平板型高速開關閥控制特性研究

吳會剛，徐龍，韋文術

(北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101300)

0 前言

高速開關電磁閥通常由高速電磁鐵及控制閥兩部分組成，具有動作響應速度快、抗污染能力強等特征，在汽車行業及流體控制元部件領域有著廣泛應用。汽車行業內，高速開關閥作為先導控制元件，廣泛應用于ESC、ABS、AT變速箱及燃油噴射等場合。在液壓元件領域，基于高速開關閥橋路的開關/比例型換向閥以及高速開關閥配流型數字泵等產品已成功投入應用，高速開關閥成為數字液壓元件方向的研究熱點之一。

高速開關閥的研究集中在新材料、新構型、驅動控制策略、緊湊化設計方法、電磁鐵及控制閥參數優化、系統應用等方面。LANTELA等[1]通過仿真及試驗方法研究了線圈參數及12L14、Stavax與Somaloy等不同磁性材料對高速開關閥響應特性的影響效果。俞軍濤等[2]提出了壓電晶體驅動的高速開關閥，開啟時間達到1.15 ms，關閉時間達到0.85 ms。為提升高速開關閥響應速度，鐘麒等人[3-4]提出了多電壓復合驅動方法以及供油壓力自適應控制策略，取得良好的效果。PALONIITTY和LINJAMA[5]設計了可適應水介質的微型高速開關閥，并對樣機啟閉響應特性進行了測試。任好玲等[6]研究了不同結構參數對常閉式高速開關閥啟閉響應特性的影響。KALAIARASSAN和KRISHNAMURTHY[7]以4位及5位數字流量控制單元(Data Flow Control Unit，DFCU)作為控制元件，提出控制策略，研究了單關節動臂的位置控制精度。謝勝龍等[8]以響應時間為2 ms的兩位三通高速開關氣壓閥為控制元件，研究了氣動人工肌肉的氣壓及軌跡跟蹤控制效果。

現有電磁鐵驅動型高速開關閥的產品中，無論是采用單電壓、雙電壓抑或是多電壓復合驅動控制方法，其勵磁線圈普遍采用了少匝數、小電阻、大電流方案，以提高電流上升速度，縮短開關閥觸動時間，典型驅動電流通常可達1～10 A[9-10]。大驅動電流盡管有助于提升開關閥響應速度，但同時帶來高功耗問題，并對驅動電路元件選型及設計提出特殊要求，不利于開展集成化緊湊設計。本文作者對小驅動電流(<400 mA)平板型高速開關閥的控制特性進行研究，分析驅動電磁鐵的靜、動態特性，探索開關閥的壓力控制特性，為低功耗高速開關閥開發及應用提供參考。

1 平板型高速開關閥的結構及工作原理

所研究的高速開關閥結構如圖1所示，主要包括E型電磁鐵及平板控制閥兩部分。E型電磁鐵由靜鐵芯、勵磁線圈、殼體、導磁環、閥板及片型彈簧組成，其中平板閥采用軟磁材料，充當電磁鐵的動鐵芯；閥板與片型彈簧通過過盈方式連接為一體。平板閥部分由閥板及閥套組成，閥套采用非導磁材料制作，其底部帶有圓截面短節流孔。平板閥為兩位三通閥，帶有P、A、T 3個油口，平板閥口與短節流孔相結合，構成C型液壓半橋。

圖1 高速開關閥結構示意

該高速開關閥的工作過程如下：零位時，線圈電流為零，油源壓力經P口進入平板閥上側。受此壓力作用，閥板緊貼閥口，切斷P-A通道，而A與T油口則通過短節流口連通。勵磁線圈施加PWM控制信號后，在高電平(On)階段，電磁力逐步增加，克服閥板所受液壓力、彈簧復位力及重力，閥板抬升，P-A通道開啟；在低電平(Off)階段，線圈內電流逐漸降低，磁路電磁力隨之減小，受復位彈簧作用，閥板向下運動，P-A通道關閉。通過調整PWM信號占空比即可改變平板閥的平均開啟時間，從而對A口壓力進行控制。

2 平板型高速開關閥的數學模型

2.1 E型電磁閥數學模型

E型電磁鐵作為電-機械轉換器件，將電能轉換為機械能，進而驅動控制閥動作，其控制方程包括線圈電流方程、磁路磁場方程及電磁力方程。

線圈電流方程：

(1)

(2)

式中：u為線圈兩端電壓；R為線圈電阻；i為線圈電流；x為閥板位移；v為閥板運動速度；L為電磁鐵電感。

在線圈電流激勵下，環繞E型電磁鐵殼體、靜鐵芯、閥板、工作氣隙及非工作氣隙組成的主磁路建立磁場：

∮H·dl=Ni

(3)

式中：H為磁路磁場強度；N為線圈匝數。

工作氣隙中的磁力線對閥板產生電磁作用力，引起閥板動作。該電磁力可通過麥克斯韋應力張量法進行求解：

(4)

式中：Fm為電磁吸力；Ba為工作氣隙中的磁通密度；μ0為真空磁導率；A表示貼近并包圍閥板元件的閉合曲面。

電磁鐵電感L受軟磁材料的磁化程度影響，呈高度非線性。文中采用基于磁鏈法定義的視在電感：

L=(Nφm)/i

(5)

式中：φm表示磁路中的磁通。

2.2 平板閥數學模型

閥板的機械運動引起平板閥閥口的開啟與關閉，進而控制A口流量及壓力變化。平板閥控制方程由閥板動力學方程、閥口流動方程及控制腔流量連續性方程組成，其結構如圖2所示。

圖2 平板閥結構示意

閥板動力學方程：

(6)

式中：m為閥板與片型彈簧總質量；x為閥板位移，同時表示閥口開度；B為閥板運動黏性系數；K為片型彈簧剛度；Fs表示閥座的支撐力；Fv表示閥板所受液壓力；G為閥板所受重力。

對于所研究的平板閥，閥板高速開啟、關閉過程中，閥口的流量、壓力急劇變化，閥板承受復雜的穩態及瞬態液動力。考慮到閥板最大開度及閥口重疊量均為小尺寸，假定閥口重疊區域內壓力線性變化，也即由進口壓力pP線性減小至控制腔壓力pA。因此，閥板所受液壓力可表示為

(7)

式中：d1為閥口通道直徑；d2為閥口外側入口處直徑；p表示閥口與閥板位于d1與d2間的重疊區域上的流體壓力。

閥口流動方程為

(8)

(9)

式中：q1、q2分別為P→A及A→T的通流量；d0表示A→T短節流孔直徑；Cd為閥口流量系數；ρ為液壓油密度。

由于閥板高速往復運動，須考慮閥板啟閉過程引起的附加運動流量，則控制腔的流量連續性方程為

(10)

式中：βe為流體介質體積模量；V0為控制腔等效容積。

對于高速開關閥，忽略死區及飽和效應時，其閥口流量可視為與控制信號占空比成正比，從而

(11)

式中：k為控制信號占空比；X0表示閥口最大開度。

考慮到穩態工況時，P-A及A-T通道的流量相等，聯立式(9)及(11)可得該平板型高速開關閥的壓力控制特性：

(12)

由式(13)可定性判斷，該高速開關閥控制壓力與信號占空比呈拋物線關系，而非理想線性。

3 高速開關閥仿真模型及特性

3.1 E型電磁鐵有限元分析

電磁鐵工作過程伴隨著散磁、漏磁、磁滯、渦流、材料非線性等復雜現象，常規的等值磁路法只能實現定性及半定量分析。文中采用開源電磁場有限元分析軟件FEMM開展E型電磁鐵的特性分析。

圖3所示為E型電磁鐵的仿真模型及磁力線分布。模型中，軟磁材料采用1010低碳鋼，線圈電流0.37 A、匝數為2 100 匝，閥板的初始工作氣隙0.35 mm，開放空間采用改進漸近線邊界條件(IABC)。

圖4表示靜態工況下(工作氣隙0.35 mm、線圈電流0.37 A)，閥板工作氣隙中的磁密分布。此時，閥板承受的電磁力為11.75 N。

圖4 閥板與靜鐵芯間工作氣隙磁感應強度分布

FEMM軟件不支持瞬態磁場分析，難以直接對電磁鐵線圈電流、電磁力、反電動勢等物理量開展動態過程研究。通過Octave軟件調用FEMM內置函數，開展參數化掃描，獲得不同線圈電流及閥板行程下的電磁力Fm和磁通密度φm，進而開展開關閥的動態特性聯合仿真分析，結果如圖5、6所示。

圖5 電磁力分布

圖6 磁通密度分布

3.2 高速開關閥聯合仿真分析

將電磁力Fm和磁通密度φm結果導出，建立如圖7所示的聯合仿真模型。模型中，高速開關閥驅動控制方式為24 V單電壓驅動、反接電壓快速卸荷，反接電壓通過Zener二極管實現。PWM控制信號頻率為30 Hz，平板閥進口壓力保持1.5 MPa不變。此外，為充分反映平板閥P-A通道的流動壓損，結合實測數據，在平板閥后串聯一圓形節流孔。

圖7 高速開關閥聯合仿真模型

(1)靜態壓力控制特性

圖8所示為開關閥A口控制腔壓力隨輸入信號占空比的變化規律。開關閥的靜態壓力控制特性存在明顯的死區、飽和現象，有效占空比區間為0.2～0.9。占空比處于0.1～0.2之間時，開關閥臨界開啟，尚不足以輸出有效控制壓力；而占空比大于0.9時，開關閥處于全開狀態，不再具有控制作用。

圖8 靜態壓力控制特性

(2)動態響應特性

圖9、10、11所示為PWM信號(0.5占空比)作用下，開關閥開啟及關閉階段中線圈電流、閥板位移、磁路電及電磁力的動態響應過程。

圖9 線圈電流及閥板位移動態響應

開啟階段，在上升沿電壓作用下，線圈電流以指數規律增長，直至3.25 ms時，電流達到72.5 mA，電磁力克服液壓力及重力，閥板開始運動。在5.45 ms時，閥板運動至極限位置；閥板高速運動引起較大的反電動勢，造成線圈電流下降，吸合瞬間電流降低至48.2 mA。因此，開啟階段，閥板吸合觸動時間為3.25 ms，開啟運動時間為2.2 ms，開啟響應時間為5.45 ms。

關閉階段，在反向電壓作用下，線圈電壓迅速降低，但由于電磁力數值較大，電流至17.1 mA時，閥板方才關閉復位。閥板釋放觸動時間為3.7 ms，關閉運動時間為0.7 ms，關閉響應時間為4.4 ms。

在開關閥吸合觸動之前，忽略軟磁材料磁化引起的電感L變化，視為恒定值，則求解式(1)可得：

i=I0(1-e-t/T)

(13)

式中：i為線圈電流；I0表示穩態電流，也即370 mA；T=L/R，表示磁路的電氣時間常數。

對式(13)進行變換，可得到吸合觸動時間td及吸合觸動電流id關系式：

(14)

由式(14)可知：通過減小電氣時間常數T及觸動電流與穩態電流之比id/I0有助于縮短吸合觸動時間。

如圖10所示，該平板高速開關閥采用多匝數、大電阻的方案，穩態電流降低至0.37 A，有效實現了低功耗驅動。但為補償小驅動電流帶來的磁勢偏小問題，線圈匝數較多，零位磁路電感達到1 H，線圈電氣時間常數達15.4 ms，電流上升時間相對較慢，制約了開啟速度。

圖10 磁路電感動態響應

對于所研究的高速開關閥，一方面采用E型電磁鐵作為電-機械轉換器，工作氣隙為兩級串聯型式，電磁力梯度大(見圖11)。同時，平板閥零位時借助較低的進口液壓力實現密封，零位負載反力(2.6 N)較小，吸合觸動電流僅為72.5 mA，相當于穩態電流的19.5%，從而以低觸動電流克服了大電氣時間常數的不利影響，實現了小驅動電流作用下的快速開啟。

圖11 電磁力與彈簧力動態響應

開關閥吸合過程中，隨著工作氣隙減小，磁路磁阻降低，電感在短時間內由1 H增大至2.3 H。隨著線圈電流從48.2 mA上升至370 mA，磁路磁場強度增大，軟磁材料高度飽和，電感L減小至368 mH，線圈電氣時間常數降低至5.7 ms。在-20 V反向電壓作用下，線圈電流迅速降低，電磁力減小，從而實現快速關閉。

圖12表示容積5 cm3時，線圈電壓以及控制腔壓力動態響應。壓力上升階段，觸發時間3.7 ms，上升時間2.1 ms；壓力下降階段，觸發時間4.1 ms，下降至5%穩態壓力時間3 ms。

圖12 控制腔壓力動態響應

4 試驗驗證及分析

為驗證前述仿真分析結果，搭建測試裝置，分別測量平板高速開關閥的靜態、動態控制特性。圖13所示為平板高速開關閥測試裝置，供油壓力為1.5 MPa，壓力傳感器量程為0～5 MPa，頻響為5 kHz；開關閥驅動電壓為24 V，反接電壓通過TVS二極管實現，開啟電壓為20 V。

圖13 平板高速開關閥性能測試系統

圖14所示為平板開關閥靜態壓力仿真及試驗曲線。仿真與實測數據整體符合度較高，較準確地描述了開關閥的死區、飽和特性以及拋物線特性。占空比k<0.4時，仿真數值偏高，而占空比k≥0.4時，仿真結果偏低，平均誤差0.05 MPa。

圖14 平板開關閥靜態壓力控制特性

圖15所示為占空比k=0.5時，平板開關閥啟閉過程中PWM控制電壓以及控制腔壓力動態響應特性試驗曲線。施加上升沿控制電壓后，線圈電流開始升高，電磁力逐步增加，直至平板閥口開啟，控制腔壓力隨之升高，開啟壓力觸發時間為2.88 ms(對應仿真值3.7 ms)；PWM信號切換為下降沿后，在反向電壓作用下，線圈電流降低，閥板開始關閉復位，控制腔壓力隨之降低，關閉壓力觸發時間為4.96 ms(對應仿真值4.1 ms)。

值得注意的是，壓力上升及下降階段均存在小斜率緩變階段，從而大幅延長了壓力上升及下降時間，與仿真結果存在一定出入。此種現象可能源于平板型復位彈簧的非線性以及閥口流量飽和，有待進一步分析。

5 結論

(1)通過分析高速開關閥開啟、關閉階段的線圈電流、閥板位移及磁路電感動態過程，闡明了實現小電流驅動的機制：采用E型電磁閥為驅動元件，減小零位負載反力，降低觸動電流，抵消與高線圈匝數相伴生的高電感，實現快速開啟。

值得注意的是，由于吸合位置電磁力顯著大于復位彈簧力，在關閉階段，開關閥的關閉電流極低(17.1 mA)。因此，必須施加足夠的反向電壓來迅速拉低電流才能保證其快速關閉，否則其工作頻率會大幅降低，甚至無法正常復位。

(2)限于FEMM軟件功能，文中未能計入與軟磁材料電阻率相關的渦流效應，瞬態過程分析存在一定不足。對于許多亞微秒級高速開關閥產品，磁性材料瞬態渦流過程會顯著影響磁場建立速度，進而減慢開關閥的開啟、關閉速度，因此，有必要進一步深入分析、研究。

(3)在電磁有限元仿真基礎上，開展機-電-液聯合仿真，較準確地刻畫了平板型高速開關閥的靜、動態特性，可為同類產品的設計、優化提供參考。