PWM控制的高速开关电磁球阀动态特性仿真分析

1、PWM控制的高速开关电磁球阀动态特性仿真分析 介绍高速开关电磁球阀的构造及工作原理，建立其动态响应的数学模型，运用AMESim仿真软件将所建的数学模型联系起来开展动态仿真，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。 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开展开关动作。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

2、关电磁阀的研究工作，开发出多种构造和形式的电磁阀，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，通过分析此阀的构造与工作原理，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构造及工作原理 以QDF二位三通常闭式高速开关电磁球阀为研究对象，具体构造简图如图1所示，主要由高频电磁铁

3、、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 高速开关电磁球阀构造简图 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

4、，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

5、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;为磁路磁通;A为电磁作用面积;0为空气磁导率;Rg为工作气隙磁阻;Rm为磁路磁阻;Rl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

6、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;Fk为球阀所受弹簧力;F液为液压力;Fs为稳态液动力;Ft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、动力学模型及其构造简图，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

7、力2MPa，弹簧刚度25000N/m，弹簧力15N，fPWM=50Hz，占空比=0.5，仿真时间0.02s，初始气隙宽度60m。 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

8、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

9、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，优化球阀构造，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缺陷而球阀无法关闭。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