车用电液比例阀驱动与控制技术的研究

1、第卷第期湖南工程学院学报年月肌舀车用电液比例阀驱动与控制技术的研究何丽红，刘兰（湖南工程学院机械工程系，湖南湘潭）摘要：为了满足车辆对比例阀驱动电路可靠、节能及体积小等方面的要求，在分析了比例阎工作原理及传统驱动技术的缺陷的基础上，提出了在车辆上应用驱动技术必要性；并针对该驱动方式开环控制精度低的缺点引入了电流反馈闭环控制技术；最后，通过试验验证了该驱动控制技术的有效性关键词：比例阀；驱动技术；电流反馈中图分类号：牾文献标识码：文章编号：（）前言比例阀工作原理随着社会的发展，人类对汽车的性能和环保提出电液比例控制装置的核心元件电液比例阀具有了更高的要求，传统的机械装置已经无法满足某些汽结构简单

2、、控制精度高、安装使用灵活以及抗污染能车功能的有关要求，因而将逐步被现代汽车电子控制力强等多方面优点目前在车辆上取得广泛应用的技术所取代由于液压系统能够在尽可能小的空间内是比例压力阀，如在电子控制式自动变速器（），传递出尽可能大的功率并能加以精确控制，目前在汽电子式辅助液压转向系统（）及制动防抱死系车的各个系统中依然竞相采用微电子与液压执行机（）等总成中都有一个或几个比例压力阀来实现构结合的电液比例控制装置电液比例控制技术的进对压力平滑精确地控制下面以一个典型的的步使车辆变速、转向、制动等各种系统的电子控制成比例溢流阀为例分析比例压力阀的工作原理，图为现实，它的应用显著提高了汽车的动力性、经济

3、性表示其结构简图根据阀口流量公式、阀芯受力平衡和安全性，改善行驶的稳定性和舒适性，助，趁乃。死区曼，。电流（）图压力与电流的关系曲线公式及流量连续公式可以建立该溢流阀的动态数学图比例溢流阀结构原理图模型，设该溢流阀接恒流源，即设为定值（），给定电流的变化函数；利用编写函数对该模型进行数值仿真，可以得到压力随电流收稿日期：一一基金项目：湖南工程学院硕博基金资助项目（）作者简介：何丽红（一），女，硕士，研究方向：机电一体化及机械设计湖南工程学院学报年变化的关系，如图所示利用求得的这些数值解又增加一级反相器最后的转换电路将输入的进行最小二乘曲线拟合，可以得到压力随电流电压信号转换为比例阀线圈的控制电

4、流输出变化的函数以）该功率放大器的功放三极管工作于线性放大区，传统驱动与控制技术其集电结发热量较大，并且电阻与比例阀线圈通过的电流几乎相同，所以的功率高达，因此比例阀驱动与控制系统对控制信号进行处理和三极管和电阻容易烧坏，而两个器件过高的温放大，驱动衔铁输出推力，因此，该系统的优劣直接度对其旁边的运算放大器的工作也有影响另外，由关系到整个液压系统的性能大多数比例阀的生产于计算机无法与比例电磁铁直接接口，要产生具有厂家提供与其产品配套的专用功率放大器，这种专一定精度的控制信号，必须要使用转换器用的功率放大器的原理图如图所示该电路由颤振信号发生电路、控制信号叠加电路及转换电比例阀驱动技术路三部分组

5、成颤振电路是为了减小磁滞及库仑摩擦引起的死区和滞环，提高比例阀对电流响应的灵传统的比例阀驱动电路结构复杂、占用的空间敏度，颤振信号的频率为质量一弹簧系统无阻尼自尺寸大、成本很高、控制精度低、可靠性差而车辆上然频率的倍，一般为，常用的颤振信的比例阀驱动电路力求简单、可靠和节能，传统的驱号为正弦波或三角波，振幅约为额定控制信号的动电路显然不能够满足要求而驱动技术能一控制信号电压与颤振信号电压通过反简化驱动电路、提高工作的可靠性，更适合应用于车相加法运算电路进行叠加，为满足相位的要求，其后辆等移动机械系统比例阀线圈：转换电路图传统比例阀驱动电路驱动技术电路原理如下：微处理器产生脉宽调制信号快速控制串

6、联在电源与比例阀线圈间的复合晶体管的通断，电压以方波的形式加在比例阀”线圈的两端，其平均电压由占空比决定由于线圈的”电感作用，使通过电流变为叠加小幅度交流信号的直流信号，该小幅度的交流信号起到了颤振作用，因此可省去专门的颤振电路，线圈两端的电压及通过，一、一一电流的波形如图所示这种驱动技术要求的电子元件较少，而且无需转换器，可与计算机直接接口，工作可靠性高；复合晶体管处于饱和或截至状态，这种驱动电路具有功耗低、节能的优点，并且发热量也比较少图线圈两端电压和电流波形第期何丽红等：车用电液比例阀驱动与控制技术的研究电流反馈闭环控制技术采用驱动电路时比例阀线圈的平均过通电流不但与信号的占空比有关，还

7、与衔铁的位置和负载有关，换句话说，线圈过通电流与占空比不呈现严格的比例关系因此驱动电路虽然在可靠性及节能方面能够满足车辆的使用要求，但其开环控制精度较低，在许多需要精确控制的场合不能满足应用要求采用闭环控制无疑可以提高控制精度，如利用比例溢流阀控制系统压力时，我们希望利用压力传感器检测到的实际压力，并利用该信号与目标压力的偏差来调节占空比，从而控制比例阀实现对系统压力的精确调节然而，利用传感器监测系统的压力在车辆系统中是非常困难的，甚至有时是不可能实现的，并且一个响应快速、分辨率高的传感器十分昂贵一个可行的替代方案是利用压力与比例阀线圈过通电流的比例关系，通过检测比例阀线圈的实际过通电流，然后

8、利用函数八）转换为对应的实际压力值，利用实际压力与目标压力的偏差值来调节占空比，实现对压力的动态调节其控制系统如图所示图高端电流检测电路电源前者的电流检测部分的放大器可以是一个普通运算放大器，放大器成本较低；但该电路不能检测感应电流，只能提供一个不十分精确的平均电流值；由于开关管工作于高电压端，这时需要专用的变换电路将计算机的输出逻辑电平转换为能够驱动复合晶体管的控制逻辑电压，这使得电路的造价升高并且降低了可靠性；由于短路电流不通过分流器，必须另外设计专用的短路检测电路，因为如果短路情况不被发现，会造成线圈绕组和复合晶体管的损坏后者的电流检测部分的放大器由于工作于高压端，所以必须选用高共轭抑制

9、比的差分运算放大器，价格要比普通运算放大器稍高；但该电路可以检测感应电流，提供一个更加准确的平均电流；开关管工作于地端，计算机输出的逻辑电平可以直接驱动复合晶体管；一个更重要的好处是由于短路电流要通过分流器，该电路可以同时起到检测短路的作用综合考虑，高端电流检测电路简单、经济、可靠性更高，因此更适合于在车辆这种移动机械上使用嬖隙竖堡塑际压力检测焉州离图电流反馈闭环控制系统图最有效的检测过通电流的方法是比例阀线圈、电源和开关管之间串联一个阻抗性分流器，通过检测分流器两端的电压计算出通过线圈的电流根据分流器串联在电路中位置的不同检测电路有两种形式：低端电流检测（如图所示）及高端电流检测（如图所示）

10、比例压！宜；目标压力压力。：力胁：。占空比，：时同（流量：）图开环控制效果为了验证电流反馈闭环控制的有效性，分别在开环控制时和采用电流反馈闭环控制时（采用高端图低端电流检测电路电流检测电路和传统的控制算法）对比例溢流湖南工程学院学报年阀做了入口压力阶跃响应试验，试验结果对比如图对传统的比例阀驱动电路的不足和缺点，引入了所示，试验结果表明，采用闭环控制时系统压力无比例阀驱动电路，该电路更加简单、经济、可靠论是调节时间还是稳态误差都比开环控制时显著减性更高、占用空间尺寸更小，因此更能满足车辆对电少控系统简单、可靠和节能的要求为提高控制精度提出电流反馈闭环控制技术，目标并通过实验证明了该控制技术，具

11、有电路简单，可靠，、，压毫实际性好，响应快速，稳态误差小等优点，能达到满意的、：压力控制效果，非常适合应用于车辆等移动机械上：厂驱动：量力电流；参考文献（）纵一周云山，于秀敏汽车电控系统理论与设计北京：北京理工大学出版杜，许益民电液比例控制系统分析与设计北京：机时间械工业出版社。咖、，璐嘲哦眦鲥（流量：）伽施曲衄，（）图电流反馈闭环控制效果结束语在分析比例阀结构特点和工作原理基础上，针，觚（，衄姐，）【衄蚰，衄）：哆，姐她血叩柚伽乜），觚冼（姐母扛仕，哆曲缸：；越），；珊 车用电液比例阀驱动与控制技术的研究作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次数：何丽红， 刘兰， HE Li-h

12、ong， LIU Lan湖南工程学院,机械工程系,湖南,湘潭,411101湖南工程学院学报（自然科学版）JOURNAL OF HUNAN INSTITUTE OF ENGINEERING(NATURAL SCIENCE EDITION2007，17(40次参考文献(3条1. 周云山. 于秀敏 汽车电控系统理论与设计 19992. 许益民 电液比例控制系统分析与设计 20053. Scott Beversdorf Current Measurement in Solenoids for Automotive Control Systems 2004(04相似文献(10条1.期刊论文 倪文波. 王

13、雪梅. 李芾. 陈勇. 金雪岩. NI Wen-bo. WANG Xue-mei. LI Fu. CHEN Yong. JIN Xue-yan 基于PWM技术的电空比例阀研究 -机车电传动2005,""(3介绍了流体PWM技术的原理,并建立了电空比例阀的数学模型,提出了一种基于PWM技术的电空比例阀实施方案.采用TMS320LF2407A单片机设计了数字式比例控制器,并进行了试验研究.试验结果表明,采用基于PWM技术的电空比例阀具有较好的性能,能够满足电空制动系统的要求.2.学位论文 倪文波 脉宽调制数字式先导型比例方向阀及其系统研究 19963.期刊论文 刘志珍. 张忠祥

14、. 侯延进. Liu Zhizhen. Zhang Zhongxiang. Hou Yanjin 电-气比例阀高压驱动与低压PWM的双压控制模式 -农业机械学报2008,39(7为了保证电-气比例阀具有良好的线性度和提高高速开关阀的响应速度,提出对高速开关阀采用高压驱动与低压双脉宽调制(PWM相结合的双压控制模式,即通过高压(24 V缩短阀的开启时间,低压PWM(6 V按照PID方法控制脉宽,用于降低阀体功耗和缩短关断时间.设计了以ATmega8L单片机为控制核心的电一气比例阀,并进行了试验.测试结果表明,高压驱动与低压PWM的控制模式使得高速开关阀的开启时间缩短为0.8 ms,关闭时间为0.

15、3 ms,调压阀的总功耗仅为2.18 W,明显低于国外同类产品.4.学位论文 陈世明 脉宽调制(PWM比例阀速度控制系统的研究 19915.期刊论文 肖敏. XIAO Min PWM控制的FPGA实现 -绵阳师范学院学报2009,""(56.学位论文 王春洋 新型低能耗电-气比例差压控制阀的研制 19987.期刊论文 邹维. 蒋凯. 叶树明. ZOU Wei. JIANG Kai. YE Shuming 稳流型高效PWM比例阀控制器的设计 -机床与液压2009,37(5根据斩波稳流控制电路原理,设计了一种稳流型高效PWM比例阀控制器.介绍了其组成和工作原理,并研究了其输出电

16、流性质和功率效率.实验研究表明:这种比例阀控制器不仅电路结构简单、控制器体积更小、可智能控制和数字化通讯;而且能输出稳定电流,系统功率效率高.8.学位论文 李红薇 减摇鳍电液比例控制系统应用研究 2008船舶在海上航行时，由于受到海浪、海风及海流等因素的影响，不可避免地会产生各种摇荡，其中以横摇最为显著，影响也最大。减摇鳍是目前使用最为广泛的减摇装置。减摇鳍的随动系统普遍采用电液伺服技术。近年来，电液比例技术以其可靠、节能、抗污染能力强、维护方便且成本低廉等明显优势逐渐引起重视。船舶控制工程实验室在某型号收放式减摇鳍的随动系统中用电液比例阀取代传统的电液伺服阀，设计了减摇鳍电液比例控制系统，本课题对该系统进行了深入研究。论文首先分析了减摇鳍系统及减摇鳍电液比例控制系统的组成和工作原理；然后结合液压控制原理推导并建立了减摇鳍电液比例控制系统的数学模型，计算并代入系统参数后应用MATLAB软件对系统进行了稳定性分析及时域仿真分析，探讨了比例阀死区特性对系统性能的影响，对死区定值补偿后采用常规PID控制方法对系统进行了校正；接下来针对比例阀死区范围时变和非对称的特点，在系统中应用了死区模糊动态补偿方法(即在对系统进行定值补偿和常规PID校正的基础上，利用模糊控制器产生动态补偿量叠加于控制信号并对补偿效果进行了仿真研究；最后，设计了一款数字式PWM比例放大器，该放大器以