基于阻容元件的電磁閥快響應技術

鄒 嘉，劉 飛，朱建國，周學鋒

(1.海軍裝備部，陜西 西安 710065；2.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

液體姿軌控發動機一般由推力室和控制閥組成，作為調整飛行器軌道或姿態的動力裝置。控制閥一般采用直動式電磁閥，結構簡單、功能可靠、性能穩定，而控制閥的響應速度直接決定了發動機的啟動加速性和關機減速性[1]，影響飛行器的機動性、靈活性和精確性，因此控制閥的快響應特性[2-4]已成為航天動力裝置的主要技術攻關方向之一。

為了使電磁閥達到快響應目標，除了本身結構設計上采取措施外，還需要一個合理有效的驅動控制回路。在汽車領域，隨著高速噴油電磁閥的發展，各種驅動控制電路應運而生，采用高電壓開啟、低電壓維持的電路應用居多[5]；在航天領域，國外多型動力系統采用驅動電路實現電磁閥快響應技術[6-8]，國內西安航天動力研究所宋會玲[9]等采用具有集成加速開啟、時序控制和加速關閉功能的芯片控制雙繞組高速電磁閥實現高電壓開啟、低電壓維持，響應時間達到3 ms左右。以上驅動控制電路都需要單獨研制復雜的驅動器，研制周期比較長，對于近階段地面研究性使用場景，有必要尋求一種簡單、便捷的快響應電磁閥驅動控制電路。

本文以某直動式電磁閥為研究對象，充分利用電容的充放電功能和電阻的分壓功能，采用電阻和電容元器件組成的簡易控制電路，實現電磁閥高電壓開啟、低電壓維持的快響應工作模式。

1 結構和工作原理

電磁閥的線圈[10]是一個帶鐵芯的線圈，具有一定的電感，因而當線圈加上電壓后，線圈中的電流按近似指數規律上升，上升的速度快慢一般用線圈的電時間常數T=L0/R表征(L0為線圈電感；R為線圈電阻)。為提高響應速度，對電磁線圈結構自身，一方面是提高吸合儲備裕度，減小吸合觸動時間及閥芯運動時間，另一方面是減少線圈匝數，降低電感，提高電流上升速度。因此，對于直動式電磁閥自身采取高儲備吸合裕度(2.2倍)和低電阻(8 Ω)、低電感(0.08 H)線圈設計的快響應技術措施，結構簡圖如圖1所示。

驅動控制電路由串聯在線圈上的電阻、電容并聯組和在電源輸入端并聯的二極管組成，如圖1所示。電源供電啟動時，電容尚未充電，電容兩端電壓為零，相當于將電阻短路，線圈兩端電壓約等于電源電壓(28 V)，電磁閥在高電壓開啟，有利于加快打開速度；一段時間后，電容充電完成，電容兩端電壓達到分配電壓，相當于將電阻接入電路分壓，使線圈工作在低電壓狀態；另外，斷電后，釋放小回路形成的瞬態感應電流又與電容的釋放電能形成的反向電流抵消，消耗了一定能量，更有利于加速線圈電流的釋放效果。

圖1 電磁閥及簡易驅動電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of solenoid valve and simple drive circuit

另外，在電源輸入端并聯二極管，形成釋放小回路，來釋放瞬態反沖電壓，減小反沖電壓對上游電源或電路的干擾和破壞。當電磁閥正常通電時，二極管反向截止，分支中沒有電流通過；當電磁閥關閉，瞬態反沖電壓產生時二級管正向導通，線圈電感與二極管形成連通的回路，能夠將電感上的瞬態反沖電壓減小到很低，甚至接近于0。

2 仿真計算與分析

2.1 原理仿真

IMAGINE公司開發的AMESim系統仿真平臺軟件[11]是一款高級建模和仿真軟件，為流體動力、機械、熱流體和控制系統提供一個完善、優越的仿真環境及靈活的解決方案，提供了豐富的圖形化建模元件應用庫，使工程技術人員可以從繁瑣的數學建模中解放出來，從而專注于物理系統本身的設計和優化[12]。

根據電磁閥及其驅動電路的結構原理建立整體電磁系統的AMESim仿真模型[13-15]，如圖2所示，包括電磁、液壓、機械運動3類子模型。將電磁閥的實際物理參數賦予仿真模型，在未增加驅動電路的情況下，采用電磁閥部分的有載試驗數據(打開4.6 ms，關閉8.7 ms)對模型進行了修正與驗證，仿真結果(打開4.5 ms，關閉8.5 ms)精度達2.3%，精度滿足特性仿真研究需求。

圖2 電磁閥及驅動電路仿真模型Fig.2 Simulation model of solenoid valve and drive circuit

在原理仿真模型中，取串接電阻20 Ω、電容600 μF并聯組，0時刻開始給控制電路接通28 V直流電壓，40 ms時斷電，仿真結果如圖3和圖4所示。啟動時，電容尚未充電，電容兩端電壓為零，相當于將與之并聯的電阻短路，線圈兩端電壓等于電源電壓，電磁閥在28 V高電壓下啟動，有利于加快打開速度，打開約3.4 ms；隨著電磁閥的打開動作，電容開始充電，經過約15 ms電容完成充電，電容兩端電流為零，相當于將與之并聯的電阻斷路，這樣電阻串入線圈回路，達到分壓效果，線圈兩端電壓降低至約8 V，維持電流約1 A，能夠保證閥芯處于可靠吸合狀態；斷電后，閥芯僅在維持電流約1 A條件下釋放，關閉達到2.1 ms，另外，電阻和電容串接在釋放小回路中同樣對加速釋放有較好的效果。

從上述電磁閥及其驅動電路的原理仿真可知，電磁閥部分采用的2.2倍高儲備吸合裕度和8 Ω低電阻、0.08 H低電感線圈設計使得自身具有電磁觸動快的特點，簡易的驅動電路可以使線圈達到高電壓開啟、低電壓維持的效果，實現了電磁閥的快響應技術特點。

2.2 參數選擇分析

對于電磁閥部分設計參數已經確定，主要變化驅動電路部分的電容和電阻參數，比較分析對線圈電流和響應特性的影響。

圖3 仿真線圈電流曲線Fig.3 Simulation curves of valve coil current

圖4 仿真線圈和電容電壓曲線Fig.4 Simulation curves of valve coil and capacitane voltage

2.2.1 電容參數的影響

變化電容值分別為150 μF，600 μF和800 μF，其他參數不變(電阻20 Ω)，仿真對比結果如圖5所示。電阻值不變情況下，隨著電容值的增大，啟動時電磁閥線圈電流上升速度越快，打開響應時間越短，并且啟動電流峰值越大，但是充電時間也越長，趨于低電壓維持的時間也越長。由圖5中150 μF電容值的電流曲線可知，電容值過小，充電能量較弱、充電時間較短，使電阻短路的能力較弱，閥芯還沒動作完成，電阻就串入回路分壓，導致電磁線圈吸合能力變弱，故電容值的大小要根據系統對峰值電流的限制和線圈的吸合能力合理選擇。

另外，對比釋放關閉時間，電容值越大，充電量越大，由于電容將釋放電能與線圈感應電能反方向抵消，消耗能量，線圈電流的釋放越快，閥芯關閉也越快。

圖5 電容值對線圈電流的影響Fig.5 Influence of capacitance value on coil current

2.2.2 電阻參數的影響

將變化電阻值分別為10 Ω，20 Ω和30 Ω，其他參數不變(電容600 μF)，仿真對比結果如圖6所示。電容值不變情況下，隨著電阻值的增大，分壓能力越強，線圈維持電流越低，線圈釋放、閥芯關閉時就越快，而對啟動電流影響很小。正因為電阻的分壓變大，電容兩端電壓也越大，完成充電的時間也略變長。故電阻值的大小要根據設計時的線圈必須維持電流合理選擇，保證低電壓維持階段閥芯處于可靠開啟狀態。

圖6 電阻值對線圈電流的影響Fig.6 Influence of resistance value on coil current

3 試驗驗證與應用

根據圖1所示電磁閥及簡易驅動電路原理圖，采用如圖7所示的產品進行了驗證試驗[16]，電子元器件采用工業級電阻、電容。在入口壓力8 MPa，電壓28 V，流量50 g/s條件下驅動并測試電磁閥打開、關閉電流曲線，結果如圖8所示。試驗結果表明，采用串接電阻和電容并聯組的方式驅動電磁閥，線圈兩端具有“高電壓開啟、低電壓維持”的特點，打開3.8 ms，關閉2.0 ms，達到了快響應技術目標。同時，與圖3仿真結果對比表明，兩者特征和趨勢一致，理論計算與試驗結果吻合度較好。

圖7 電磁閥及電子元器件試驗件Fig.7 Solenoid valve and electron element

圖8 電磁閥及驅動電路驗證電流曲線Fig.8 Verification test coil current of solenoid valve and drive circuit

采用不同的電阻和電容進行比較試驗，試驗結果如表1所示。對比表中結果可以得出如下結論：

1)電阻值主要影響維持電流和關閉響應時間。電阻值越大，分壓能力越強，線圈維持電流越低，線圈釋放、閥芯關閉就越快，而對啟動電流影響很小。但電阻值的選取應保證低電壓維持階段閥芯處于可靠開啟狀態。

2)電容值主要影響啟動時電流上升率和峰值。電容值越大，電容充電能力越強，充電時間越長，啟動時的電流上升快、峰值也就越大，打開響應時間短；另外，電容值越大，電容充電量越大，對關閉時的反向電動勢消除越快，關閉也就越快。

3)串接20 Ω電阻和100 μF電容并聯組時電磁閥打不開，而串接20 Ω電阻和600 μF電容并聯組時電磁閥可靠打開，說明電容值過小時，充電能量較弱、充電時間較短，失去了對電阻的短路作用，電阻過早串入回路分壓，導致電磁線圈吸合能力不夠。

故電阻和電容參數應根據系統要求和電磁閥自身設計參數合理選擇。

表1 不同參數對電流和響應的影響

Tab.1 Influence of variant parameter oncurrent and response

電阻/Ω電容/μF打開/ms關閉/ms電流峰值/A維持電流/A101006.85.21.731.56106003.82.82.611.5620100————206003.82.02.601.02

設計的電磁閥及其簡易驅動電路(線圈串接電阻和電容并聯組)，結構簡易，操作簡便。驅動電路采用的電阻和電容均為工業級電子元器件，花費成本低，技術成果驗證效果好，經驗證可以轉化并推廣至普通電磁閥中。

4 結論

以電磁閥高電壓開啟、低電壓維持的快響應工作模式為需求，充分利用電容的充放電功能和電阻的分壓功能，設計了“電磁閥線圈串接電阻和電容并聯組”的驅動線路，通過仿真和試驗驗證了該技術途徑可以達到高電壓開啟、低電壓維持的效果，實現了設計電磁閥的快響應目標。根據參數對比試驗數據，啟動電流峰值和上升率應通過選擇電容參數來控制，維持電流應通過選擇分壓電阻參數來調整。

設計驗證技術可以轉化并推廣至快響應電磁閥設計中，采用啟動線圈和維持線圈串聯繞制并在維持線圈上并聯電容的方式，實現電磁閥高電壓開啟、低電壓維持的功能。