车用电液比例阀驱动与控制技术的研究_图文

1、第17卷第4期2007年12月湖南工程学院学报Joumal of Hun肌111stitute0f En舀neeringDec.2007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411101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PwM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;PWM;驱动技术;电流反馈中图分类号:o牾3文献标识码:A文章编号:1671119X(20

2、0704002704O前言1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了更高的要求,传统的机械装置已经无法满足某些汽车功能的有关要求,因而将逐步被现代汽车电子控制技术所取代.由于液压系统能够在尽可能小的空间内传递出尽可能大的功率并能加以精确控制,目前在汽车的各个系统中依然竞相采用微电子与液压执行机构结合的电液比例控制装置.电液比例控制技术的进步使车辆变速、转向、制动等各种系统的电子控制成为现实,它的应用显著提高了汽车的动力性、经济性和安全性,改善行驶的稳定性和舒适性.图l比例溢流阀结构原理图电液比例控制装置的核心元件电液比例阀具有结构简单、控制精度高、安装使用灵活以及抗污染能力强

3、等多方面优点.目前在车辆上取得广泛应用的是比例压力阀,如在电子控制式自动变速器(ECT,电子式辅助液压转向系统(EPS及制动防抱死系(ABS等总成中都有一个或几个比例压力阀来实现对压力平滑精确地控制.下面以一个典型的ECT的比例溢流阀为例分析比例压力阀的工作原理,图l 表示其结构简图.根据阀口流量公式、阀芯受力平衡/趁乃死区/./曼=,O.406电流(A图2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模型,设该溢流阀接恒流源,即g设为定值(25L/ nlin,给定电流的变化函数;利用mtbb编写M函数对该模型进行数值仿真,可以得到压力P随电流收稿日期:2007一05一基金项

4、目:湖南工程学院硕博基金资助项目(120641作者简介:何丽红(19r78一,女,硕士,研究方向:机电一体化及机械设计.助,4,2。,L湖南工程学院学报2007年i变化的关系,如图2所示.利用求得的这些数值解进行最小二乘曲线拟合,可以得到压力P随电流i 变化的函数P=以i.2传统驱动与控制技术比例阀驱动与控制系统对控制信号进行处理和放大,驱动衔铁输出推力,因此,该系统的优劣直接关系到整个液压系统的性能.大多数比例阀的生产厂家提供与其产品配套的专用功率放大器,这种专用的功率放大器的原理图如图3所示.该电路由颤振信号发生电路、控制信号叠加电路及U/I转换电路三部分组成.颤振电路是为了减小磁滞及库仑

5、摩擦引起的死区和滞环,提高比例阀对电流响应的灵敏度,颤振信号的频率为质量一弹簧系统无阻尼自然频率的2倍,一般为200300Hz,常用的颤振信号为正弦波或三角波,振幅约为额定控制信号的10%一20%.控制信号电压与颤振信号电压通过反相加法运算电路进行叠加,为满足相位的要求,其后又增加一级反相器.最后的u/I转换电路将输入的电压信号转换为比例阀线圈的控制电流输出.该功率放大器的功放三极管工作于线性放大区,其集电结发热量较大,并且电阻R1l与比例阀线圈通过的电流几乎相同,所以R11的功率高达10w,因此三极管和电阻R11容易烧坏,而两个器件过高的温度对其旁边的运算放大器的工作也有影响.另外,由于计算

6、机无法与比例电磁铁直接接口,要产生具有一定精度的控制信号,必须要使用D/A转换器.3PWM比例阀驱动技术传统的比例阀驱动电路结构复杂、占用的空间尺寸大、成本很高、控制精度低、可靠性差.而车辆上的比例阀驱动电路力求简单、可靠和节能,传统的驱动电路显然不能够满足要求.而PwM驱动技术能简化驱动电路、提高工作的可靠性,更适合应用于车辆等移动机械系统.图3传统比例阀驱动电路PwM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

7、,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I 电流的波形如图4所示.这种驱动技术要求的电子元件较少,而且无需D/A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.比例阀线圈:U/1转换电路-_-L,一、J一一图4线圈两端电压和电流波形第4期何丽红等:车用电液比例阀驱动与控制技术的研究29 4电流反馈闭环控制技术采用PWM驱动电路时比例阀线圈的平均过通电流不但与PWM信号的占空比有关,还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PwM驱动电

8、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,然后利用函数P=八i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

9、空比,实现对压力的动态调节.其控制系统如图5所示.嬖隙_1竖H堡H塑kLJ焉州离1际压力1检测l图5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6.a所示及高端电流检测(如图6.b所示.比例图6.a低端电流检测电路电源图6.b高端电流检测电路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

10、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

11、使用.压43/!宜E;l目标l|压力I压力/。:fr0.6c:/占空:Jb=。t,比jl-+时同(流量:251./min图7.8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(采用高端电流检测电路和传统的PID控制算法对比例溢流21O力胁湖南工程学院学报2007年阀做了入口压力阶跃响应试验,试验结果对比如图7所示,试验结果表明,采用闭环控制时系统压力无论是调节时间还是稳态误差都比开环控制时显著减少.压43力2(MPalO 5结束语目标-.,、,t毫'j/实际、:/压力:厂驱动D16sk:=量;/电流纵/一l/uVJ|/_+时间(流量:25I./m

12、in图7.b电流反馈闭环控制效果在分析比例阀结构特点和工作原理基础上,针对传统的比例阀驱动电路的不足和缺点,引入了PWM比例阀驱动电路,该电路更加简单、经济、可靠性更高、占用空间尺寸更小,因此更能满足车辆对电控系统简单、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,并通过实验证明了该控制技术,具有电路简单,可靠性好,响应快速,稳态误差小等优点,能达到满意的控制效果,非常适合应用于车辆等移动机械上.参考文献1周云山,于秀敏.汽车电控系统理论与设计M.北京:北京理工大学出版杜,1999.2许益民.电液比例控制系统分析与设计M.北京:机械工业出版社。2005.3s咖Be、,璐dd.cum

13、nt M嘲哦眦nt in鲥enoid8forAut伽施ve Co曲m Syste衄J.AmLDgDialogue,2004, 38(4.Study on DriVe and Control Teclulology ofProportional ValVe f10r VellicleHE Lihong,UU L觚(Dept.0f Mech.Eng.,H衄姐In8titute of ErIginriIlg,【i衄gt蚰411101,Clli衄Abstract:This paper attempts to work out how the pmportional ValVe drive circui

14、t meets tlle working condition of vehicle iIl reliabili哆,姐Ving energy and Volume.ne work她p血ciple of p叩rtional valve柚d liInjtad伽of乜adi-tional dIive tecllIlolog,are觚aly冼d.The PWM(1rive technology is presented to姐tis母tlle requirement of vehicle. ne con扛D1system of current feedback is in仕0duced t0improv

15、e me contr0I precisi.At hst,tlle Validi哆of PWM曲Vecoopemted winl current feedback con缸Dl technology i8pDoved by expedment.Key wordS:proportional valve;PWM;越ve technolog,;cll珊nt feedback 车用电液比例阀驱动与控制技术的研究作者:何丽红, 刘兰, HE Li-hong, LIU Lan作者单位:湖南工程学院,机械工程系,湖南,湘潭,411101刊名:湖南工程学院学报(自然科学版英文刊名:JOURNAL OF HUNA

16、N INSTITUTE OF ENGINEERING(NATURAL SCIENCE EDITION年,卷(期:2007,17(4被引用次数:0次参考文献(3条2.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

17、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1996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0.3 ms,调压阀的总功耗仅为2.18

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19916.学位论文王春洋新型低能耗电-气比例差压控制阀的研制1998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