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)電磁球閥的結構及工作原理，建立其動(dòng)態(tài)響應的數學(xué)模型，運用AMESim仿真軟件將所建的數學(xué)模型聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，分析驅動(dòng)電壓、線(xiàn)圈匝數、銜鐵質(zhì)量以及彈簧預緊力等參數對此閥動(dòng)態(tài)響應特性的影響，得到一些定性的結論，為高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的后續優(yōu)化研究提供了參考。
高速開(kāi)關(guān)電磁閥是一種數字式電液轉換控制元件，常采用脈寬調制(Pulsewidthmodulation，PWM)控制方式，直接根據一系列脈沖電信號進(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、可與計算機及PLC直接接口等特點(diǎn)。國內外一些單位和科研機構紛紛開(kāi)展了對高速開(kāi)關(guān)電磁閥的研究工作，開(kāi)發(fā)出多種結構和形式的電磁閥，已經(jīng)廣泛應用于工程機械、汽車(chē)制造等電液控制領(lǐng)域。目前此類(lèi)閥在工程應用方面較多，但是深入的理論分析與建模研究較少，所以對其動(dòng)態(tài)性能的研究就顯得尤為重要。以高速開(kāi)關(guān)電磁球閥為研究對象，通過(guò)分析此閥的結構與工作原理，建立了數學(xué)模型，利用AMESim仿真了相應的動(dòng)態(tài)響應特性，并分析了驅動(dòng)電壓、線(xiàn)圈匝數、銜鐵質(zhì)量以及彈簧預緊力等對高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的影響，得到各參數對其動(dòng)態(tài)響應特性的影響關(guān)系，從而為改善其動(dòng)態(tài)響應特性提供了依據。
1、高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的結構及工作原理
以QDF二位三通常閉式高速開(kāi)關(guān)電磁球閥為研究對象，具體結構簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要由高頻電磁鐵、杠桿機構和球閥三部分構成。
在電液控制系統中，高速開(kāi)關(guān)電磁球閥常采用脈寬調制控制。所謂脈寬調制就是在一定的脈沖周期T內調節開(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)現流量的調節，其工作狀態(tài)只有“全開(kāi)”、“全關(guān)”2種。
圖1 高速開(kāi)關(guān)電磁球閥結構簡(jiǎn)圖
脈寬調制式高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的控制信號是一系列幅值相等、而在每一周期內寬度不同的脈沖信號。
其控制系統的工作原理框圖如圖2所示。首先計算機根據控制要求發(fā)出相應的脈沖信號，經(jīng)過(guò)脈寬調制器和功率放大器，將脈沖信號調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，利用杠桿機構使得球閥閥芯高速正反向運動(dòng)，從而實(shí)現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
當電磁鐵5通電時(shí)，線(xiàn)圈電流不能立即躍變?yōu)榉�態(tài)值，而是由零開(kāi)始逐漸上升，電磁鐵吸力也表現為一漸升過(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)始運動(dòng);當開(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，系統工作。當電磁鐵失電時(shí)，由于電感作用，電磁鐵吸力表現為一個(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(xiàn)圈電阻;L為線(xiàn)圈電感。
根據麥克斯韋電磁吸力公式，在匝數為N的控制線(xiàn)圈內通以控制電流i時(shí)，磁路內即產(chǎn)生磁通。銜鐵受到的軸向電磁吸力F為
(2)根據磁路基爾霍夫定律，可得出磁路計算模型，即
(3)式中：N為線(xiàn)圈匝數;Φ為磁路磁通;A為電磁作用面積;μ0為空氣磁導率;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：因閥芯加速運動(dòng)而產(chǎn)生的質(zhì)量慣性力;推桿運動(dòng)引起的黏性阻尼力;流體動(dòng)量變化產(chǎn)生的穩態(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;
為閥球串加速運動(dòng)而產(chǎn)生的質(zhì)量慣性力;C為黏性阻尼系數;
為黏性阻尼力;Fk為球閥所受彈簧力;F液為液壓力;Fs為穩態(tài)液動(dòng)力;Ft為瞬態(tài)液動(dòng)力。
2.3、基于A(yíng)MESim的高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的動(dòng)態(tài)仿真模型
根據高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的電磁模型、動(dòng)力學(xué)模型及其結構簡(jiǎn)圖，采用AMESim中的電磁庫(EM)和液壓庫(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信號去控制開(kāi)關(guān)的通斷，從而控制球閥的通斷。設置仿真主要參數為：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，初始氣隙寬度60μm。
圖3 高速開(kāi)關(guān)電磁球閥動(dòng)態(tài)仿真模型
3、仿真結果及分析
高速開(kāi)關(guān)電磁球閥是電、磁、機、液四者的非線(xiàn)性耦合系統，其動(dòng)態(tài)特性是指電磁球閥工作過(guò)程中包括線(xiàn)圈電流、銜鐵位移、電磁力和運動(dòng)阻力等物理量的動(dòng)態(tài)響應過(guò)程，所以其動(dòng)態(tài)變化中有很多影響因素。通過(guò)AMESim仿真主要分析驅動(dòng)電壓、線(xiàn)圈匝數、銜鐵質(zhì)量、彈簧預緊力等對電磁球閥響應特性的影響，從而為優(yōu)化設計此類(lèi)閥門(mén)、提高其響應能力提供理論依據。
3.1、驅動(dòng)電壓對動(dòng)態(tài)響應特性的影響分析
圖4為不同驅動(dòng)電壓下的電流變化曲線(xiàn)，從圖中可以看出：當驅動(dòng)電壓增大時(shí)，線(xiàn)圈電流增大，并且上升越快，這將縮短銜鐵的吸合觸動(dòng)響應時(shí)間，從而提高高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的開(kāi)啟響應速度。但電壓過(guò)高，電磁鐵線(xiàn)圈溫升高，會(huì )使其壽命降低。故驅動(dòng)電壓一定要合適，既要滿(mǎn)足驅動(dòng)要求，又要保證響應速度。由上述分析可知：適度提高驅動(dòng)電壓可縮短吸合動(dòng)態(tài)響應時(shí)間，加快高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的開(kāi)啟響應。
圖4 不同驅動(dòng)電壓對響應特性的影響
3.2、線(xiàn)圈匝數對動(dòng)態(tài)響應特性的影響分析
在其他條件相同的情況下，設置不同線(xiàn)圈匝數得到電流變化曲線(xiàn)如圖5所示�？梢钥闯觯弘S著(zhù)線(xiàn)圈匝數的增加，高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的開(kāi)啟時(shí)間縮短，開(kāi)啟響應特性提高。但在設計中也不是線(xiàn)圈匝數越多越好。從圖中可知：匝數較少時(shí)，電流上升的速度加快;當匝數較多時(shí)，關(guān)閉時(shí)間延長(cháng)。因此，在實(shí)際設計該閥時(shí)，應在滿(mǎn)足電磁閥有足夠的工作安匝數的前提下，選擇一個(gè)合適的數值。
圖5 不同線(xiàn)圈匝數對響應特性的影響
3.3、銜鐵質(zhì)量對動(dòng)態(tài)響應特性的影響分析
圖6為不同銜鐵質(zhì)量對高速開(kāi)關(guān)電磁球閥開(kāi)啟響應時(shí)間影響的仿真結果�？梢钥闯觯弘S著(zhù)銜鐵質(zhì)量的增加，球閥的開(kāi)啟速度降低，響應時(shí)間增加。因此在設計此類(lèi)閥時(shí)，應盡量使用密度較小的材料，優(yōu)化球閥結構，減少運動(dòng)件質(zhì)量，提高閥的開(kāi)啟速度，縮短響應時(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，當銜鐵材質(zhì)一定時(shí)，半徑越大，質(zhì)量也越大。
圖6 不同運動(dòng)質(zhì)量對響應特性的影響
3.4、彈簧預緊力對動(dòng)態(tài)響應特性的影響分析
圖7為不同彈簧預緊力下的電流曲線(xiàn)�？梢钥闯觯簭椈深A緊力越大，高速開(kāi)關(guān)電磁球閥的開(kāi)啟響應越慢，而關(guān)閉響應越快。為了加速該閥的關(guān)閉響應時(shí)間可適當加大預緊力，但過(guò)大的預緊力將造成球閥開(kāi)啟過(guò)程的遲緩，過(guò)小的預緊力可能使得彈簧回力不足而球閥無(wú)法關(guān)閉。因此，彈簧預緊力要合理地選取，使該閥開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間響應之和最小。
圖7 不同彈簧預緊力對響應特性的影響
4、結束語(yǔ)
通過(guò)建立數學(xué)模型及利用AMESim仿真，得到相應的仿真曲線(xiàn)，對影響高速開(kāi)關(guān)電磁球閥動(dòng)態(tài)響應性能的主要參數進(jìn)行了分析，得到了相應的變化規律，為以后優(yōu)化設計此類(lèi)閥提供了參考依據。不過(guò)文中只是針對電磁球閥的動(dòng)態(tài)響應特性，對其中的幾個(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。
