基于脈寬調制的電磁離合器結合強度控制研究

杜迎慧　張凱娟

摘 要 發動機和傳動系是剛性連接的，所以電磁離合器的結合強度控制尤為重要。本文分析了電磁離合器轉矩傳遞特性及壓緊力的控制特性，并結合脈寬調制技術，設計出電磁離合器結合強度控制系統。

關鍵詞 電磁離合器 PWM 結合強度

隨著機電產品的飛速發展，電磁離合器在工業產品中得到了廣泛的應用，常用于各種機械的起動、停止、變速和定位裝置中。應用中，若電磁離合器結合強度過強，結合時間短暫，則引起主從動部分的沖擊；過弱，結合時間過長，則實現不了目標轉矩的有效傳遞。隨著計算機技術和微電子技術的發展，許多單片機內部集成了PWM模塊，簡化了外圍電路的設計，占空比可在0～100%范圍內連續可調，可以滿足電磁離合器接合速度和精度方面的要求。

一、電磁離合器轉矩傳遞特性

1、轉矩特性

電磁離合器傳遞轉矩表達式為：T=%eRmF（m-1）

%e—摩擦系數；

Rm—摩擦面有效半徑；

F—離合器的壓緊力也就是電磁吸力；m—摩擦片數。

在離合器的結構尺寸決定之后，力就只與摩擦面上的正壓力有關。這個正壓力就是線圈通電勵磁后對銜鐵的電磁吸力。

2、離合器的壓緊力F控制特性

離合器的壓緊力（電磁吸力）：

—內外磁極的平均截面積；—有效磁感應強度；；I—線圈電流；W—線圈匝數； %l—漏磁數，可按外徑和摩擦片數查得；—銜吸合后摩擦片間存在的間隙

于是離合器的壓緊力（電磁吸力）：

將上式代入電磁離合器傳遞轉矩公式，得出：

在離合器的結構尺寸及摩擦片材料決定后，上式可簡化為：

，為常數，

式中勵磁電流I為可控參數，離合器可傳遞的轉矩T與I2成正比，故可以通過控制勵磁電流I的變化來控制離合器傳遞的轉矩T。

二、 PWM基本原理

從本質上而言，PWM實現的是開關控制。通過控制直流電源的開關頻率，改變負載兩端的實際電壓值，實現特定的電壓調整。如圖1所示，設脈沖信號的周期為T，一個周期內高、低電平的持續時間分別為t1和t2，則占空比D=t1/T。在PWM控制系統中，通過占空比D的調整來改變負載兩端的平均電壓大小，進而實現轉速、壓力、溫度等參數的控制。

三、電磁離合器的控制電路設計

設計Buck PWM降壓變換器作為電磁離合器的結合強度驅動電路，其原理結構圖如圖2所示。

將電磁離合器的勵磁線圈等效為R0-L0串聯，該電路主要由功率開關器件IGBT，儲能電感L，濾波電容C，續流二極管DIODE以及勵磁線圈等效部分R0-L0組成。開關管IGBT綜合了GTR（電力晶體管）和MOSFET（電力場效應管）的優點，因而具有低導通壓降和高輸入阻抗的綜合優點。由于電磁離合器電磁線圈的電源為DC24V，所以可以將電磁線圈上并一只耐壓值在24V以上100%eF左右的電容器即可解決剩磁問題。同時，為了提高導磁性能和減少剩磁影響，磁軛和銜鐵可用電工純鐵或08號或10號低碳鋼制成。

開關管IGBT的導通與關斷由PWM控制器控制。當PWM信號為高電平時，開關管IGBT導通，二極管關斷，輸入端直流電源U將功率傳送到負載，并使電感儲能（電感電流上升）；當PWM信號為低電平時，開關管IGBT關斷，二極管導通續流，電感上儲存的能量向負載釋放（電感電流下降）。PWM信號的周期為T，一個周期內高、低電平的持續時間分別為t1和t2，則占空比D=t1/T，則U0=U·t1/T。在PWM控制系統中，通過占空比D的調整來改變負載兩端的平均電壓U0大小，實現對電流的控制。本電路在進行控制時，通過脈沖寬度調制改變輸入到電磁離合器線圈的電信號“占空比”來實現控制電流的大小。占空比越大，通過電磁離合器線圈的勵磁電流越大，銜鐵所受到的電磁吸引力就越大，電磁離合器傳遞轉矩就越大。

四、結束語

在分析電磁離合器的傳遞轉矩特性的同時，結合脈寬調制技術（PWM），提出采用PWM模塊控制電磁離合器的勵磁電流變化，從而控制電磁離合器的結合強度。PWM驅動電路線路簡單、快速性好、線性度好、效率高，克服了傳統電磁離合器控制電路復雜、高消耗的缺點。

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（作者單位：新鄉職業技術學院）