基于脈寬調(diào)制的電磁離合器結(jié)合強(qiáng)度控制研究

杜迎慧　張凱娟

摘 要 發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系是剛性連接的，所以電磁離合器的結(jié)合強(qiáng)度控制尤為重要。本文分析了電磁離合器轉(zhuǎn)矩傳遞特性及壓緊力的控制特性，并結(jié)合脈寬調(diào)制技術(shù)，設(shè)計(jì)出電磁離合器結(jié)合強(qiáng)度控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 電磁離合器 PWM 結(jié)合強(qiáng)度

隨著機(jī)電產(chǎn)品的飛速發(fā)展，電磁離合器在工業(yè)產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用，常用于各種機(jī)械的起動(dòng)、停止、變速和定位裝置中。應(yīng)用中，若電磁離合器結(jié)合強(qiáng)度過強(qiáng)，結(jié)合時(shí)間短暫，則引起主從動(dòng)部分的沖擊；過弱，結(jié)合時(shí)間過長，則實(shí)現(xiàn)不了目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的有效傳遞。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，許多單片機(jī)內(nèi)部集成了PWM模塊，簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)，占空比可在0～100%范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，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(zhuǎn)矩傳遞特性

1、轉(zhuǎn)矩特性

電磁離合器傳遞轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：T=%eRmF（m-1）

%e—摩擦系數(shù)；

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(shù)。

在離合器的結(jié)構(gòu)尺寸決定之后，力就只與摩擦面上的正壓力有關(guān)。這個(gè)正壓力就是線圈通電勵(lì)磁后對(duì)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(nèi)外磁極的平均截面積；—有效磁感應(yīng)強(qiáng)度；；I—線圈電流；W—線圈匝數(shù)； %l—漏磁數(shù)，可按外徑和摩擦片數(shù)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(zhuǎn)矩公式，得出：

在離合器的結(jié)構(gòu)尺寸及摩擦片材料決定后，上式可簡化為：

，為常數(shù)，

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

二、 PWM基本原理

從本質(zhì)上而言，PWM實(shí)現(xiàn)的是開關(guān)控制。通過控制直流電源的開關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的實(shí)際電壓值，實(shí)現(xiàn)特定的電壓調(diào)整。如圖1所示，設(shè)脈沖信號(hào)的周期為T，一個(gè)周期內(nèi)高、低電平的持續(xù)時(shí)間分別為t1和t2，則占空比D=t1/T。在PWM控制系統(tǒng)中，通過占空比D的調(diào)整來改變負(fù)載兩端的平均電壓大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等參數(shù)的控制。

三、電磁離合器的控制電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)Buck PWM降壓變換器作為電磁離合器的結(jié)合強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)電路，其原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

將電磁離合器的勵(lì)磁線圈等效為R0-L0串聯(lián)，該電路主要由功率開關(guān)器件IGBT，儲(chǔ)能電感L，濾波電容C，續(xù)流二極管DIODE以及勵(lì)磁線圈等效部分R0-L0組成。開關(guān)管IGBT綜合了GTR（電力晶體管）和MOSFET（電力場效應(yīng)管）的優(yōu)點(diǎn)，因而具有低導(dǎo)通壓降和高輸入阻抗的綜合優(yōu)點(diǎn)。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(shí)，為了提高導(dǎo)磁性能和減少剩磁影響，磁軛和銜鐵可用電工純鐵或08號(hào)或10號(hào)低碳鋼制成。

開關(guān)管IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷由PWM控制器控制。當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)，開關(guān)管IGBT導(dǎo)通，二極管關(guān)斷，輸入端直流電源U將功率傳送到負(fù)載，并使電感儲(chǔ)能（電感電流上升）；當(dāng)PWM信號(hào)為低電平時(shí)，開關(guān)管IGBT關(guān)斷，二極管導(dǎo)通續(xù)流，電感上儲(chǔ)存的能量向負(fù)載釋放（電感電流下降）。PWM信號(hào)的周期為T，一個(gè)周期內(nèi)高、低電平的持續(xù)時(shí)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(tǒng)中，通過占空比D的調(diào)整來改變負(fù)載兩端的平均電壓U0大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。本電路在進(jìn)行控制時(shí)，通過脈沖寬度調(diào)制改變輸入到電磁離合器線圈的電信號(hào)“占空比”來實(shí)現(xiàn)控制電流的大小。占空比越大，通過電磁離合器線圈的勵(lì)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(zhuǎn)矩就越大。

四、結(jié)束語

在分析電磁離合器的傳遞轉(zhuǎn)矩特性的同時(shí)，結(jié)合脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），提出采用PWM模塊控制電磁離合器的勵(lì)磁電流變化，從而控制電磁離合器的結(jié)合強(qiáng)度。PWM驅(qū)動(dòng)電路線路簡單、快速性好、線性度好、效率高，克服了傳統(tǒng)電磁離合器控制電路復(fù)雜、高消耗的缺點(diǎn)。

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（作者單位：新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）