高速開關電磁閥閥芯動態模型設計及研究

郝江脈

摘要：為了實現當前對汽車制動系統中對制動力控制的線性要求，詳細研究了制動系統中核心控制部件電磁閥的結構，通過對電磁閥中重要部件閥芯的受力分析，細致分析了電磁閥閥芯的運動特性，從應用層面上給出了閥芯運動的數學模型，并針對閥芯的運動過程建立了基于實際運動的物理狀態模型，建立新的動態數學模型并進行仿真。根據仿真結果對電磁閥進行實際的流量控制試驗，驗證得出建立的數學模型具有實際應用指導效果，并得出了電磁閥實際的運動特性與仿真模型一致的結論。

關鍵詞：電磁閥;閥芯;動態模型;仿真;試驗

0? 引言

電磁閥廣泛應用在汽車電子制動系統中。例如常見的電子制動控制系統、ABS（制動防抱死系統）、ESC（車身穩定控制系統）。在集成式制動系統，例如大陸的MKC1、博世的IPB。電磁閥的性能及特性一直都是關鍵研究對象，而電磁閥中的閥芯的運動特性直接影響著電磁閥的運動特性，從而影響整個制動系統對制動液的控制，進而影響了整車制動特性。

針對整車制動力的特性控制，其核心在于對電磁閥閥芯運動特性的控制，文獻[1]對閥芯分析建立在靜態方程中，在各個平衡狀態分析了閥口開度與閥芯位移的關系。文獻[2-4]中對電磁閥采用了常規非限位的運動學方程。本文對電磁閥閥芯受力及工作環境進行分析建立了閥芯工作過程中受到限位的運動物理模型，同時建立了數學模型，利用仿真軟件對閥芯運動進行了數學模型的建立并進行仿真分析，后再根據仿真特性進行流量特性驗證，并得出該種模型的正確性。

1? 高速開關電磁閥結構及閥芯工作原理

高速開關電磁閥機構如文獻[1]圖1所示，其中8所示的閥芯的位移決定了閥口開啟關閉，以及閥口開度的大小。當線圈5通電后，動鐵7與閥體9磁化，吸合帶動閥芯8下移將閥座11上的油孔閉合實現關閉。常規狀態下閥芯8由彈簧10頂起，由隔磁管7限位，此時電磁閥處于開啟狀態。電磁閥通過線圈的通電與斷電對液路實現閉合與開啟的2種狀態。

5? 仿真模型建立

電磁吸力的控制因素主要為線圈的輸入電流，在常規汽車供電系統電壓為12V，高速電磁閥的控制主要采用PWM對輸入電壓控制來控制閥芯的開閉。壓力差的大小決定了流體力Fh的大小。聯合不同狀態下的動力學方程（2）（3）（4），建立如圖3閥芯的動力學圖框，圖中假設K1與K2相等，C1與C2相等，閥芯初始限位距離H=0.3。

對整個進液閥模型進行封裝，如圖4所示。

5.1 仿真模型控制

假設閥口輸入壓力恒定為10Mpa，閥口輸出壓力恒定為5Mpa，即電磁閥進出口壓力差為5Mpa狀態下。改變對線圈電壓脈沖控制信號，在觀察該模型下的閥芯位移的響應狀態：①Z=50%，f=10Hz狀態下閥芯位移與脈沖跟隨狀態如圖5。②Z=50%，f=100Hz狀態下閥芯位移與脈沖跟隨狀態如圖6。③Z=50%，f=500Hz狀態下閥芯位移與脈沖跟隨狀態如圖7。

圖5、圖6、圖7縱坐標表示動鐵的位移距離，橫坐標為時長。從仿真結果來看，對比圖5、圖6、圖7，在相同占空比50%情況下，采用不同頻率，閥芯的位移狀態會出現明顯不同，閥芯的運動范圍由初始限位距離決定。在低頻率脈沖f=10Hz狀態下，閥芯位移Xm與控制信號有良好的跟隨性，閥芯位移Xm會在上下限位區間進行來回震動。在控制信號頻率為f=100Hz狀態下，閥芯下移到最大位移后，閥芯無法跟隨控制信號復位到最大開啟位置處后就隨著控制信號閉合。在脈沖為f=1000Hz狀態下，電磁閥閥芯處于震動狀態，并以該種狀態不斷向最大位移處移動，直到最大位處，會跟隨控制信號進行微弱的位移運動。

5.2 仿真結論

經過仿真可以看出，電磁力控制信號在相同的占空比情況下，采用不同的頻率會對電磁閥閥芯的運動位移產生影響：越低的頻率會導致閥芯運動到最大限位處復位性越強;越高的頻率會導致閥芯運動到最大限位處復位性越弱。即影響了閥口的開度大小。

6? 試驗驗證

閥口開度會影響單位時間流過的液體體積進而影響流量特性那么根據該特性，在實際的液壓控制上采用不同頻率的控制信號應當會對液體流量產生不同的影響。故此設計實際試驗模型用于進行實際電磁閥的液壓試驗。

6.1 試驗驗證模型

試驗設備的結構框圖設計如圖8所示。

恒流泵從儲液箱中泵送恒定流量的液體通過電磁閥，在恒流泵與電磁閥之間安裝有流量計用于采集流量，電磁閥由控制器來控制電磁閥上電磁吸力的頻率。泵送的液體通過電磁閥后返回儲液箱。

6.2 流量試驗

試驗采用在同一占空比狀態下，不斷改變電磁閥的控制頻率實現對閥口開度的控制。恒流泵在與閥連接后泵送的恒定流量140ml/min。控制器對電磁吸力采用定占空比方波變頻率控制，從100Hz開始進行150Hz/s遞增變化。同時觀測流量計的流量變化曲線。如圖9所示。

根據圖9數據顯示，在低頻率情況下，電磁閥開度大，對液體阻礙效果小，當頻率也來越高，電磁閥開口開度越來越小，直到完全關閉形成閉合效果。該結論證明建立改進后的數學模型及仿真結果可以適用于實際控制需求。

7? 結束語

本文針對電磁閥閥芯運動特性做了分析，建立對應的改進結構的物理模型和數學模型，建立了仿真模型，在模型中通過對輸入的信號的頻率改變來控制閥芯的運動狀態，通過仿真結果得出改進數學模型的理論基礎，并通過電磁閥實際流量控制驗證了模型的正確性。對高速開關閥的基本運動特性及在制動系統中的應用具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]孔祥東.高速開關電磁閥力控系統線性增壓控制研究[J].機械工程學報，2014（22）：192-199.

[2]石蕾.ESC中線性電磁閥的動態特性研究及參數優化[D].秦皇島：燕山大學，2013：12-13.

[3]楊玉濤，張小棟.高速電磁閥模型建立及響應特性研究[J]. 測控技術，2008（6）：86-89.

[4]戴佳.電磁閥動態響應特性仿真研究[J].火箭推進，2007（1）：43.