基于PWM控制的高速开关电磁球阀动态特性仿真分析

    高速开关电磁阀是一种数字式电液转换控制元件，常采用脉宽调制（Pulsewidthmodulation，PWM）控制方式，直接根据一系列脉冲电信号进行开关动作。它与伺服阀、比例阀相比具有价格低廉、抗污染能力强、可与计算机及PLC直接接口等特点。国内外一些单位和科研机构纷纷开展了对高速开关电磁阀的研究工作，开发出多种结构和形式的电磁阀，已经广泛应用于工程机械、汽车制造等电液控制领域。目前此类阀在工程应用方面较多，但是深入的理论分析与建模研究较少，所以对其动态性能的研究就显得尤为重要。以高速开关电磁球阀为研究对象，通过分析此阀的结构与工作原理，建立了数学模型，利用AMESim仿真了相应的动态响应特性，并分析了驱动电压、线圈匝数、衔铁质量以及弹簧预紧力等对高速开关电磁球阀的影响，得到各参数对其动态响应特性的影响关系，从而为改善其动态响应特性提供了依据。

    1 高速开关电磁球阀的结构及工作原理

    以QDF二位三通常闭式高速开关电磁球阀为研究对象，具体结构简图如图1所示，主要由高频电磁铁、杠杆机构和球阀三部分构成。

    在电液控制系统中，高速开关电磁球阀常采用脉宽调制控制。所谓脉宽调制就是在一定的脉冲周期T内调节开启时间的宽度tp与脉冲周期T的比值即脉宽占空比τ的大小来控制阀门的通断时间，从而实现流量的调节，其工作状态只有“全开”、“全关”2种。

图1 高速开关电磁球阀结构简图

    脉宽调制式高速开关电磁球阀的控制信号是一系列幅值相等、而在每一周期内宽度不同的脉冲信号。

    其控制系统的工作原理框图如图2所示。首先计算机根据控制要求发出相应的脉冲信号，经过脉宽调制器和功率放大器，将脉冲信号调制和放大后送给高速开关阀，然后通过控制高频电磁铁所产生的吸力，利用杠杆机构使得球阀阀芯高速正反向运动，从而实现液流在阀口处的通断功能。

图2 高速开关阀在PWM控制下的工作原理框图

    当电磁铁5通电时，线圈电流不能立即跃变为稳态值，而是由零开始逐渐上升，电磁铁吸力也表现为一渐升过程：在起始状态，吸力小于阻力，阀芯处于静止；当电流上升到某一临界值时，吸力与阻力相等，钢球开始运动；当开关阀完全开启时，球芯位移X取到最大值Xmax，使A口与P口相通，T口封闭，系统工作。当电磁铁失电时，由于电感作用，电磁铁吸力表现为一个渐降过程：在起始状态，吸力大于阻力，阀芯处于静止；当磁通下降到某一临界值时，吸力与阻力相等，阀芯开始关闭；当开关阀完全关闭时，球芯位移X取最小值0，使T口和A口相通，P口封闭。

    2 高速开关电磁球阀的数学模型

    2.1 高速开关电磁球阀的电磁模型

    电磁模型中的电压方程

        （1）

    其中：Rc为线圈电阻；L为线圈电感。

    根据麦克斯韦电磁吸力公式，在匝数为N的控制线圈内通以控制电流i时，磁路内即产生磁通。衔铁受到的轴向电磁吸力F为

        （2）

    根据磁路基尔霍夫定律，可得出磁路计算模型，即

        （3）

    式中：N为线圈匝数；Φ为磁路磁通；A为电磁作用面积；μ₀为空气磁导率；R_g为工作气隙磁阻；R_m为磁路磁阻；R_l为非工作气隙磁阻。

    2.2 高速开关电磁球阀的动力学模型

    通过对阀球串的受力分析可以得知，阀球串在阀开启的过程中所受的作用力有：因阀芯加速运动而产生的质量惯性力；推杆运动引起的黏性阻尼力；流体动量变化产生的稳态液动力和瞬态液动力；液体静压力；电磁铁吸力；球阀所受弹簧力。因此可以得到阀球串的运动力平衡方程为：

        （4）

    其中：F为电磁铁吸力；为阀球串加速运动而产生的质量惯性力；C为黏性阻尼系数；为黏性阻尼力；F_k为球阀所受弹簧力；F_液为液压力；F_s为稳态液动力；F_t为瞬态液动力。

    2.3 基于AMESim的高速开关电磁球阀的动态仿真模型

    根据高速开关电磁球阀的电磁模型、动力学模型及其结构简图，采用AMESim中的电磁库（EM）和液压库（HCD）等相关模块建立电磁高速开关球阀的动态仿真模型，如图3所示。利用一个PWM信号去控制开关的通断，从而控制球阀的通断。设置仿真主要参数为：供油压力2MPa，弹簧刚度25000N/m，弹簧力15N，f_PWM=50Hz，占空比τ=0.5，仿真时间0.02s，初始气隙宽度60μm。

图3 高速开关电磁球阀动态仿真模型

    3 仿真结果及分析

    高速开关电磁球阀是电、磁、机、液四者的非线性耦合系统，其动态特性是指电磁球阀工作过程中包括线圈电流、衔铁位移、电磁力和运动阻力等物理量的动态响应过程，所以其动态变化中有很多影响因素。通过AMESim仿真主要分析驱动电压、线圈匝数、衔铁质量、弹簧预紧力等对电磁球阀响应特性的影响，从而为优化设计此类阀门、提高其响应能力提供理论依据。

    3.1 驱动电压对动态响应特性的影响分析

    图4为不同驱动电压下的电流变化曲线，从图中可以看出：当驱动电压增大时，线圈电流增大，并且上升越快，这将缩短衔铁的吸合触动响应时间，从而提高高速开关电磁球阀的开启响应速度。但电压过高，电磁铁线圈温升高，会使其寿命降低。故驱动电压一定要合适，既要满足驱动要求，又要保证响应速度。由上述分析可知：适度提高驱动电压可缩短吸合动态响应时间，加快高速开关电磁球阀的开启响应。

图4 不同驱动电压对响应特性的影响

    3.2 线圈匝数对动态响应特性的影响分析

    在其他条件相同的情况下，设置不同线圈匝数得到电流变化曲线如图5所示。可以看出：随着线圈匝数的增加，高速开关电磁球阀的开启时间缩短，开启响应特性提高。但在设计中也不是线圈匝数越多越好。从图中可知：匝数较少时，电流上升的速度加快；当匝数较多时，关闭时间延长。因此，在实际设计该阀时，应在满足电磁阀有足够的工作安匝数的前提下，选择一个合适的数值。

图5 不同线圈匝数对响应特性的影响

    3.3 衔铁质量对动态响应特性的影响分析

    图6为不同衔铁质量对高速开关电磁球阀开启响应时间影响的仿真结果。可以看出：随着衔铁质量的增加，球阀的开启速度降低，响应时间增加。因此在设计此类阀时，应尽量使用密度较小的材料，优化球阀结构，减少运动件质量，提高阀的开启速度，缩短响应时间。但同时在降低质量的同时也要考虑到衔铁半径的影响，衔铁半径的变化会影响衔铁的质量，当衔铁材质一定时，半径越大，质量也越大。

图6 不同运动质量对响应特性的影响

    3.4 弹簧预紧力对动态响应特性的影响分析

    图7为不同弹簧预紧力下的电流曲线。可以看出：弹簧预紧力越大，高速开关电磁球阀的开启响应越慢，而关闭响应越快。为了加速该阀的关闭响应时间可适当加大预紧力，但过大的预紧力将造成球阀开启过程的迟缓，过小的预紧力可能使得弹簧回力不足而球阀无法关闭。因此，弹簧预紧力要合理地选取，使该阀开启和关闭的时间响应之和最小。

图7 不同弹簧预紧力对响应特性的影响

    4 结束语

    通过建立数学模型及利用AMESim仿真，得到相应的仿真曲线，对影响高速开关电磁球阀动态响应性能的主要参数进行了分析，得到了相应的变化规律，为以后优化设计此类阀提供了参考依据。不过文中只是针对电磁球阀的动态响应特性，对其中的几个影响因素进行了定性的分析与仿真，要完成阀的动态特性优化，还需要做进一步的研究。