基于PWM控制的高速開關(guān)電磁球閥動態(tài)特性仿真分析
介紹高速開關(guān)電磁球閥的結(jié)構(gòu)及工作原理,建立其動態(tài)響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,運用AMESim仿真軟件將所建的數(shù)學(xué)模型聯(lián)系起來進行動態(tài)仿真,分析驅(qū)動電壓、線圈匝數(shù)、銜鐵質(zhì)量以及彈簧預(yù)緊力等參數(shù)對此閥動態(tài)響應(yīng)特性的影響,得到一些定性的結(jié)論,為高速開關(guān)電磁球閥的后續(xù)優(yōu)化研究提供了參考。
高速開關(guān)電磁閥是一種數(shù)字式電液轉(zhuǎn)換控制元件,常采用脈寬調(diào)制(Pulsewidthmodulation,PWM)控制方式,直接根據(jù)一系列脈沖電信號進行開關(guān)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(nèi)外一些單位和科研機構(gòu)紛紛開展了對高速開關(guān)電磁閥的研究工作,開發(fā)出多種結(jié)構(gòu)和形式的電磁閥,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程機械、汽車制造等電液控制領(lǐng)域。目前此類閥在工程應(yīng)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(tài)性能的研究就顯得尤為重要。以高速開關(guān)電磁球閥為研究對象,通過分析此閥的結(jié)構(gòu)與工作原理,建立了數(shù)學(xué)模型,利用AMESim仿真了相應(yīng)的動態(tài)響應(yīng)特性,并分析了驅(qū)動電壓、線圈匝數(shù)、銜鐵質(zhì)量以及彈簧預(yù)緊力等對高速開關(guān)電磁球閥的影響,得到各參數(shù)對其動態(tài)響應(yīng)特性的影響關(guān)系,從而為改善其動態(tài)響應(yīng)特性提供了依據(jù)。
1、高速開關(guān)電磁球閥的結(jié)構(gòu)及工作原理
以QDF二位三通常閉式高速開關(guān)電磁球閥為研究對象,具體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,主要由高頻電磁鐵、杠桿機構(gòu)和球閥三部分構(gòu)成。
在電液控制系統(tǒng)中,高速開關(guān)電磁球閥常采用脈寬調(diào)制控制。所謂脈寬調(diào)制就是在一定的脈沖周期T內(nèi)調(diào)節(jié)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(xiàn)流量的調(diào)節(jié),其工作狀態(tài)只有“全開”、“全關(guān)”2種。
圖1 高速開關(guān)電磁球閥結(jié)構(gòu)簡圖
脈寬調(diào)制式高速開關(guān)電磁球閥的控制信號是一系列幅值相等、而在每一周期內(nèi)寬度不同的脈沖信號。
其控制系統(tǒng)的工作原理框圖如圖2所示。首先計算機根據(jù)控制要求發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號,經(jīng)過脈寬調(diào)制器和功率放大器,將脈沖信號調(diào)制和放大后送給高速開關(guān)閥,然后通過控制高頻電磁鐵所產(chǎn)生的吸力,利用杠桿機構(gòu)使得球閥閥芯高速正反向運動,從而實現(xiàn)液流在閥口處的通斷功能。
圖2 高速開關(guān)閥在PWM控制下的工作原理框圖
當(dāng)電磁鐵5通電時,線圈電流不能立即躍變?yōu)榉(wěn)態(tài)值,而是由零開始逐漸上升,電磁鐵吸力也表現(xiàn)為一漸升過程:在起始狀態(tài),吸力小于阻力,閥芯處于靜止;當(dāng)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(dāng)開關(guān)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(tǒng)工作。當(dāng)電磁鐵失電時,由于電感作用,電磁鐵吸力表現(xiàn)為一個漸降過程:在起始狀態(tài),吸力大于阻力,閥芯處于靜止;當(dāng)磁通下降到某一臨界值時,吸力與阻力相等,閥芯開始關(guān)閉;當(dāng)開關(guān)閥完全關(guān)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(guān)電磁球閥的數(shù)學(xué)模型
2.1、高速開關(guān)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(jù)麥克斯韋電磁吸力公式,在匝數(shù)為N的控制線圈內(nèi)通以控制電流i時,磁路內(nèi)即產(chǎn)生磁通。銜鐵受到的軸向電磁吸力F為
根據(jù)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(shù);Φ為磁路磁通;A為電磁作用面積;μ0為空氣磁導(dǎo)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(guān)電磁球閥的動力學(xué)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(chǎn)生的質(zhì)量慣性力;推桿運動引起的黏性阻尼力;流體動量變化產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)液動力和瞬態(tài)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:
(4) 其中:F為電磁鐵吸力;
為閥球串加速運動而產(chǎn)生的質(zhì)量慣性力;C為黏性阻尼系數(shù);
為黏性阻尼力;Fk為球閥所受彈簧力;F液為液壓力;Fs為穩(wěn)態(tài)液動力;Ft為瞬態(tài)液動力。
2.3、基于AMESim的高速開關(guān)電磁球閥的動態(tài)仿真模型
根據(jù)高速開關(guān)電磁球閥的電磁模型、動力學(xué)模型及其結(jié)構(gòu)簡圖,采用AMESim中的電磁庫(EM)和液壓庫(HCD)等相關(guān)模塊建立電磁高速開關(guān)球閥的動態(tài)仿真模型,如圖3所示。利用一個PWM信號去控制開關(guān)的通斷,從而控制球閥的通斷。設(shè)置仿真主要參數(shù)為:供油壓力2MPa,彈簧剛度25000N/m,彈簧力15N,fPWM=50Hz,占空比τ=0.5,仿真時間0.02s,初始?xì)庀秾挾?0μm。
圖3 高速開關(guān)電磁球閥動態(tài)仿真模型
3、仿真結(jié)果及分析
高速開關(guān)電磁球閥是電、磁、機、液四者的非線性耦合系統(tǒng),其動態(tài)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(tài)響應(yīng)過程,所以其動態(tài)變化中有很多影響因素。通過AMESim仿真主要分析驅(qū)動電壓、線圈匝數(shù)、銜鐵質(zhì)量、彈簧預(yù)緊力等對電磁球閥響應(yīng)特性的影響,從而為優(yōu)化設(shè)計此類閥門、提高其響應(yīng)能力提供理論依據(jù)。
3.1、驅(qū)動電壓對動態(tài)響應(yīng)特性的影響分析
圖4為不同驅(qū)動電壓下的電流變化曲線,從圖中可以看出:當(dāng)驅(qū)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(yīng)時間,從而提高高速開關(guān)電磁球閥的開啟響應(yīng)速度。但電壓過高,電磁鐵線圈溫升高,會使其壽命降低。故驅(qū)動電壓一定要合適,既要滿足驅(qū)動要求,又要保證響應(yīng)速度。由上述分析可知:適度提高驅(qū)動電壓可縮短吸合動態(tài)響應(yīng)時間,加快高速開關(guān)電磁球閥的開啟響應(yīng)。
圖4 不同驅(qū)動電壓對響應(yīng)特性的影響
3.2、線圈匝數(shù)對動態(tài)響應(yīng)特性的影響分析
在其他條件相同的情況下,設(shè)置不同線圈匝數(shù)得到電流變化曲線如圖5所示?梢钥闯觯弘S著線圈匝數(shù)的增加,高速開關(guān)電磁球閥的開啟時間縮短,開啟響應(yīng)特性提高。但在設(shè)計中也不是線圈匝數(shù)越多越好。從圖中可知:匝數(shù)較少時,電流上升的速度加快;當(dāng)匝數(shù)較多時,關(guān)閉時間延長。因此,在實際設(shè)計該閥時,應(yīng)在滿足電磁閥有足夠的工作安匝數(shù)的前提下,選擇一個合適的數(shù)值。
圖5 不同線圈匝數(shù)對響應(yīng)特性的影響
3.3、銜鐵質(zhì)量對動態(tài)響應(yīng)特性的影響分析
圖6為不同銜鐵質(zhì)量對高速開關(guān)電磁球閥開啟響應(yīng)時間影響的仿真結(jié)果?梢钥闯觯弘S著銜鐵質(zhì)量的增加,球閥的開啟速度降低,響應(yīng)時間增加。因此在設(shè)計此類閥時,應(yīng)盡量使用密度較小的材料,優(yōu)化球閥結(jié)構(gòu),減少運動件質(zhì)量,提高閥的開啟速度,縮短響應(yīng)時間。但同時在降低質(zhì)量的同時也要考慮到銜鐵半徑的影響,銜鐵半徑的變化會影響銜鐵的質(zhì)量,當(dāng)銜鐵材質(zhì)一定時,半徑越大,質(zhì)量也越大。
圖6 不同運動質(zhì)量對響應(yīng)特性的影響
3.4、彈簧預(yù)緊力對動態(tài)響應(yīng)特性的影響分析
圖7為不同彈簧預(yù)緊力下的電流曲線?梢钥闯觯簭椈深A(yù)緊力越大,高速開關(guān)電磁球閥的開啟響應(yīng)越慢,而關(guān)閉響應(yīng)越快。為了加速該閥的關(guān)閉響應(yīng)時間可適當(dāng)加大預(yù)緊力,但過大的預(yù)緊力將造成球閥開啟過程的遲緩,過小的預(yù)緊力可能使得彈簧回力不足而球閥無法關(guān)閉。因此,彈簧預(yù)緊力要合理地選取,使該閥開啟和關(guān)閉的時間響應(yīng)之和最小。
圖7 不同彈簧預(yù)緊力對響應(yīng)特性的影響
4、結(jié)束語
通過建立數(shù)學(xué)模型及利用AMESim仿真,得到相應(yīng)的仿真曲線,對影響高速開關(guān)電磁球閥動態(tài)響應(yīng)性能的主要參數(shù)進行了分析,得到了相應(yīng)的變化規(guī)律,為以后優(yōu)化設(shè)計此類閥提供了參考依據(jù)。不過文中只是針對電磁球閥的動態(tài)響應(yīng)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(tài)特性優(yōu)化,還需要做進一步的研究。