基于PWM控制的高速开关电磁球阀动态特性仿真分析.pdf

2 0 1 4年 2月 第 4 2 卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS F e b ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 4 2 基于 P WM控制的高速开关电磁球阀动态特性仿真分析 林义忠，曾德乐，冯结 广西大学机械工程学院，广西南宁5 3 0 0 0 4 摘要介绍高速开关电磁球阀的结构及工作原理，建立其动态响应的数学模型，运用 A ME S i m仿真软件将所建的数学 模型联系起来进行动态仿真，分析驱动电压、线圈匝数、衔铁质量以及弹簧预紧力等参数对此阀动态响应特性的影响，得 到一些定性的结论，为高速开关电磁球阀的后续优化研究提供了参考。 关键词P WM；高速开关电磁球阀；动态特性；A ME S i m 中图分类号T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 31 5 2 3 S i mu l a t i o n An a l y s i s o f Dy na mi c Ch a r a c t e r i s t i c s f o r Hi g h- s p e e d S wi t c h El e c t r o ma g n e t i c Ba l l Va l v e Ba s e d o n PW M UN Yi z h o n g ．Z E NG De l e．F ENG Z h e Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e o f G u a n g x i U n i v e r s i t y ，N a n n i n g G u a n g x i 5 3 0 0 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t S t r u c t u r e a n d w o r k i n g p r i n c i p l e o f h i g h s p e e d s wi t c h e l e c t r o ma g n e t i c b a l l v a l v e w e r e i n t r o d u c e d ． T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l s we r e b u i l t ．T h e d y n a mi c s i mu l a t i o n w a s ma d e b a s e d o n A MES i m．I n fl u e n c e s o f s o me f a c t o r s o n t h e v a l v e ’ S d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i e s ，s u c h a s d r i v i n g v o l t a g e ，c o i l t u r n s ，t h e ma s s o f a r ma t u r e a n d t h e s p r i n g p r e t i g h t e n i n g f o r c e，w e r e a n a l y z e d ．T h e r e s e a r c h c o n c l u s i o n s c a n p r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e f u r t h e r o p t i mi z a t i o n o f t h e h i g h s p e e d s w i t c h e l e c t r o ma g n e t i c b a l l v a l v e ． Ke y wo r d s P u l s e w i d t h mo d u l a t i o n；Hi g h s p e e d s w i t c h e l e c t r o ma g n e t i c b a l l v a l v e ；D y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c ；AMES i m 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 P u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ，P WM 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 P L C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 A ME S i m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 Q D F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 内调节开启时间的宽度 t 。 与脉冲周期 T的比值即脉 宽占空比r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。 l 复位杆 2中间 推杆 3 一 隔环 4 一推 杆 s 一 电磁铁 6 一杠杆机构 7 一左 钢 球 8 一左 阀座 9 一右 阀座 1 O 一 右 钢球 l l 一 复位 弹 簧 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。 收稿 日期 2 0 1 3 0 l一 2 3 基金项目广西 自治区科技厅攻关项 目 1 1 1 0 7 0 0 21 3 ；广西科技开发计划课题项目 1 1 1 0 7 0 0 11 6 作者简介林义忠 1 9 6 4 一 ，男 ，博士，教授，研究领域为机器人技术、机电液 自动控制。E ma i l x a u t l y z 1 6 3 ． c o n。 第 3期 林义忠 等基于 P WM控制的高速开关电磁球阀动态特性仿真分析 1 5 3 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 P WM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 取到最大值 一，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 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 J J r ￡ 尺 i 1 d d￡ 其中R 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 Ⅳ的 控制线圈内通以控制 电流 时，磁路 内即产生磁通。 衔铁受 到的轴 向电磁 吸力 F为 ⑦④ 2 根据磁路基尔霍夫定律，可得出磁路计算模型，即 i N R 尺 尺 】 3 式中Ⅳ为线圈匝数 ； 为磁路磁通；A为电磁作用 面积； 。 为空气磁导率 ；R 为工作气隙磁阻；R 为 磁路磁阻；R ． 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 2 ， F m u一 c F k F 液 一 F 一 F 4 U b u 2 其中F为电磁铁吸力；m 为阀球串加速运动而 0 J 产生的质量惯性力；C 为黏性阻尼系数；C 半为黏性 U 阻尼力 ；F 为球阀所受弹簧力 ；F 漓为液压力；F 为 稳态液动力 ；F 为瞬态液动力。 2 ． 3 基 于 A ME S i m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 A ME S i m中的电磁库 E M和 液压库 H C D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 P WM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 2 MP a ，弹簧刚度 2 5 0 0 0 N ／ m，弹簧力 1 5 N， ， P 5 0 H z ，占空 比 r0 ． 5 ， 仿真时间 0 ． 0 2 S ，初始气隙宽度 6 0 m。 ⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯ 卫 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 i 一 ●fT ● ●● }■ 一 一 ， R t一 - i 一 _ lI_ 一 一．一一 1 5 4 机床与液压 第4 2卷 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 A ME S i m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， 蓬 。 会使其 寿命降低。故驱动 。 电压一定要合适，既要满 _一 ．厂 3 1 -- 1 0 V ．．1 z z V 足驱动要求，又要保证响 。 时 。 应速 度 。由上 述 分 析 可 一 甓 。毫 动 图 4 星 茬 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 。 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 时 问延 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 。 o 5 1o 1 5 20 时间／ ms 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目 s ． 0 的 增 加， 球 阀 的 开 启 速 度 降低，响应时间增加。因 2 ． 0 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 0 ． 0 图 6 2 ． 0 4 ． 0 6 ． 0 8 ． 0 1 0 ． 0 时间／ ms 不同运动质量对 响应特性的影响 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。 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 。 3 ， ．5 为 了加 速该 阀 的关 闭响 应 2 ． 5 时间可适当加大预紧力， 最 2． ．0 但过大 的预紧力将造成球 1 ． 0 阀开启过程的迟缓，过小 U ．5 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。 4结束语 0 5 l 0 1 5 2 0 时 间／ ms 不同弹簧预紧力对 响应特性 的影 响 通过建立数学模型及利用 A ME S i m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。 参考文献 【 1 】杜巧连， 陈旭辉 ， 吴文山， 等． P WM高速开关阀的特性分 析与应用研究[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 2 3 1 01 1 ． 【 2 】WA N G Q i l e i ， Y A N G F e n g y u ， Y A N G Q i a n ， e t a 1 ． E x p e r i me n t a l A n a l y s i s o f Ne w Hi g h s p e e d P o w e r f u l Di g i t a l S o l e n o i d V a l v e s[ J ] ． E n e r g y C o n v e r s i o n a n d Ma n a g e m e n t ， 2 0 1 1 ， 5 2 5 2 3 0 9 2 3 1 3 ． 【 3 】O U Y A N G X i a o p i n g ， Y A N G H u a y o n g ， J I A N G H a o y i ． S i m u l a t i o n o f t h e P i e z o e l e c t r i c H i g h s p e e d O n ／ O ff V a l v e [ J ] ． C h i n e s e S c i e n c e B u l l e t i n ， 2 0 0 8 ， 5 3 1 7 2 7 0 6 2 7 1 1 ． 【 4 】曹云东． 电器学原理[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 1 2 ． 【 5 】席建敏， 何忠波． 基于 A M E S i m的超磁致伸缩高速响应 电磁开关阀仿真[ J ] ． 机械工程师， 2 0 1 0 1 2 5 55 8 ． 【 6 】张廷羽， 张国贤． 高速开关电磁阀的性能分析及优化研 究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 9 1 3 9 1 4 2 ． 【 7 】汪志刚， 张敬国， 陈勤学． 电控柴油机用高速电磁阀的仿 真研究[ J ] ． 机电设备 ， 2 0 0 3 4 2 2 2 6 ． 【 8 】王文堂， 张春梅， 张强． 基于 S i m u l i n k 的 E V A用高速强 力电磁阀的仿真研究[ J ] ． 拖拉机与农用运输车， 2 0 0 9 ， 3 6 2 4 3 4 5 ． 【 9 】戴佳， 黄敏超 ， 余勇， 等． 电磁阀动态响应特性仿真研究 [ J ] ． 火箭推进 ， 2 0 0 7 ， 3 3 1 4 0 4 8 ． ‘ U 0 3 3 2 2 1 1 O 0 V ／ 爆 聊 计 越 较 加 闭 设 多 数 度 关 在 越匝 速 ， 但 数的 时 。 匝 知 升 多 高 圈可 上 较 提 线 中 流 数 性 是 图 电匝 特 不 从 ，当 应 也 。时； 响 中 好 少 快