供墨系統中電動閥用超級電容能量源建模

王志文，車 鑫，張文源

（1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州730050；2.蘭州理工大學 溫州研究生分院，浙江溫州325105；3.浙江工正集團有限公司 浙江 溫州325105）

供墨系統中電動閥用超級電容能量源建模

王志文1，2，車 鑫1，張文源3

（1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州730050；2.蘭州理工大學 溫州研究生分院，浙江溫州325105；3.浙江工正集團有限公司 浙江 溫州325105）

噴繪機供墨系統中使用的控制閥主要為電磁閥。但在一些特殊的狀況下，電磁閥的性能很難滿足使用要求。針對這一問題，本文通過采用電動閥替代電磁閥的方法進行解決，而在電動閥的應用中超級電容起到至關重要的作用，它可以在系統意外掉電時幫助電動閥自動復位。本文在分析超級電容結構的基礎上，結合其自身特性建立數學模型，并利用MATLAB/Simulink進行模型仿真研究。仿真結果表明，1 F/5.5 V超級電容在系統意外掉電時能夠維持電動閥正常工作2～3 s左右，完全可以滿足系統的使用要求。

電動閥；控制系統；超級電容；MATLAB/Simulink

現在，越來越多的大型展覽，室外宣傳廣告，為了引人注意，需要制作出大量精美的彩色印刷制品。由于噴繪機噴繪速度快、質量高，且經濟性好，又可應用于多種承印物，所以國內市場噴繪機的需求量越來越大，這就促進了我國噴繪行業的快速發展[1]。

噴繪機的連續可靠運行必須基于噴頭與供墨系統的良好配合[2]。一個完整的供墨系統由主墨盒、墨泵、過濾器、副墨盒、電磁閥與噴頭等組成[3-4]。

供墨系統中的電磁閥主要用來控制墨水與空氣的通斷，目前在噴繪機中使用多為直動式電磁閥。這種閥門直接以電磁能為動力，通電時，線圈產生電磁力使閥芯克服彈簧力上移，閥門打開；斷電時，電磁力消失，閥芯靠彈簧力復位，閥門關閉[5]。

但這種電磁閥要保持工作狀態就必須通電，長時間持續通電就會造成閥體發熱嚴重；而過高的溫度會使墨水的粘稠度下降，從而打破了墨水原有狀態，致使在噴畫過程中出現經常斷線甚至噴出來的畫面虛散等現象[6-7]。為了解決電磁閥使用發熱的問題，本文研究在供墨系統中應用一種電動閥，來替代直動式電磁閥。

1 電動閥的應用

1.1 電動閥的結構與工作原理

文中研究應用的電動閥如圖1所示，其結構可分為上下兩部分，上半部分為電動執行器，即電機作為閥門的驅動裝置；下半部分為閥體，閥體結構采用膜片閥結構。閥門工作時，電機運行帶動偏心輪轉動，閥體中的膜片隨著偏心輪的轉動而上升或下降，通過膜片的升降來實現進水孔與出水孔之間的通斷[8]。

圖1 電動閥剖面結構圖

相比電磁閥，這種電動閥僅在完成全開或全關的過程中處于工作狀態，通電時間短，因此它具有低功耗、小溫升等特點，實際應用中不會出現因發熱而影響供墨系統性能的情況。

1.2 閥門控制系統

文中以STC12C5616AD單片機為電動閥控制電路的核心芯片，采用H橋電路來驅動電動閥電機的運行。

圖2 控制系統總體結構圖

電動閥的控制系統如上圖所示，單片機通過通訊模塊來完成上位機與單片機的總線通訊，實現現場總線式的工業網絡控制；閥門工作時，控制系統通過對電機驅動電路發送相應的指令，驅動閥門電機的運行，進而控制閥門的開/關；系統掉電時，可由掉電檢測電路檢測到，系統利用超級電容中儲存的能量完成電動閥的復位動作[9]。撥碼開關定義閥門的地址碼和復位狀態（常開/常閉）。

超級電容在本系統中發揮著重要的作用，它的性能直接關系到電動閥能否在供墨系統中成功應用。

2 超級電容

超級電容是近年來發展起來的一種新型儲能單元，以其獨特的優點在多個領域內已得到廣泛的應用。相比電化學蓄電池，超級電容的優勢在于內阻小，容量大，使用壽命長，充放電的效率高，可以保持在90%以上，能夠在大電流的情況下有效工作[10-11]。

2.1 超級電容的特征

超級電容可以等效為一個理想電容器C和一個較大阻值的電阻Ri（等效內阻）串聯。

圖3 超級電容等效電路圖

1）功率特性

令充電時的電流和功率為負值；放電時的電流和功率為正值。則超級電容充放電功率

式中 I——充放電電流；

U——電容器電壓；

UR——等效內阻電壓；

Uo——超級電容端電壓。

2）容量特性

超級電容容量C與工作溫度T和工作電流I有關，即

具體數值可以通過超級電容容量定義計算：

假設某時刻超級電容儲存的電量為Q（t），則下一刻儲存的電量

3）工作電壓與荷電狀態

假設某時刻超級電容工作電壓為U（t），下一時刻工作電壓U（t+1），則有

荷電狀態SOC反映了在允許的工作電壓范圍內超級電容儲存電量的程度，其定義如下：

式中

Ur——超級電容工作時的實際電壓；

Umax——超級電容的上限電壓，電容電壓達到此值則停止充電；

Umin——超級電容的下限電壓，電容電壓達到此值則停止放電。

4）等效內阻

超級電容的等效內阻主要由電極內阻、溶液內阻和接觸電阻組成。

它與工作電流和工作溫度有關，即：

具體函數可以通過恒流充電法測得：

式中ΔU——充放電時電容電壓的壓差。

5）效率

超級電容的效率定義為充放電過程放電與充電的能量比：

相應的，定義充電效率和放電效率分別為：

式中，下標c表示充電，下標d表示放電[12-13]。

2.2 數學模型

超級電容效率：

2.3 超級電容的simulink模型與仿真

根據上面的數學模型，以實際應用的超級電容數據建立其MATLAB/Simulink模型。如圖4所示，此模型以充放電功率和溫度為輸入量，電壓、電流和值為輸出量。對該模型進行等功率充放電仿真。假定工作溫度恒定在30℃，超級電容的電壓上限為5 V，電壓下限為2.5 V，電容初始荷電狀態值為0.83。

圖4 超級電容的Simulink仿真模型

圖5 等功率充放電曲線

超級電容放電時，電壓由初始的5 V開始下降，下降到4.5 V以后，系統電壓低于了單片機的工作電壓，超級電容釋放的能量將不再發揮作用，但其放電過程仍會繼續，直至電壓下降到2.5 V左右；充電時，電壓逐漸上升，最終達到5 V左右，整個過程電壓變化近似呈線性關系。由于超級電容是等功率充放電，所以電流的變化規律與電壓相反，如圖7所示，放電時，電流逐漸增大，充電時，電流逐漸減小，整個變化過程，近似呈線性關系。超級電容的值隨著放電下降，隨著充電上升，如圖8所示，放電時由初始的0.83下降到0.25左右，充電時由于超級電容內阻存在阻耗，最終的值只能達到0.8左右，略低于初始值0.83，值的變化規律也近似呈線性關系[14-17]。

圖6 電壓變化曲線

圖7 電流變化曲線

圖8 SOC值變化曲線

3 結 論

超級電容是一種非常具有應用前景的新型能量源，文中對電動閥應用過程中涉及到的超級電容在結構特性上進行了分析與研究，并通過MATLAB/ Simulink建模與仿真，測試了超級電容充放電時的性能，為電動閥在供墨系統中的成功應用提供了技術參數方面的支持。

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Modeling of ultracapacitor energy storage used in motorized valve of ink supply system

WANG Zhi-wen1，2，CHE Xin1，ZHANG Wen-yuan3
（1.Academy of Electrical Engineering and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.Lanzhou University of Technology，Graduate Wenzhou Branch，Wenzhou 325105，China；3.Zhejiang Gongzheng Group Co.Ltd，Wenzhou 325105，China）

The solenoid valve is mainly control valve that it is used in ink supply system of inkjet printer. However，it is difficult to meet requirements for performance of solenoid valves in some special situations.To solve this problem，it replaces the solenoid valve with the motorized valve in this paper，and ultracapacitor is an vital role in the application of motorized valve，it enables motorized valve to reset automatically in case of the occurrence of power loss.Based on the analysis to the structure and features of ultracapacitor，the mathematic model of ultracapacitor is built，and a simulation model is set up by MATLAB/Simulink for a research.Simulation results show that ultracapacitor of 1F/5.5V can maintain the motorized valve work about 2～3 s during power failures，it can fully meet the requirements of the system.

motorized valve；control system；ultracapacitor；MATLAB/Simulink

TN6

：A

：1674－6236（2017）03-0149-04

2016-01-16稿件編號：201601123

王志文（1976—），男，甘肅武威人，博士，教授。研究方向：控制理論與工程。