁球閥響應(yīng)特性的影響，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)此類(lèi)閥門(mén)、提高其響應(yīng)能力提供理論依據(jù)。

　　3.1、驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響分析

　　圖4為不同驅(qū)動(dòng)電壓下的電流變化曲線，從圖中可以看出：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí)，線圈電流增大，并且上升越快，這將縮短銜鐵的吸合觸動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，從而提高高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的開(kāi)啟響應(yīng)速度。但電壓過(guò)高，電磁鐵線圈溫升高，會(huì)使其壽命降低。故驅(qū)動(dòng)電壓一定要合適，既要滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)要求，又要保證響應(yīng)速度。由上述分析可知：適度提高驅(qū)動(dòng)電壓可縮短吸合動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，加快高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的開(kāi)啟響應(yīng)。

圖4 不同驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)響應(yīng)特性的影響

　　3.2、線圈匝數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響分析

　　在其他條件相同的情況下，設(shè)置不同線圈匝數(shù)得到電流變化曲線如圖5所示�？梢钥闯觯弘S著線圈匝數(shù)的增加，高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的開(kāi)啟時(shí)間縮短，開(kāi)啟響應(yīng)特性提高。但在設(shè)計(jì)中也不是線圈匝數(shù)越多越好。從圖中可知：匝數(shù)較少時(shí)，電流上升的速度加快;當(dāng)匝數(shù)較多時(shí)，關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)該閥時(shí)，應(yīng)在滿(mǎn)足電磁閥有足夠的工作安匝數(shù)的前提下，選擇一個(gè)合適的數(shù)值。

圖5 不同線圈匝數(shù)對(duì)響應(yīng)特性的影響

　　3.3、銜鐵質(zhì)量對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響分析

　　圖6為不同銜鐵質(zhì)量對(duì)高速開(kāi)關(guān)電磁球閥開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間影響的仿真結(jié)果。可以看出：隨著銜鐵質(zhì)量的增加，球閥的開(kāi)啟速度降低，響應(yīng)時(shí)間增加。因此在設(shè)計(jì)此類(lèi)閥時(shí)，應(yīng)盡量使用密度較小的材料，優(yōu)化球閥結(jié)構(gòu)，減少運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量，提高閥的開(kāi)啟速度，縮短響應(yīng)時(shí)間。但同時(shí)在降低質(zhì)量的同時(shí)也要考慮到銜鐵半徑的影響，銜鐵半徑的變化會(huì)影響銜鐵的質(zhì)量，當(dāng)銜鐵材質(zhì)一定時(shí)，半徑越大，質(zhì)量也越大。

圖6 不同運(yùn)動(dòng)質(zhì)量對(duì)響應(yīng)特性的影響

　　3.4、彈簧預(yù)緊力對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響分析

　　圖7為不同彈簧預(yù)緊力下的電流曲線。可以看出：彈簧預(yù)緊力越大，高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的開(kāi)啟響應(yīng)越慢，而關(guān)閉響應(yīng)越快。為了加速該閥的關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間可適當(dāng)加大預(yù)緊力，但過(guò)大的預(yù)緊力將造成球閥開(kāi)啟過(guò)程的遲緩，過(guò)小的預(yù)緊力可能使得彈簧回力不足而球閥無(wú)法關(guān)閉。因此，彈簧預(yù)緊力要合理地選取，使該閥開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間響應(yīng)之和最小。

圖7 不同彈簧預(yù)緊力對(duì)響應(yīng)特性的影響

4、結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型及利用AMESim仿真，得到相應(yīng)的仿真曲線，對(duì)影響高速開(kāi)關(guān)電磁球閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的主要參數(shù)進(jìn)行了分析，得到了相應(yīng)的變化規(guī)律，為以后優(yōu)化設(shè)計(jì)此類(lèi)閥提供了參考依據(jù)。不過(guò)文中只是針對(duì)電磁球閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，對(duì)其中的幾個(gè)影響因素進(jìn)行了定性的分析與仿真，要完成閥的動(dòng)態(tài)特性?xún)?yōu)化，還需要做進(jìn)一步的研究。