（机械电子工程专业论文）hgdv脉冲调制开关式数字阀的理论及应用研究.pdf

摘要 流体控制系统数字技术是2 l 世纪流体控制发展的必然趋势，本文是针对脉冲调制开关 式数字阀及其基丁二此类阀的液压数字控制系统而展开研究的。从理论分析、数字模型、解析 仿真到实验研究、工程设计和技术开发，多方面相结合进行了深入研究，为今后该类系统的 研制、开发提供理论及技术储备。 本文首先对数字式液体控制系统的关键部件一脉冲调制式数字开关润进行了研究，针对 此阀对电磁铁的特殊要求，寻求最合适的软磁材料，找出该类电磁铁的关键技术参数，确立 了提高该类电磁铁开关特性的技术关键及设计要点，全面地研究了脉冲调制式数字开关阀的 性能特性。 本文在回顾液压控制技术发展的基础上，从阀的驱动电路、磁性材料、阀芯受力等方面 找出影响它特性的主要因素。制定出其类元件的设计原则。采用先进的优化控制理论进行多 参数优化设计，开发出当今汽车燃油喷射系统中的新型电喷阀( h g d v 阀) 。同时，对脉冲 调制开关式数字阀的开关特性、静特性、频率特性进行了深入的研究。利用仿真与实验相结 合的方法验证本文论点的正确性。 通过对阀性能的深入了解，进一步研究和分析基于此阎的液压控制系统的控制性能。首 先归纳出数字控制系统的四种基本回路形式，推导出阀控制缸以及位置数字式伺服系统的数 字模型，最后，考虑数字控制系统的非线性，离散性阀的开关滞后等特点采用优化理论，寻 求对此类系统的最优控制。在研究的基础上，设计、生产出了h g d v 脉冲调制开关式数字 电喷阀和数字式光电液压纠偏装置，实验和检测结果证实效果良好。 关键字：数字阀、液压控制、p w m 、优化控制 a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n lo f d i g i t a lc o n t r o lf l u i dp o w e rs y s t e mi st h et r e n do fh y d r a u l i cs y s t e mi nt h e 21 c e n t u r y t h i sd i s s e r t a t i o nd e a l sw i t hp u l s em o d u l a t e dd i g i t a lv a l v ea n dt h eh y d r a u l i cc o n t m l s y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h ev a l v ef r o mm a t h e m a t i c a lm o d e la n ds i m u l a t i o nt ot h ee n g i n e e r i n z d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t i st h a tt h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a lf o u n d a t i o na r el a i d f o rt h ef u t u r e a p p l i c a t i o n f i m t ，t h ep u l s em o d u l a t e dd i g i t a lv a l v et h a ti st h ei m p o r t a n te l e m e n ti nt h ed i g i t a lc o n t r o l h y d r a u l i cs y s t e mi ss t u d i e d ，a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lr e q u i r e m e n t sf o rs o l e n o i d t r yt of i n dt h e p r o p e rm a g n e t a n dt h ec r i t i c a lt e c h n i c a lp a r a m e t e r ，g e tt ot h ew a yt oi m p r o v et h ec h a r a c t e r i s t i c s a tt h es a m et i m e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e p u l s em o d u l a t e dd i g i t a lv a l v et h o r o u g h l y b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fm o d e m h y d r a u l i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h ed i s s e r t a t i o nd e a l s w i t ht h ec h a r a c t e ro ft h ek e ye l e m e n t - p u l s em o d u l a t e dd i g i t a lv a l v e f r o mt h ee l e c t r i cc i r c u i t m a g n e t i cm a t e r i a l ，m e c h a n i c a lp o w e r ，f i n dt h em a j o rf a c t o r s w o r ko u tt h ep r i n c i p l eo fd e s i g no f t h i sk i n do fv a l v ea n do p t i m i z et h e mb yt h ea d v a n c e do p t i m a lc o n t r o lt h e o r y d e s i g n e da l l d e v e l o p e d t h e n e w t y p e i n j e c t o r v a l v e ( h g d v v a l v e ) w h i c h i su s e d i nc a r a t t h es a m e t i m e ，t h e s t a t i ca n df r e q u e n c yr e s p o n s eo ft h ed i g i t a lv a l v ei ss t u d i e dm r t a t l e r p r o v e dt h ec o r r e c t i o no f s i m u l a t i o nb yt e s t i n g b a s e do nt h ef u r t h e rr e s e a r c ho fv a l v e ，a n a l y z et h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ，f i r s t , c o n c l u d e d t h ef o u rb a s i cc i r c u i to fh y d r a u l i cd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，s e tu pt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f c y l i n d e rw h i c hi sc o n t r o l l e db yd i g i t a la n dp o s i t i o nc o n t r o ls e r v os y s t e m f i n a l l y , t r yt of i n dt h e o p t i m a lc o n t r o l ，p a y i n g a t t e n t i o nt ot h en o n l i n e a rd i g i t a lc o n t t o ls y s t e m b yt h et h e o r e t i c a ls t u d y , d e s i g nh g d vp u l s em o d n l a t e dd i g i t a lv a l v ea n dt h el i g h t - e l e c t r i ch y d r a u l i cd e v i a t i o ns y s t e m t h e y w o r kw e l lb yt e s t i n g k e yw o r d s ：d i g i t a lv a l v e ，h y d r a u l i cc o n t r o l ，p w m ，o p t i m a lc o n t r o l 2 兰4 , t 理工夫学硕十醐究堂学位论义 第一章液压控制技术的棱展概适 第一章液压控制技术的发展概述 1 1 传统的电液断通控制 早在十七世纪五1 年代，帕斯 提出了静止液体中的压力传播规律帕斯卡原理，到 十八世纪又相继建立了连续性方程和伯努利能量方程，这些流体力学理论的发展与建立为液 压技术的发展奠定了基础，1 7 9 5 年世界上首台水压机的出现，标志着液压传动开始进入t 程领域。人类使用水力机械及液压传动已有很长的历史，但液压控制技术的发展却要追溯到 二十世纪5 0 年代，从那时起液压控制技术在工业上才逐步得到推广使用。 随着工艺水平和电磁技术的发展提高，出现了多种操纵控制方式的液压阀，有手动式、 电磁式、机动式、液动式、电液动式，而电磁式液压阀的出现标志着液压技术与电气开关控 制相结合进入了电液断通控制的时代，从而使得液压技术得到了更快的发展，更广的应用。 1 2 先进的电液伺服控制 以回馈控制理论为主体的电液伺服控制是较早主要在军事工程领域发展起来的电渡控 制技术。第二次世界火战后期，由于喷气式飞机速度很高，因此对控制系统的快速性，动态 精度和功率一重量比都提出了更高的要求。随着控制理论的出现和控制系统的发展，液压技 术与电子技术的结合日臻完善。1 9 4 0 年底，在飞机上首先出现了电液伺服系统，从而产生 了广泛用于武器装备的高质量电液控制系统。 电液伺服阀是电液伺服控制系统中最重要的一种伺服控制组件，它能将微弱的电信号转 换成大的液压能，凡是用电流信号控制大功率液压能工作的系统都需要这种转换组件。用它 作转换组件组成的循环系统称为电液伺服系统。二十世纪六十年代，随着原子能技术、空间 技术、电子技术等的迅速发展，各种结构的电液伺服阈相继问世，有滑阀式、喷嘴一挡板式、 射流管式、和偏导杆射流盘式。各种伺服组件的出现，再次将液压技术向前推进，发展了工 业伺服控制技术。在高性能伺服阀基础上，增大电一机械转换器的输出功率和适当简化伺服 润结构，着重改善阀的抗污染性能，并降低制造成本。使其发展成为包括传动、控制、检测 在内的一门对现代机械装备的技术进步有重要影响的基础技术。 1 3 实用的电液比例控制 由于传统的电液伺服阀对流体介质的清洁中度要求十分苛刻，制造成本和维护费用比较 高昂，系统能耗也比较大，难咀为各工业用户所接受。而传统的电液断通控制又不能满足高 质量控制系统的要求。电液比例控制技术应用而生，它可靠、价廉、控制精度和响应特性均 能很好满足工程技术的实际需求。 比例阀是以传统的上业用液压阀为基础，采用可靠、价廉的模拟电一机械转换器( 比例 电磁铁等) 和与之卡目应的阎内设计，从而获得对油质要求与一般工业阀相同，阔内压力损失 低，性能义能满足大部分工业控制要求的比例控制组件。 从1 9 6 7 年瑞士b e r i n g e r 公司生产k l 比例复合阀起，到七年代丰j j 日本油研公司申请 了压力和流茸两项比例阀专利为止，标志着比例技术的诞生时j j j 。这一阶段的比例阀，仅仅 兰州理工大学硕十研究生学位论文 第一章液压控制技术的发展概述 是将比例型的屯一机械转换器( 如比例电磁铁) 用于上业液压阀，蛆代替开关电磁铁或调节 手柄。阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，大多不含受控参数的回馈循环。多用于开环 控制。 1 9 7 5 年到1 9 8 0 年问，比例技术的发展进入了第二阶段。采用各种内同馈原理的比例纽 件大量问世，耐高压双电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟。其应用领域日渐扩大，不 仅用于开环控制，也被应用于循环控制。 8 0 年代，比例技术的发展进入了第三阶段，比例组件的设计原理进一步完善，采用r 压力、流量、位移内回馈和动压回馈及电校正等手段，使阀的稳态精度、动态响应和稳定性 都有了进一步的提高。除了因制造成本所限，比例阀在中位仍保留死区外，它的稳态和动态 特性均己和工业伺服阀无异。后来，比例技术开始和插装阀相结合，开发出各种不同功能和 规格的二通、三通插装比例阀，形成了8 0 年代电液比例插装技术。同时，由于传感器和电 子器件的小型化，还出现了电液一体化的比例组件，电液比例技术逐步形成了8 0 年代的集 成化趋势。同时各类比例控制泵和执行组件相继出现，为大功率工程控制系统的节能提供了 技术基础。 1 4 新型的电液数字控制 随着计算机技术与微电子技术的发展，电液系统的数字化控制已成为今后发展的明显趋 势，数字式电液装置将会用于越来越多的液压系统中，这种装置提供阀或伺服之类液压组件 的电气控制。数字是指用来操作这些电液装置的电气信号的类型。 用于给定的液压回路的控制装置的选择要受到安全性、灵活性、可依赖性、原始费用及 易维修性之类因素的影响。电气控制提供作任何其它控制所无法得到的灵活性和方便性。在 某些场合，数字式电气控制可能是得到想要的性能水平的唯一途径。 6 0 年代，为了克服电液伺服闽和普通开关闯的固有缺点，人们就注意数字式或脉冲式 液压组件的开发，这类组件的优点是对介质污染不敏感，工作可靠，重复精度高，成批产品 的性能一致性好。许多学者试图用高速开关控制方式对液压系统的位置、速度进行有效控制。 但是由于当时技术水准限制，开关阀的切换时间与寿命等方面存在严重缺陷，使开关阀的发 展及应用受到制约。 8 0 年代以来，由于装各自动化的提高，以及微电子技术的发展，使电液伺服系统得到 了进一步发展。液压传动作为一种控制手段，充当了连接微电子技术和大功率控制对象之间 的桥梁，从手动控制、机械控制向电液控制、光液控制、计算机控制方向发展。同时，人们 在开关阀的高速化，小型化方面取得了突破，出现了不需d a 转换可直接由计算机控制的数 字阀，并成功应用于导弹姿态的气动伺服控制系统中。近年来，出现了数字控制液压缸和数 字控制直线流体马达等新型元器件，它们将控制组件与执行组件结合为一体，通过开环控制 或循环控制，来实现高精度的位置、速度控制。 如今，科学发展日新月异，计算机，材料学，智能控制的快速发展为数字式液压系统的 发展提供了可能。 2 兰州理工大学硕士研究生学位论文 第二章数字阀的发展现状及趋势 第二章数字阀的发展现状及趋势 2 1 数字阀概述 对于数字式液压控制系统可以采用间接式或直接式数字阀，间接式数字阀是指控制信号 为数字信号，而驱动阀的信号仍为模拟信号，例如v i c k e r s 的p q 压力流量比例阀，就是采 用p w m 控制。直接式数字阀可直接与计算机接口，不需要o a 转换，与伺服阀，、比例阀相 比，它具有结构简单，价格低廉，阀口对污染不敏感、功耗小等优点，因此，数字式液压系统 的开发应用将是今后液压技术发展的个重要方向。直接式数字阀按驱动原理来讲，主要分 两种：增量式( 步进电机式) 数字阀和脉冲调制开关式数字阀。 2 1 1 增量式数字阀 增量式数字阀采用步进电机控制，目前常用的增量式数字阀，就其控制驱动的原理来说， 是采用步进电机作电信号一机械位移转换组件的控制阀，即步进电机直接驱动的数字阀，其 结构见图2 1 。 5 图2 1 增量式数字阔结构简图 当控制数字阀的微电脑发出控制信号时，步进电机转动并经过滚珠丝杠或凸轮使电机的 旋转角位移转换为阀芯捎板的直线位移偏转角，使阀口开启或关闭。步进电机转动一定的 角度相当于数字阀的一定开度。 图2 - 2 增量式数字阀控制方框图 图2 2 是增量式数字阀的控制方框图。微机发出控制脉冲序列，经驱动电源放大后使步 进电机按控制脉冲动作，每个脉冲使步进电机转过一个固定的步距角。因此，数字阀的控制就 在于步进电机的控制。步进电机可以采用微电脑或可编程控制器( p l c ) 进行控制。p l c 以 3 兰州理工大学硕士研究生学位论文 第二章数字阀的发展现状及趋势 其通用性强、可靠性离、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、 现场接口安装方便等一系列优点。因而目前绝大部分采用液压技术的系统，如大型组合机床、 自动生产线、加工中心等均采用p l c 控制技术：而数字阀的p l c 控制只占用p l c 的3 5 个i 0 接口及几十b i t 的内存且可以省去数字阀的控制微机使控制系统简洁、成本显著下降，可 靠性大大提高，更星示出其卓越的性能。 由此可见，增量式数字阀不需d a 转换，对污染不敏感，可靠性高，易于控制算法的实 现，但仍存在一些问题，步进电机输出的是旋转量，而为了能够将其转换成直线位移，往往 要采用丝杆螺母机构或凸轮机构，同时为保证阀具有好的性能，对其精度也要求较高；动态 特性较差，由于步进电机驱动螺杆机构或凸轮机构要克服较大的惯性力及摩擦力，从而造成 步进电机运动不能过快，限制了增量式数字阀的进一步发展。 2 1 2 脉冲调制开关式数字阀 脉冲调制开关式数字阀也称高速开关阀，它是根据脉冲信号的高低电平来控制阀芯的开 启与关闭，是通过改变不同的占空比或调制频率来改变阀的平均流量。此种阀结构简单，图 2 - 3 为它的简易结构图， 图2 3 脉冲调制数字阀结构简图 芯 芯 脉冲调制开关式数字阀可采用脉宽调制( p 州) 、脉码调制( p c m ) 、脓频调制( p f m ) 、脉 幅调制( p a m ) 、脉数调制( p n m ) 等，其中最常用的是脉宽调制、脉数调翻和脉码调制，这 类组件一直在全开或全闭状态下工作，能将o n off 数字信号直接转换成流体脉冲信号， 使计算机控制技术无需d a 转换接口便可实现与液压技术的有机结合，所以具有结构简单、 抗污染能力强、易于同电子回路配合等特点，近年来在液压控制和气动控制领域中都占有重 要的地位。 脉冲调制开关式数字阀是流体控制领域内的新型控制组件，本身结构和性能也有待进一 步提高，应用于液压伺服系统中是一种离散控制而非连续控制，具有严重垂线性和离散性等 特点，控制精度较差。 2 2 数字阀的性能比较 目前比例阀的应用正在不断扩展。这土要是冈为其控制精度中等，成本又低于传统伺服 阀，性能优于普通的液压阀。但是增量控制式数字阀具有抗污染性好，重复性好，非线性( 包 括磨擦力、滞后) 现象对数字控制系统的影响比模拟系统小，所以很有前最，与比例阀相比 4 铁蟹筒铁套座斤簧番姥萋骨啊栩-霉 23毒56下8 一兰型里兰奎兰塑! ：塑窭生兰竺竺苎 星三量垫! 堕竺垄壁堡墼墨塑塑 有很大的竞争力，但频宽较窄，动静特性尚不能满足某些应用要求，对下快速响应要求高的 高精度系统还不能与伺服阀相匹敌。 增量式开关阀的优点与步进电机式数字阀相比优点相似，且受突出，尤其结构简单，成 本低、性能妤，因此对开发研制具有很大的吸引力，但目前在寿命、管道脉动方呵有待更深 入研究并加以解决。 电磁阀组式数字阀现多用于可编程控制器，它只适合有运动要求及运动精度要求较低的 系统。 开关伺服系统( 比例系统) 是以数字指令经脉冲调制变成脉冲模拟量来控制比例阀或伺 服阀。其主要优点是系统简单、成本低，缺点是存在调节死区，因此对其定位精度、减少死 区同时提高系统稳定性需进一步研究。 数字阀各项性能汇总如下： 表2 - 1 数字阀性能比较表 间接式数字控制 直接式数字控制 模拟式 数字模拟 电磁阀组增量控制式高速开关阀 比例阀伺服阀 式 步进马达式 需要接口 需要需要需要需要不需要不需要 电路板 计算机控 需a d需a 仍不需a d 不需 制适应性a ，d 不需a ，d不需a d 控制方式 开、死循环 死循环开、死循环开环 开、死循环开、死循环 抗干扰能 弱弱较强强强强 力 t 温度漂移 2 0 6 0 6 82 32 控制精度 3 73 0 1 0 1 频率响应 1 0 2 52 0 5 0 00 5 _ 3 1 0 3 0 以上 h z 电器信号模拟模拟开关开关开关开关 电控制器 较复杂复杂较简单简单较复杂较简单 复杂程度 计算机数 控系统造高高较高一般较低低 价 液压组件 制造工艺 较复杂复杂较复杂简单较复杂较简单 液压组件 成本 中等展高较高最低较低低 抗污染能 较荠差最强较好很强 力 维护方便 较差较著较差一般较好较好 性 工作可靠 较差较芹较尊较差较好较蚶 性 兰州理工大学硕十研究生学位论文 第一章数字阀的发展现状及趋势 功率消耗 3 2 50 0 5 53 0 6 08 w 技术发展 正在大力有较多八十年代 推，“，增长成熟研制应用实初国内外 正在开发 程度研制 率很快例已生产 2 3 数字阀的发展现状 由于模拟控制的液压组件与数字控制的组件相比有一些固有的缺点和问题，因此近年来 国内外流体组件与系统的数字化研究得到了迅速的发展，步进电机增量式数字阀的开发，以 日本较为领先，其中东京计器公司的数字流量阎、压力阀、方向流量控制阀均已作为产品成 本，压力达到2 l o b a r ，流量1 5 0 0 v m i n ，输入脉冲数为1 0 0 1 2 6 其重复特性精度和滞环精 度均在0 1 以下。美国、法国、英国、加拿大等也进行了研究和应用。 脉宽调制开关式数字阀亦以日本、法国、研究为多，美国b k t 公司于1 9 8 4 年推出了一 种三通球形插装式高速电磁开关阀，该阀的响应时间为：开启时间3 m s ；关闭时间2 m s ，丁 作压力为i o m p a 。这种阀主要被用在柴油机中压共轨电控燃油喷射系统中。日本的田中裕久 等人于1 9 8 4 年前后研制了两种高速电磁开关阀，其中的二通阀在工作压力为1 5 y t p a 时，阀 的响应时间为：开启时间3 3 m s 关闭时间2 8 r n s ；三通润在工作压力为? m p a 时，阀的响应 时间不足3 m s 。 到了二十世纪八十年代中、后期，e t 本的宫本正彦等人成功地研制出工作压力为 1 2 0 ) , l p a ，开启和关闭时间分剐为0 3 5 m s 和0 ，4 m s 的三通型超高压高速电磁开关阀。德国 g o s c h 公可也成功地开发出一种适用于超高压f 3 2 作的高速电磁开关阀，该阀的开启时间为 0 3 m s ，关闭时间为0 6 5 m s 。值得注意的是，上述几种超高压商速电磁开关阀的工作流量都 甚小。 与国外相比，我国的液压数字阀的开发研究工作则起步相对较晚，所开展的工作大致可 以分为两个方面，即一方面是跟踪国外的研究，探索电磁开关阀实现高速响应能力的基础理 论研究；另一方面则是自主或合作开发高速电磁开关阀样机及与之配套的驱动控制装置。重 庆大学在8 0 年代末期先后开发研制了步进电机控制的各类液压气动组件如液压数字阀擞字 泵、数字缸等等；同时又相继研制了脉宽调制型各类数字液压气动组件。其中，步进电机增 量式直接控制数字阀以广州机床研究所研制的s z y f 6 b 数字先导溢流阀、s z y f i o b 数字溢 流阀、s z q - f 8 1 6 数字调速阀、8 4 s z - f l o 6 8 b 数字换向阀为代表。脉宽调制式直接控制数字 阀以贵州红林机械厂与美国b 1 6 i 公司合作并经过三年多的努力，研制成功了h s v 系列高速电 磁开关阀为代表。该阀为螺纹插装式结构，阀的开启时间为3 m s ；关闭时间为2 m s ；最高额 定丁作压力为2 0 b l p a ；额定流量为2 - 9 l m i n 。 甘肃工业火学从8 0 年代末期起，也对数字液压阀 r t 大量的研究工作，尤其是许仰曾教 授，一直从事此项研究，对数字阀做了多方面的深入研究，不仅从阀的结构，电控驱动部分 进行了深入的理论研究，而且还很好地结合生产实际，针对不同的工况需求，先后研制出人 流量高频响先导式数字液压闻、数字式压力调节阀，柴油机高压共轨数字阀，于2 0 0 4 年结 合市场需要，推出超高速火吸力燃气电喷阀( h g d v 脉冲调制开关式数字阀) 。 国内外已经开发的一些脉宽调制开关式数字阀，人多仍然采 j 电磁铁作为驱动器，因此 阀的切换速度受到一定程度的限制：压晶体管型驱动器虽然提高了切换速度，但所需电压高， 消耗功率火。近年来，对于稀土铁化物超磁致伸缩效应的应用硼究受到重视。但常见的铁磁 材料的磁致伸缩系数仪为l o “数量级，这样小的伸缩效应，实际应用意义不大。而把nj 、 6 兰州理工人学硕十研究生学位论文第二章数字阀的发展现状技趋势 c0 和fe 加到稀土中所形成的一些化合物和非晶合金具有很大的磁致伸缩系数，其数量级 是普通铁磁材料的1 0 0 至1 0 0 0 0 倍。用这种材料制成微位移驱动器，并应用于精密仪表和仪 器，能够获得极高的响应速度。国内外对超磁致伸缩线形驱动器作为脉冲调制式数字开关阀 的电一机转换器进行了初步研究。 近年来，在国外工程机械、汽车的液压伺服系统中得到广泛的应用。在日本、德国等国 家，利用脉冲调制式数字开关阀的p 肼电液控制系统已经应用到农业机械、运输设备、机床、 航空等领域。在国内p w m 电液控制系统也逐步得到厂泛应用，脉冲调制式数字开关阀作为一 种先导控制用于泵的变量机构、换向阀或比例阀的先导级也日趋明显。 兰州理t 大学硕士研究生学位论文 第三章脉冲调制式数字开关阔的设计研究 第三章脉冲调制式数字开关阀的设计研究 3 1 电磁阀性能指标设计原则 脉冲调制式数字开关阀是电、磁、机、液的耦合体，在确定设计原则时应全面考虑各方 面的影响，以确保设计制仵出脉冲调制式数字开关润能够满足系统整体的性能要求。 3 1 1 电性能指标的设计原则 在驱动电路中使用功率场效应管作为开关组件，响应控制单元发送的控制命令。 接收到控制单元发出的控制脉冲后，功率场效应管导通。电磁线圈被施以外加电压u 。 此时电磁线圈中电流变化规律满足电压平衡方程，即 d i u = 识+ 上二二( 3 1 ) 西 矗； ； 电磁线圈中的电流变化率睾是影响是电磁阀响应速度的一个重要参数。值越丈，达 讲删 到一定电流值所需时间越短，电磁阀工作响应时间也就越短。 彳f 在驱动电路中总电阻r 值很小，几乎可忽略不计，电流变化率主要由外加电压u 和 讲 电磁线圈电感l 决定。提高外加电压口、减小电感可使电流变化度v 变大，有利于提高 脉冲调制式数字开关阀的响应速度。 在电磁阀的散热性能允许情况下，应尽可能性地提高功率驱动模块的能最输入，即增大 矗， 外加电压u 值，以期得到较高的电流变化率三，实现电磁阀的快速响应性。 讲 当控制脉冲结束时，对于常规功率驱动电路线圈电流也要经过过渡过程方能降为零，但 为了大大提高了电磁阀的开启速度，设计驱动模块时希望能够实现线圈电流的快速下降。 通过对脉冲调制式数字开关阀工作过程中电路特性所起到的作用，可明确功率驱动模块 与电磁线圈的设计应满足如下原则： 1 ) 脉冲调制式数字开关阀关闭前的能量强激 功率驱动模块应尽可能高的速率为数字阀注入能量，确保脉冲调制式数字开关阀在 关闭过程中产生足够大的电磁作用力，缩短关闭响应时间。 2 ) 脉冲调制式数字开关阀闭合时的能量保持 脉冲调制式数字开关阀关闭后，因t 作气隙较小，磁路磁阻很低，是磁线圈通入较 小的保持电流便能产生足够大的电磁作用力保证脉冲调制式数字开关问的可靠闭合。小 的保持电流可以降低能量消耗，减小线圈发热，同时有利于脉冲调制式数字开关阀的快 速开启。 3 ) 脉冲调制式数字开关阀开启时的能量瞬时切断 脉冲调制式数字开关阀开启时，应使电磁线圈中储存的能量迅速泄掉，线圈电流瞬 时切断确保脉冲调制式数字开关阀在回经弹簧作用下快速开启。 4 ) 电磁线圈的低电感设计 电磁线圈的小电感设计，可以尽可能地提高电流变化率。 8 兰卅i 理工大学硕士研究牛学位论文 第二章脉冲调制式数字开关阀的设计研究 3 1 2 磁性能指标的设计原则 脉冲调制式数字丹关阀磁性能的体现集中表现在磁性材料的选择与磁路蹬计两方面。蚓 使刚的软磁捌料应满足_ f 列一些要求： ( 1 ) 磁导率要高。要求在很小的磁势作用下产生较大的磁通，因此希望材料的“。 尽可能大。 ( 2 ) 饱和磁感席强度h s 要高。一方面要得到较大的电磁作用力，另一方面应尽可 能缩小导磁体的截面积。 ( 3 ) 矫顽力要小。可减小剩磁的影响， 减小磁滞损耗。 ( 4 )电阻率要高。在电磁阀工作过程中，随着电磁铁组件磁路中磁通嘲抟变化， 导磁体内将会产生环绕磁通的感应电流，即涡流。涡流的作用总是使磁通的 变化落后于线圈电流的变化。涡流的存在会增大电磁阀工作的响应时间。为 减小涡流损耗希望材料的电阻率要高。 脉冲调制式数字井关阀应合理安排磁路，提高能量转换效率。因为动能由电磁能转 换而得，磁通路径的合理组织，可使电磁能更有效地转化为脉冲调制式数字开关阀运动 所需的动能。 在磁路设计上，应使磁通集中在目标磁场，集中在有效目标路径中。减小散磁、漏 磁，从而使通过工作气隙的磁通密度加大。 3 1 3 电磁阀机械性能指标的设计原则 很明显，电磁阀中运动质量的加速度越大，完成相同工作行程所需的时间越短，电磁阀 的响应时间就越短。 在电磁阎关闭过程中，运动质量受到电磁作用力、弹簧反力以及各种阻尼阻力的综合作 用，运动质量的加速度可表示为： q ? = f 1 m 一= 巴一只一t ( 3 - 2 ) m = 研口+ 棚。 其中，8 ，一运动品质加速度；f 一电磁阀有效作用力；艺一电磁作用力 只一弹簧作用力；( 一阻尼阻力；m 一总运动品质 m 。衔铁品质；m o 一附加运动质量 由公式( 3 - 2 ) 可以看出，增大电磁阀有效作用力、减小总运动质量可提高电磁阀的运 动加速度。 在反力特性定时，增大电磁作用力能够提高电磁阀的有效作用力。电磁作用力可由简 化m a x s e w e l l 吸力公式表示： f ：b 2 a( 3 3 ) ，a 。_ t j j 其中，b 磁感强度；a 一电磁铁作用面积；, u o 一真空磁导率 9 兰州理工大学顼十研究生学位论文 第三章脉冲调制式数字开关阀的设计研究 由公式( 3 - 3 ) 可以看到，增大电磁组件磁路中工作气隙的磁感应强度和电磁铁的有效 作用面积是提高电磁作用力的有效途径。 3 2 阀结构设计 现今，螺纹插装式阀由于安装方便结构紧凑渐趋流行，我们将采用这一结构来设计开发 脉冲调制式数字开关阀。由于耍解决小阀大流量，行程也要求尽可能的小，而且要求在频繁 开启下不易磨损工作可靠，同时要有很好的密封性。因此采用哪位形式的阀芯对阀的总体性 能也是至关重要的。在此我们对锥阀和球阀进行分析和比较。 对直角球阀的过流面积进行计算。在图3 - 1 所示的南角阀座的过流面积图中，当阀的开 度为x 时，其过流面积a 为截头锥体的侧面面积。 c = 口( r + y ) ( 3 - 4 ) s = r ( r y ) y 口：刀月( ，2 y z ) y ：万，z 妒2 + 1 ) 一( r ，) 2 i 矿五 = ( x ，) + 托丽 d a d x = 【1 一+ ( 尺r ) 2 ( 2 + 1 ) f l ( r 1 + 2 ) j = z - s i n 口 c = 万( 2 ，一s - c o s 口) 口= s c = x - s i n a ( 2 r z s i n ( 2 a ) 2 ) d a d x = r - s i n 口r 2 r x s i n 2 a ) 其中，尺一为钢球的半径；r 一为通路口的半径； ( - 为截头锥体的平均周氏；卜为截头锥体的母线长； 口一为开度为x 的过流面积；x 一为阀芯的位移量； d a d x 一为阀的面积梯度即阀的流量增益；p 一为便于计算而引入的数值 下面的方程式用于计算亩角锥阀的过流面积，各种符号的具体意义见后面说明。 ，寸1 幽3 1 球阀、锥阀 1 0 ( b ) ) ) ) ) ) ) ) ) 5 6 7 8 9 o 2 协 净 净 兰，盟竺工大学硕士研究生学位论文第三章脉冲调制式数字开关阀的设计研究 与直角韵球阀相比较而言，锥润多了一个叫口的参数，这是锥润的半锥角。而在直角球 阀的计算过程中，引入了一个中间的计算值卢，它没有实际的物理意义，而只是为了计算 时的方便。按照以往的设计经验，选取一定的参数值，将月的数值定义为的的1 8 倍，然后 使的，在一定的范围内变化，通过数值的运算，确定两种方案中，哪一种更为合理，主要根 据是在最大开口处的过流面积要求比较大，而且在高压下必须能够正常的丁作，因此在零开 口咱的流最冲击要比较小。同时也可以确定出r 数值的大小。具体的计算过程用程序加以解 决。 通过对比可知，在所设计的范围以内，零开口处直角球阀门的流量增益要比直角锥阀的 小，即流量冲击小，而最大开口处的过流面积较火，可以满足大流量的要求。故我们选定球 阀为脉冲调制式数字开关闽的基率形式。 其次，确定节流口的流量系数。由于球阀的过流阻力小，流量增益火，按照经验可以将 流量系数取为0 7 2 。 根据流量公式，再考虑到数字阀的数字特性，它的驱动信号存在一定的占空比r 。下 面的式子表明了其平均流量的计算方法，要对齄个周期殆内的瞬时流星进行积分运算，其 中的盯( 0 是导阀的开口处的过流面积，它是时间r 的函数，并且在一个周期乃之内，按占 空比的大小，有一段时间内是零流量的，由于不同一般的阀，有稳态的工作点，数字阀的阀 芯处于不断的运动之中，相应的开口量也在不断的变化之中，因此下面的式子只能提供一个 大概的情况。 q = c d 2 - a o ) 。f 2 卸p ( 3 1 3 ) p 一为数字阀入流和出流压力的差值， 润座的结构也会对液流的流动有比较大的影响，特别是我们选用的阀座，应该能够使数 字阀顺利的过流，而不应该对涟流有过大的阻碍作用。按照这一原则，对阀座的过流截面也 有一定的要求。即不能因为截面太小而造成节流阻尼作用引起的流量饱和。 阀芯的受力可以分为液压力 ，稳态的液动力r ，瞬态的液动力r ，还有惯性力只， 粘性的阻尼力凡等等。事实上，由于数字阀并不是在一定的稳态工作点上工作。因此下面 的计算也只能是对受力的情况的一个大概的判断，具体的方程同样只有在动态仿真的过程中 才能加以解决。 = ( p 2 一p 1 ) 石r 2 ( 3 - 1 4 ) f 。= p q v t c o s o f p q v 。c o s 0 。 q ；c d 2 a ( x ，) 乒百石丽 v = c ，2 ( p 2 一儿) p 其中，i 争一为通过导阀开口的瞬时流量； v ，v 。一分为油液的入流和出流速度； 8 ，目。一分为油液的入流角和出流角： c 。，v 一分为出口处的速度系数和速度： 一般取臼，为6 0 ，取p 。为0 口，为了保证取值比较合理，对结构方面有 ( 3 1 5 ) ( 3 - 1 6 ) ( 3 1 7 ) 定的要求 兰州理工大学硕士研究牛学位论文 第三章脉冲调制式数字开关阀的设计研究 通过加丁保证，c d 2 取为0 7 2 ，c v 取为0 9 8 ，按照这一数值，对稳态的液动力可以进行一定 的简化，根据上面的公式，可以推出： ，= 2 ( p2 一p 。) + c ，c d 2a ( x 。) c o s 0 ，| ( 3 1 8 ) c = c d 2 p l p 2 ，。( p 2 一p 。) v d ( 3 1 9 ) 吒2b 。 ( 3 - 2 0 ) v d = d 。) l d t ( 3 2 1 ) b 9 = 石d z ，u ( r p ) ( 3 _ 2 2 ) = m a d ( 3 2 3 ) a d = a ( v d ) 疵 ( 3 2 4 ) 其中， 。为数字阀的面积梯度；v d 数字阀芯的速度； l p 一为数字阀的阻尼长度； m 一运动件的品质， 上面列出的几个力之间必须能够达到平衡，只有这样，数字阀的关闭和开启才能正常的 进行。 3 3 脉冲调制式数字开关阀的驱动设计 脉冲调制式数字开关阀功率驱动模块的设计决定了外部能量将以何种具体形式通过电 磁阀，亦即流经电磁线圈中的电流变化波形。驱动模块的形式东仅影响输入能量的大小，而 且还影响输入能量的变化速率，直接关系到电磁阀能否满足快速响应等性能的要求。现已比 较成熟的驱动模块可分为如下两种：调压式和增压式驱动模块。 3 ，3 1 调压式驱动模块 按工作方式的不n y - n 分为线性调压式驱动和p w m ( 脉宽调制) 调压式驱动阿种。线 性调压式驱动采用t 2 v d c ，对其进行线性调节以得到合理的电磁线圈驱动冉流。p w m 调压 式驱动具有节约能耗、电路结构简单、体积小等优点。在相同工作条件下，p w m 驱动模块 消耗的能量比线性驱动模块少近1 ，3 ，因为当控制阀关闭后，p w m 驱动模块可以调节电磁 线圈中的维持电流，而线性调节器压驱动模块却只能提供定常的维持电流。 3 3 2 增压式驱动模块 使玎j 增压电路提供远高于1 2 v 的电压作为电磁线圈的驱动电压。在控制阀初始运动阶 段，提供更高的电压，使线圈中的电流以极高电流变化率上升，保证电磁阉的快速响应性。 兰州理t 大学硕士研究生学位论文第三章酥冲调制式数字开关阀的设计研究 当电磁铁吸台后，改为提供低电压以维持控制阀的工作状态。增压式驱动模块可以提供快速、 可预知、不受电平电压变化影响的线圈电流上升波形，从而保证控制阀关闭始点的一致性， 降低喷射定时的误差。但其电路设计比调噩式驱动模块复杂，能耗高。总的来看，增压时驱 动模块有以f 特点： 1 对电平电压的变化不敏感 2 对导线电阻变化不敏感 3 ，提高阀启闭的精确性。 本课题研究的脉冲调制式数字开关阀采用增压式驱动模块。 3 兰州理工大学硕士研究生学位论文第四章脉冲调制式数字开关闭的性能研究 第四章脉冲调制式数字开关阀的性能研究 脉冲调制式数字开关阀是p w m 流体控制系统的莺要元件，其性能对系统的控制性能 ( 如控制精度、频宽和稳定性等) 有着重要的影响。数字阀的性能通常用开启和关闭时间来 描述，这种描述方法物理意义明确，但却不便丁1 = 程应用。因为系统的设i , t 。者无法从阀的开 启时间和关闭时间指标中商观的、全面地了解阀对系统性能的影响及与系统其它参数间的制 约关系。 系统的设计者希望了解以p w m 方式丁作的脉冲调制式数字开关阎的增益、零偏、线性 控制范围等静特指标，并以此为依据来选用数字阀，再之，由于频域方法是流体控制领域的 工程技术人员最常用的一种系统设计和校正方法，因此系统的设计都必须知道以p w m 方式 j 二作的脉冲调制式数字开关阀环节的传递函数。但是，由于脉冲调制式数字开关阀以开关方 式工作，其频率特性很难用实验测试得到，因此有必要建立以脉宽调制方式工作的数字阀的 频率特性与阀的其它较容易测试的特性指标间的关系，通过间接的方法求得脉冲调制式数字 开关阀的频率特性。 本章研究了用模拟式电子线路实现的脉宽调制器控制的电子液压( 气动) 脉冲调制式数 字开关阀的静特性和频率特性，建立了静特性、频率特性与阀的开、关时间之间的关系。为 系统设计者合理地选用脉冲调制式数字开关阀提供了定量的依据。图4 - 1 是以p w m 方式工 作的脉冲调制式数字开关阀的原理图它是由脉宽调制器、功率放大器和脉冲调制式数字开 关阀三部分组成。 x d二 l 一码一 图4 1 脉冲调制式数字开关阀原理图 4 1 脉宽调制器的分析 吲4 - 2 是一种常用的自然采样、双沿调制脉宽调制器的结构原理图。由图4 - 2 可以看出， 该类脉宽调制器实际上由加法器、零位比较器和载波信号组成。加法器、零位比较器将其转 化成占空比为r 的脉宽信号。 4 兰型堡三查堂竺土研究生学位论文第| 7 q 章脉冲调制式数字开关阀的性能研究 ft l t ) j 二 l 、 u e j 爿 一i i 1 上 图4 - 2 脉宽调制器结构简圈 图4 - 3 脉宽调制器的框图 该类脉宽调制器的特性可表示为： u = 丢s g n 【e + 鼻( f ) 】+ 去 ( 4 - 1 ) = 寺s g n 【e + 鼻( f ) 】+ 去 ( 4 - 1 ) 二工 定义占空比t 为： f = 古f 嗽 c a 之， 因此： r = 毒心s 邮+ 删】+ a t 。， 占空比r 与输入信号e 的关系是由载波信号的波形确定的，可供选用的波形有数种， 如：三角波、锯齿波、正弦波和方波等。表4 - 1 列出了采用三角波、锯齿波、正弦波和方波 作载波信号时，脉宽调制器的输出占空l tf - qe 的关系，其中k 表示载波信号的幅值。 在工程应用中，通常要求占空比r - 5 输入信号成线性关系。从表4 - 1 可以看出，只有采 用三角波和锯齿波作载波信号且当| e l k 时，r 与e 成线性关系。即只有三角波和锯齿波 适合于用作载波信号。 当f e i y 。时脉宽调制器可简化为一比例环节，其增益为： x ，。= 可1 ( d - 4 ) 该奖脉宽调制器的另一个特点在于当输入信号e 为恒值时，其输出的脉宽调制信号的 周期与载波信号的周期相同。当输入信号e 为时变信号时，不仅脉宽调制信号的占空比随 l _ l 曼 兰州理工太学颁十研究生学位论文第四章脉冲调制式数字开关阑的性能研究 斟问改变而且其周期也要变化。输入信号的频率越高、幅值越大脉宽调制信号周期的变化也 越大。 表4 1 波形对比图 三角被锯齿被正弦渡 方帔 图 窘 八” 冶 趴即 瞻 _ 一 o it c t o行 殆l v 冶 u 一 、j 象 际 v v