基于PWM控制的高速開關電磁球閥動態特性仿真分析

林義忠，曾德樂，馮喆

(廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004)

高速開關電磁閥是一種數字式電液轉換控制元件，常采用脈寬調制(Pulse width modulation，PWM)控制方式，直接根據一系列脈沖電信號進行開關動作。它與伺服閥、比例閥相比具有價格低廉、抗污染能力強、可與計算機及PLC 直接接口等特點。國內外一些單位和科研機構紛紛開展了對高速開關電磁閥的研究工作，開發出多種結構和形式的電磁閥，已經廣泛應用于工程機械、汽車制造等電液控制領域［1－3］。目前此類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，所以對其動態性能的研究就顯得尤為重要。以高速開關電磁球閥為研究對象，通過分析此閥的結構與工作原理，建立了數學模型，利用AMESim 仿真了相應的動態響應特性，并分析了驅動電壓、線圈匝數、銜鐵質量以及彈簧預緊力等對高速開關電磁球閥的影響，得到各參數對其動態響應特性的影響關系，從而為改善其動態響應特性提供了依據。

1 高速開關電磁球閥的結構及工作原理

以QDF 二位三通常閉式高速開關電磁球閥為研究對象，具體結構簡圖如圖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，高速開關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內調節開啟時間的寬度tp與脈沖周期T 的比值即脈寬占空比τ 的大小來控制閥門的通斷時間，從而實現流量的調節，其工作狀態只有“全開”、“全關”2 種。

圖1 高速開關電磁球閥結構簡圖

脈寬調制式高速開關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出相應的脈沖信號，經過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關閥，然后通過控制高頻電磁鐵所產生的吸力，利用杠桿機構使得球閥閥芯高速正反向運動，從而實現液流在閥口處的通斷功能。

圖2 高速開關閥在PWM 控制下的工作原理框圖

當電磁鐵5 通電時，線圈電流不能立即躍變為穩態值，而是由零開始逐漸上升，電磁鐵吸力也表現為一漸升過程:在起始狀態，吸力小于阻力，閥芯處于靜止;當電流上升到某一臨界值時，吸力與阻力相等，鋼球開始運動;當開關閥完全開啟時，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，由于電感作用，電磁鐵吸力表現為一個漸降過程:在起始狀態，吸力大于阻力，閥芯處于靜止;當磁通下降到某一臨界值時，吸力與阻力相等，閥芯開始關閉;當開關閥完全關閉時，球芯位移X 取最小值0，使T 口和A 口相通，P口封閉。

2 高速開關電磁球閥的數學模型

2.1 高速開關電磁球閥的電磁模型

電磁模型中的電壓方程

其中:Rc為線圈電阻;L 為線圈電感。

根據麥克斯韋電磁吸力公式［4］，在匝數為N 的控制線圈內通以控制電流i 時，磁路內即產生磁通。銜鐵受到的軸向電磁吸力F 為

根據磁路基爾霍夫定律，可得出磁路計算模型，即

式中:N 為線圈匝數;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 高速開關電磁球閥的動力學模型

通過對閥球串的受力分析可以得知，閥球串在閥開啟的過程中所受的作用力有:因閥芯加速運動而產生的質量慣性力;推桿運動引起的黏性阻尼力;流體動量變化產生的穩態液動力和瞬態液動力;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力平衡方程為:

2.3 基于AMESim 的高速開關電磁球閥的動態仿真模型

根據高速開關電磁球閥的電磁模型、動力學模型及其結構簡圖，采用AMESim 中的電磁庫(EM)和液壓庫(HCD)等相關模塊建立電磁高速開關球閥的動態仿真模型，如圖3所示［5］。利用一個PWM 信號去控制開關的通斷，從而控制球閥的通斷。設置仿真主要參數為:供油壓力2 MPa，彈簧剛度25 000 N/m，彈簧力15 N，fPWM=50 Hz，占空比τ =0.5，仿真時間0.02 s，初始氣隙寬度60 μm。

圖3 高速開關電磁球閥動態仿真模型

3 仿真結果及分析

高速開關電磁球閥是電、磁、機、液四者的非線性耦合系統［6］，其動態特性是指電磁球閥工作過程中包括線圈電流、銜鐵位移、電磁力和運動阻力等物理量的動態響應過程，所以其動態變化中有很多影響因素。通過AMESim 仿真主要分析驅動電壓、線圈匝數、銜鐵質量、彈簧預緊力等對電磁球閥響應特性的影響，從而為優化設計此類閥門、提高其響應能力提供理論依據。

3.1 驅動電壓對動態響應特性的影響分析

圖4 為不同驅動電壓下的電流變化曲線，從圖中可以看出:當驅動電壓增大時，線圈電流增大，并且上升越快，這將縮短銜鐵的吸合觸動響應時間，從而提高高速開關電磁球閥的開啟響應速度。但電壓過高，電磁鐵線圈溫升高，會使其壽命降低。故驅動電壓一定要合適，既要滿足驅動要求，又要保證響應速度［7］。由上述分析可知:適度提高驅動電壓可縮短吸合動態響應時間，加快高速開關電磁球閥的開啟響應。

圖4 不同驅動電壓對響應特性的影響

3.2 線圈匝數對動態響應特性的影響分析

在其他條件相同的情況下，設置不同線圈匝數得到電流變化曲線如圖5所示。可以看出:隨著線圈匝數的增加，高速開關電磁球閥的開啟時間縮短，開啟響應特性提高。但在設計中也不是線圈匝數越多越好。從圖中可知:匝數較少時，電流上升的速度加快;當匝數較多時，關閉時間延長。因此，在實際設計該閥時，應在滿足電磁閥有足夠的工作安匝數的前提下，選擇一個合適的數值。

圖5 不同線圈匝數對響應特性的影響

3.3 銜鐵質量對動態響應特性的影響分析

圖6 為不同銜鐵質量對高速開關電磁球閥開啟響應時間影響的仿真結果。可以看出:隨著銜鐵質量的增加，球閥的開啟速度降低，響應時間增加。因此在設計此類閥時，應盡量使用密度較小的材料，優化球閥結構，減少運動件質量，提高閥的開啟速度，縮短響應時間。但同時在降低質量的同時也要考慮到銜鐵半徑的影響［8］，銜鐵半徑的變化會影響銜鐵的質量，當銜鐵材質一定時，半徑越大，質量也越大。

圖6 不同運動質量對響應特性的影響

3.4 彈簧預緊力對動態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。可以看出:彈簧預緊力越大，高速開關電磁球閥的開啟響應越慢，而關閉響應越快。為了加速該閥的關閉響應時間可適當加大預緊力，但過大的預緊力將造成球閥開啟過程的遲緩，過小的預緊力可能使得彈簧回力不足而球閥無法關閉［9］。因此，彈簧預緊力要合理地選取，使該閥開啟和關閉的時間響應之和最小。

圖7 不同彈簧預緊力對響應特性的影響

4 結束語

通過建立數學模型及利用AMESim 仿真，得到相應的仿真曲線，對影響高速開關電磁球閥動態響應性能的主要參數進行了分析，得到了相應的變化規律，為以后優化設計此類閥提供了參考依據。不過文中只是針對電磁球閥的動態響應特性，對其中的幾個影響因素進行了定性的分析與仿真，要完成閥的動態特性優化，還需要做進一步的研究。

【1】杜巧連，陳旭輝，吳文山，等.PWM 高速開關閥的特性分析與應用研究［J］.液壓氣動與密封，2002(3):10－11.

【2】WANG Qilei，YANG Fengyu，YANG Qian，et al.Experimental Analysis of New High-speed Powerful Digital Solenoid Valves［J］.Energy Conversion and Management，2011，52(5):2309－2313.

【3】OUYANG Xiaoping，YANG Huayong，JIANG Haoyi.Simulation of the Piezoelectric High-speed On/Off Valve［J］.Chinese Science Bulletin，2008，53(17):2706－2711.

【4】曹云東.電器學原理［M］.北京:機械工業出版社，2012.

【5】席建敏，何忠波.基于AMESim 的超磁致伸縮高速響應電磁開關閥仿真［J］.機械工程師，2010(12):55－58.

【6】張廷羽，張國賢.高速開關電磁閥的性能分析及優化研究［J］.機床與液壓，2006(9):139－142.

【7】汪志剛，張敬國，陳勤學.電控柴油機用高速電磁閥的仿真研究［J］.機電設備，2003(4):22－26.

【8】王文堂，張春梅，張強.基于Simulink 的EVA 用高速強力電磁閥的仿真研究［J］.拖拉機與農用運輸車，2009，36(2):43－45.

【9】戴佳，黃敏超，余勇，等.電磁閥動態響應特性仿真研究［J］.火箭推進，2007，33(1):40－48.