基于AMESIM 的數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的動態(tài)特性

孫燦興，張曉松

（上海海岳液壓機電工程有限公司，上海200032）

0 引言

位移-電反饋型的比例節(jié)流插裝閥已取得比較廣泛的應用，它的先導閥由模擬量信號進行控制。但是，在實際應用過程中，模擬量控制信號總是受到干擾，信號被多次復制或進行長距離傳輸之后，這些干擾的影響可能會變得十分顯著。而與模擬信號相比，數(shù)字信號在傳輸過程中具有更高的抗干擾能力、更遠的傳輸距離，且失真幅度小。

當前，比例節(jié)流插裝閥的先導閥一般采用二位三通閥，比例型節(jié)流插件的上部控制腔的壓力取決于二位三通比例節(jié)流閥的中間控制油口，通過模擬量控制信號，使得閥芯保持在一定的開口位置，從而決定了中間控制油口的壓力。但是，模擬量控制信號容易受到周圍環(huán)境的干擾。

本研究針對上述情況，采用二位二通球閥式高速開關(guān)閥作為先導閥來實現(xiàn)數(shù)字式控制，二位二通球閥式高速開關(guān)閥由PWM信號進行控制，建立相關(guān)數(shù)學模型，基于AMESIM構(gòu)建數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的動態(tài)響應仿真模型。通過PWM脈寬調(diào)制信號的占空比和頻率對于二位二通高速開關(guān)電磁閥的影響，提出提高比例節(jié)流插裝閥控制性能的措施。

1.數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥結(jié)構(gòu)組成及原理

1.1 工作原理

數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥原理見圖1，等效符號圖見圖2。在高速開關(guān)電磁鐵不通電時，節(jié)流插件的控制油口a與回油T相通；在電子控制單元在某一頻率范圍內(nèi)給高速開關(guān)電磁鐵提供PWM信號時，通過調(diào)整PWM控制的占空比和頻率，控制高速開關(guān)電磁閥的開或關(guān)的時間比例，使鋼球平均開度量保持在一個水平，從而控制a口的壓力，最終實現(xiàn)閥芯的開口度控制，實現(xiàn)比例節(jié)流功能。

圖1 數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的原理圖

圖2 數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的等效符號圖

1.2 結(jié)構(gòu)

1.2.1數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的結(jié)構(gòu)

本文所述的緊湊型數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥主要包括：比例型節(jié)流插件、蓋板體、高速開關(guān)電磁閥、直線位移傳感器、梭閥、阻尼螺塞及電子控制單元。其結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的結(jié)構(gòu)圖

1.2.2高速開關(guān)電磁閥的結(jié)構(gòu)

由PWM信號控制的高速開關(guān)電磁閥按閥芯的結(jié)構(gòu)，可以分為4大類，即噴嘴擋板式、圓柱滑閥式、錐閥式、球閥式等，而本文所述的球閥式高速開關(guān)電磁閥（圖4）因其結(jié)構(gòu)簡單、密封可靠、動作靈敏、動態(tài)響應好等優(yōu)點而被廣泛應用于各個領(lǐng)域。

圖4 二位二通球閥式高速開關(guān)電磁閥的結(jié)構(gòu)圖

2.數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的數(shù)學模型

2.1 插裝閥閥芯的運動方程

根據(jù)牛頓第二定律，得出插裝閥閥芯的力平衡方程見式（1）：

式中：p1為工作口1的壓力，MPa；p2為工作口2的壓力，MPa；pa為控制口a的壓力，MPa；x為閥芯的位移（開口度），mm；x0為閥芯閉合時彈簧預壓縮量，mm；A1為閥芯進口面積，mm2；Aa為閥芯控制腔面積，mm2；m1為閥芯有效質(zhì)量，kg；B1為節(jié)流閥芯運動黏性摩擦系數(shù)；k1為主彈簧剛度，N/mm；ks1為穩(wěn)態(tài)液動力系數(shù)。

2.2 高速開關(guān)電磁閥的運動方程

高速開關(guān)電磁閥的閥芯力平衡方程如式（2）：

式中：B2為高速開關(guān)電磁閥閥芯運動黏性摩擦系數(shù)；m2為運動部件的質(zhì)量，包括銜鐵、頂桿等，kg；Fδ為電磁力，N；Fp為液動力，N；Fs為摩擦力，N。

2.3 高速開關(guān)電磁閥的電磁模型

忽略溫度對線圈電阻的影響，電壓平衡方程見式（3）：

式中：U為驅(qū)動電壓，V；R為線圈電阻，Ω；φ為線圈磁鏈，Wb；φ為線圈磁通，Wb；i為線圈中的電流；N為線圈匝數(shù)。

根據(jù)電磁學理論，磁鏈φ、磁通φ、線圈電流i和電感L的關(guān)系式為

綜合式（3）和式（4）可得電路的數(shù)學模型見式（5）：

式中：L為電磁線圈的等效電感，H；R為電磁鐵的工作間隙，mm。

3 基于AMESIM 的數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的動態(tài)模型

根據(jù)數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的結(jié)構(gòu)及上述數(shù)學模型，建立動態(tài)仿真模型，如圖5所示。

圖5 數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的AMESim 動態(tài)仿真模型

4 數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的動態(tài)響應特性

4.1 模型關(guān)鍵參數(shù)

在數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的仿真模型中，關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥仿真模型關(guān)鍵參數(shù)

4.2 PWM 信號的占空比的影響

設(shè)定PWM的調(diào)制頻率為100 Hz，占空比分別為20%、40%、60%、80%時，主閥閥芯位移和主閥流量曲線分別如圖6和圖7所示。

圖6 主閥閥芯位移時間響應曲線（不同占空比）

圖7 主閥流量時間響應曲線（不同占空比）

當占空比為20%時，高速開關(guān)閥的電磁力不足以推動鋼球，因此主閥芯位移始終為0，沒有動作；當占空比分別為40%和60%時，高速開關(guān)閥的電磁力使得閥芯保持在一定開度的位置，實現(xiàn)比例功能；當占空比分別為80%時，足夠大的電磁力使得閥芯達到極限位置，不再處于中間位置，輸出流量處于飽和狀態(tài)。

4.3 PWM 信號的頻率的影響

高速開關(guān)閥的占空比為55%，頻率分別為50 Hz、75 Hz、100 Hz、150 Hz時，主閥閥芯位移和主閥流量曲線分別如圖8和圖9所示。

圖8 主閥閥芯位移時間響應曲線（不同頻率）

圖9 主閥流量時間響應曲線（不同頻率）

由圖8和圖9可以看出，當高速開關(guān)閥的頻率越高時，主閥芯位移及流量越小，在高頻范圍內(nèi)，調(diào)制頻率的大小對閥芯平衡不存在影響。因此在高頻范圍內(nèi)，PWM調(diào)制頻率的大小對數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的比例特性不存在影響。

5 結(jié)論

高速開關(guān)電磁閥作為一種性能優(yōu)異的電液控制元件，不僅響應時間快，而且成本是伺服閥和比例閥的1/10左右，高頻PWM（約100 Hz）控制下的高速開關(guān)閥已經(jīng)具有比例閥的功能，在一定程度上已經(jīng)是比例閥。除此之外，高速開關(guān)電磁鐵的線圈電阻和匝數(shù)、彈簧的剛度、鋼球的質(zhì)量以及PWM的調(diào)制頻率均會對高速開關(guān)電磁閥的比例開關(guān)功能有著直接的影響。

本文中的數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥具有以下優(yōu)勢：

1）高頻PWM控制下的二位二通高速開關(guān)電磁閥已經(jīng)具有比例閥的功能，在一定程度上已經(jīng)是比例閥，用它來替代傳統(tǒng)的二位三通比例節(jié)流閥用作先導閥，可以實現(xiàn)比例功能的數(shù)字量信號控制。

2）由于數(shù)字量控制信號的抵抗環(huán)境干擾的能力比模擬信號強，因此數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥具有更高的可靠性。

3）電子控制單元的部分功能集成在插頭式數(shù)字閉環(huán)放大器中，直接與高速開關(guān)電磁閥的電插頭進行連接，使得本文中的數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥更加緊湊。