高速比例电磁阀电-机械转换器动态特性研究

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比例电磁阀作为电液控制 回路中的先导控制元件，其动态特性对电液控制的品质有着重要的影响本文从电-机械转换器的结构和工作原理出发，通过Ansofl Maxwel和Simplorer联合仿真，对所提出的电-机械转换器直流驱动与 PWM驱动下动态响应进行了研究，并将仿真得到的电流响应与试验结果分析比较，以验证仿真结果的正确性，并为确定合理的结构及电 6气参数提供了依据。

当绕组的通电电流不断增大时，衔铁受电磁力也不断增大，当衔铁所受电磁力大于阀芯所受负载力的总和时，衔铁带动芯轴移动，芯轴推动阀芯向右移动，阀芯的移动进而可以调整电磁阀进油口或者排油口的开度，就可以控制排油口的流量，进而可以控制输出端的压力。另外，通过调整左端的调整弹簧，可以调整不同的比例电磁阀溢流压力值。

1.阀芯 2.阀芯导向环 3.前磁轭 4.芯轴前导向环 5.绕线筒. 绕组 7.衔铁 8.芯轴 9.套筒 10.后磁轭 11.芯轴后导向环12.弹簧 13.壳体 14.调节螺钉图1 电-机械转换器内部结构图2 动态模型建立及仿真理论基础2.1 动态模型比例电磁阀的线圈在电气控制回路可以简化为电阻和电感的串联，线圈电流动态过程可以用微分方程收稿 日期 ：2012-11.13基金项 目：863”国家计划资助项 目(2012AA111713)作者简介：段丽娟(1986-)，女，云南腾冲人，硕士，主要从事液压技术方面的科研工作。

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2013年第5期 液压与气动 21表示[ ：)Ri(f)L Kv (1)式中，U( )为线圈电压；R为线圈电阻；i(t)为线圈电流； (t)为衔铁位移；Kv为速度反电势系数； 为线圈动态电感。

实际比例电磁阀-般采用 PWM信号作为驱动，在控制频率l厂、占空比，j取得比较合适时，可使电磁阀电流保持稳定的平均值，在时间常数 -定时，稳定的电流平均值 ，及电流波动值 d，撒于占空比D和周期 ，可得电磁阀线圈在-个控制周期内的电流如下式 3 J：fi(t)U/R(，-dI-U/R)e "(0

可见在 PWM控制下电磁阀线圈中的稳态电流 i和电流波动幅值 d 撒于控制信号的控制频率和占空比，电磁阀电流在高电平结束时刻和控制周期结束时刻的瞬态电流分别为：IIdI/U/RL(I-dI-U/RL e- 7 、，-dI f，d，)e ( -。)定义 A e ；B e ，则 由式 (3)可其中，m 为阀芯质量；Ks为弹簧刚度系数；F 为液压力 ； 为阀芯位移。

2.2 仿真模型图2所示为电-机械转换器的仿真模型，图中电-机械转换器磁称算模型在 Ansofi Maxwel中建立，电-机械转换器的控制模型与物理模型均在 Simplorer中完成。模型的输人为电流、衔铁运动状态，输出为通过绕组的电流和衔铁运动后衔铁的状态。

忽略软磁材料磁阻与电涡流效应及温度对系统的影响。首先对电-机械转换器的几何模型、磁称算模型、控制模型和物理模型进行设置；其次，初次计算时，在 Simplorer中的控制参数与物理参数输入到 Maxwel中进行磁场的计算，并输出该步计算完成后的电流与阀芯的位置、速度、加速度和电磁力的状态，此时输出的值在 Simplorer中计算完成后又重复输入到 Maxwel中重新进行计算，直至到仿真时间结束。

阀芯运动状态(输出l Rl JJ(入)电-机械转换器 阀芯运动状态(输出)(出)P、MOS芯运动平衡方程初始条件设置导出： 图2 仿真模型， 2 R · 二1 A B± (4) 2. 3 仿真设置 - 、 ·j 仞共议豆dI1 (5)可见，当电磁阀控制周期 足够短(控制频率.厂足够高时)时， 值接近为1，电流波动值d 接近为零，电磁阀线圈电流接近直流。

当电-机械转换器衔铁工作在线性区时，其输出力动态过程的特征主要有以下几个方面：电磁滞回、摩擦滞回、纯时间延迟。因此动态输出力的表达式为：F Ki(tra)-mSign( )F (6)式中，F 为电磁力；Ki为电流力增益；7- 为纯延迟时间；fm为电磁滞回力；F 为库仑摩擦力。

同样，K、 。、 、 r 、厂m、F 受软磁材料的衔铁位置、动态过程的涡流效应及动态磁化特性影响。

由此可以推导出阀芯的运动平衡方程为：，n F 。 -c -Ksx-Fl。 d (7)仿真初始条件设置：主要包括电.机械转换器磁场模型、电.机械转换器的控制模型与物理模型在软件中的设置。其中磁场模型中，几何模型为轴对称，主要的材料的设置如表 1所示，线圈匝数为 500匝，电阻为5.1欧姆；物理模型中初始条件设置中阀芯位移范围为0～0.2 mi/1，负载力为1.5 N，为阻尼力、弹簧力与液压力之和，衔铁质量为6 g。直流驱动电压为24 V，仿真时间为 10 s，步长为 10 txs；PWM驱动仿真频率为1000 Hz，占空比50%，仿真时间为20 ms，步长为 10 s。

2.4 仿真结果图3、4为控制频率 1 kHz，占空比为 50%的 PWM驱动时的线圈电流、电感、感应电动势、电磁力的响应曲线。

由图3可以看出，经 PWM控制下的线圈稳态平均电流大约2.2 A，电磁力的稳态平均值大约 12 N左右(图4所示)，另外，在图3中还可以看出，感应电动22 液压与气动 2013年第5期势波动范围比较大，但总体趋势下降，线圈平均电感值也逐渐下降，但其平均值大小与直流驱动时相差不多。

可以看出，无论直流或者 PWM驱动，对衔铁的控制作用相同时，PWM驱动可以减小线圈电流，以减小电磁阀的功耗。

表 1 材料参数零件号 零件名称 材料2 阀芯导向环4 芯轴前导向环黄铜9 套筒11 芯轴后导向环3 前磁轭10 后磁轭 10#13 壳体8 芯轴 不锈钢7 衔铁 DT45 绕组固定架 工程塑料6 绕组 铜. 15时间/ms图3 PWM 驱动时线圈电流、电感及感应电动势变化曲线薹 螽图 4 PWM 驱动时阀芯受力及 线圈电流3 计算与试验结果分析为了验证仿真结果的正确性以及进-步研究电-机械转换器的性能，需要对该电.机械转换器进行试验测试。由于电-机械转换器的输出位移较小以及电感值不方便测量，而电磁阀线圈电流比较方便测量，通过电流钳可以测试到回路中的电流。

图5为 PWM驱动时电磁铁电流响应仿真曲线与试验曲线的对比图，通过图中也可以看出，电流响应的趋势、平均值大轩本-致，另外仿真与试验的电流在- 个控制周期内的上升下降趋势基本-致 ，但是电流响应在-个控制周期内的幅值相差比较大，原因是仿真时没有考虑元器件的实际特性或者温度对驱动电路的影响。

2.752.5O2252.0O0.75O.500.250.0O-0.25 0图5 PWM 驱动电磁铁电流响应试验仿真曲线对比通过以上分析可知，PWM驱动下电.机械转换器电流的响应趋势、大小(平均值大小)基本-致，这验证了仿真参数设置及模型的正确性。

4 结论高速比例电磁阀电-机转换器具有装配零件少、结构简单可靠且该比例电磁阀的功耗小等特点∩以实现比例电磁阀的高速响应。通过理论分析、模型仿真分析的方法，研究了该电-机械转换结构在 PWM驱动下的动态响应特性，通过与试验结果相比较，其电流响应曲线动态响应曲线基本吻合，高电.机械转换器的响应时间约为0.5 ms，最大位移为0.2 mm。通过此吻合数据曲线，可以提出电磁铁铁芯的移动量及电感值随电流变化的趋势正确。则该仿真模型能够反映真实物理模型的相关物理量的变化，为后续设计提供理论指导。