新型微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥仿真與試驗(yàn)研究

夏 光，鄭 友，唐希雯，孫保群

（1．合肥工業(yè)大學(xué)汽車工程技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2．合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3．國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院，安徽 合肥 230037）

1 引言

在我國(guó)農(nóng)用車輛技術(shù)發(fā)展過程中，為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，淘汰傳統(tǒng)機(jī)械變速器而采用動(dòng)力流不中斷的動(dòng)力換擋變速器已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。而開關(guān)閥作為電液信號(hào)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，負(fù)責(zé)執(zhí)行對(duì)流體通道的通斷控制、流體流動(dòng)的方向控制、繼動(dòng)元件的先導(dǎo)控制，因而在動(dòng)力換擋系統(tǒng)中扮演不可或缺的重要角色[3]。傳統(tǒng)高速開關(guān)閥采用電磁鐵、線圈和動(dòng)鐵芯作為驅(qū)動(dòng)單元，利用電磁力驅(qū)動(dòng)閥芯移動(dòng)來控制滑閥的閉合進(jìn)而控制流體的通斷[4]。這種電磁直動(dòng)開關(guān)型滑閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速。近年來，除了傳統(tǒng)電磁型電機(jī)械轉(zhuǎn)換元件，一些新型電機(jī)械轉(zhuǎn)換元件作為驅(qū)動(dòng)單元相繼運(yùn)用于開關(guān)閥。文獻(xiàn)[5]采用控制線圈式電機(jī)械轉(zhuǎn)換器作為驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)了一種新型電磁閥，其靜態(tài)特性滿足使用要求。文獻(xiàn)[6]采用超磁致伸縮材料作為驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)的開關(guān)閥獲得了較大的有效占空比區(qū)間。

在農(nóng)用車輛動(dòng)力換擋系統(tǒng)中，受作業(yè)環(huán)境限制，換擋頻率通常較低，用于先導(dǎo)控制的開關(guān)閥采用低頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)，增減壓循環(huán)周期長(zhǎng)，需要保持常開或常閉狀態(tài)[7]。傳統(tǒng)電磁開關(guān)閥為了維持常開或常閉必須持續(xù)對(duì)線圈供電[8-9]。由于農(nóng)用車輛作業(yè)環(huán)境惡劣，車身震動(dòng)幅度較大，存在線圈供電電流減弱甚至斷電的風(fēng)險(xiǎn)，將導(dǎo)致閥芯卡滯、失位從而控制失效，影響換擋品質(zhì)以及動(dòng)力輸出的穩(wěn)定性。

為了解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種采用新型微型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的兩位三通開關(guān)閥。電機(jī)轉(zhuǎn)軸上設(shè)有外螺紋，閥芯內(nèi)孔設(shè)有內(nèi)螺紋，通過螺紋配合使電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)閥芯作直線運(yùn)動(dòng)的作用力。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的高扭矩，在一定程度上可以減小由于油液黏度變化、閥芯卡滯等對(duì)開關(guān)閥性能的影響。通過絲杠機(jī)構(gòu)所具備的自鎖性能保證閥芯位置，使直動(dòng)開關(guān)型滑閥的性能更加可靠。

2 微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥結(jié)構(gòu)及工作原理

所設(shè)計(jì)的兩位三通高速開關(guān)閥主要由微型直流電機(jī)、絲杠進(jìn)給螺母機(jī)構(gòu)和閥芯三部分組成，其具體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。由微型直流電機(jī)和絲杠進(jìn)給螺母機(jī)構(gòu)組合而成的電機(jī)械轉(zhuǎn)換器取代傳統(tǒng)電磁閥動(dòng)銜鐵驅(qū)動(dòng)閥芯移動(dòng)。閥芯通過螺紋配合與電機(jī)轉(zhuǎn)軸形成一套微型絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)。微型電機(jī)采用永磁直流電機(jī)，電機(jī)引腳端子在接收到驅(qū)動(dòng)命令后對(duì)電機(jī)提供電壓。閥芯由兩段圓柱體固結(jié)而成，在靠近電機(jī)軸一側(cè)的大圓柱段外側(cè)設(shè)有兩條沿徑向?qū)ΨQ的矩形凸筋，凸筋內(nèi)嵌于閥座對(duì)應(yīng)的矩形凹槽內(nèi)，當(dāng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，凸筋將會(huì)限制閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)。控制信號(hào)引腳接收外部脈寬調(diào)制信號(hào)，用于控制開關(guān)閥的閉合。

圖1 微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure Diagram of New Type On-off Valve Driven by Miniature Motor

微型電機(jī)的電機(jī)軸與閥芯之間通過螺紋配合構(gòu)成一個(gè)微型絲杠進(jìn)給螺母機(jī)構(gòu)，當(dāng)對(duì)微型電機(jī)供電使其電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)同時(shí)使閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)受限時(shí)，電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可轉(zhuǎn)化為閥芯的軸向移動(dòng)。

微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥具有兩種工作狀態(tài)。開關(guān)閥電子控制單元收到脈沖信號(hào)，控制電機(jī)正向供電，使電機(jī)軸正向旋轉(zhuǎn)，閥芯水平向右移動(dòng)直至到達(dá)閉合極限位置，微處理器采集到微型電機(jī)的堵轉(zhuǎn)信號(hào)后即發(fā)出指令停止對(duì)微型電機(jī)供電。此過程閥的進(jìn)油口與控制口逐漸接通，泄油口逐漸關(guān)閉，此時(shí)可通過調(diào)節(jié)控制口的流量與壓力對(duì)該開關(guān)閥進(jìn)行作動(dòng)控制。當(dāng)開關(guān)閥電子控制單元收到下一周期的脈沖信號(hào)時(shí)，自動(dòng)向電機(jī)反向供電，使電機(jī)軸反向旋轉(zhuǎn)，閥芯水平向左移動(dòng)直至到達(dá)開啟極限位置，微處理器采集到微型電機(jī)的堵轉(zhuǎn)信號(hào)后即發(fā)出指令停止對(duì)微型電機(jī)供電。此時(shí)閥的進(jìn)油口封閉，控制口和卸油口連通。每個(gè)脈沖循環(huán)下閥的開閉邏輯相同。

傳統(tǒng)電磁開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)流量控制的方法有兩種，均存在不足之處。第一種是在低頻PWM 信號(hào)控制模式下，在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，高電平對(duì)應(yīng)閥開啟狀態(tài)，此時(shí)油液可通過閥口，低電平時(shí)則閥自動(dòng)關(guān)閉，通過調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。這種方法的本質(zhì)是平均流量的調(diào)節(jié)。其不足之處在于閥口仍然是間開或間閉的，作動(dòng)油缸壓力增長(zhǎng)非線性，造成離合器接合過程中產(chǎn)生微弱的換擋沖擊。同時(shí)，由于閥不可避免的存在開啟時(shí)延和關(guān)閉時(shí)延，因此傳統(tǒng)電磁開關(guān)閥存在臨界工作頻率。當(dāng)PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)頻率超過電磁開關(guān)閥臨界工作頻率時(shí)，閥芯位移將出現(xiàn)明顯的往復(fù)波動(dòng)，閥無法全開或全閉，線性流量調(diào)節(jié)失效。第二種方法采用超高PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)頻率（通常為kHz 級(jí)別），使閥芯處于懸浮狀態(tài)，改變驅(qū)動(dòng)頻率來實(shí)現(xiàn)閥口開度的比例調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制輸出流量。該方法需要全程維持閥的供電狀態(tài)，但是考慮農(nóng)用車輛惡劣的作業(yè)環(huán)境，因此在農(nóng)用車輛動(dòng)力換擋系統(tǒng)采取該種方法存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

新型微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥與傳統(tǒng)電磁開關(guān)閥驅(qū)動(dòng)方式的對(duì)比圖，如圖2 所示。由圖2（b）可知所設(shè)計(jì)的針對(duì)農(nóng)用車輛動(dòng)力換擋系統(tǒng)的新型微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥，僅需在閥開啟和關(guān)閉過程提供驅(qū)動(dòng)電壓。在維持閥芯位置的ton時(shí)間內(nèi)，無需提供任何電壓，依靠絲杠機(jī)構(gòu)的自鎖功能維持閥芯位移不變。閥開啟和關(guān)閉過程具有近似鏡像對(duì)稱性。

圖2 傳統(tǒng)電磁開關(guān)閥與新型微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥驅(qū)動(dòng)模式對(duì)比圖Fig.2 Comparison of the Driving Mode between Traditional and New On-off Valve

3 微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥動(dòng)力學(xué)模型

微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥的作動(dòng)過程依次為電信號(hào)的輸入、電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)和閥芯的直線運(yùn)動(dòng)，三者互為耦合控制關(guān)系。針對(duì)閥開啟過程建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)微型直流電機(jī)工作原理，其時(shí)域下的電動(dòng)勢(shì)平衡方程為[10]：

4 微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥仿真模型的建立

結(jié)合前述推導(dǎo)得到微型直流電機(jī)模型、絲杠進(jìn)給螺母機(jī)構(gòu)模型和閥口流量模型，利用Matlab/Simulink 搭建模型對(duì)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行仿真。在Matlab 平臺(tái)上使用Simulink 搭建的微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥仿真模型，如圖3 所示。

圖3 利用Matlab/Simulink 搭建的微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥仿真模型Fig.3 Simulation Model of On-off Valve Driven by Miniature Motor Based on Matlab/Simulink

微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥仿真模型各關(guān)鍵參數(shù)，如表1 所示。

表1 微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥模型關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 Key Parameters of On-off Valve Driven by Miniature Motor

5 仿真及試驗(yàn)分析

5.1 新型開關(guān)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

前文所述該新型開關(guān)閥的驅(qū)動(dòng)模式與傳統(tǒng)電磁開關(guān)閥不同，所以占空比有效工作區(qū)間對(duì)于各自的含義也是不同的。高電平信號(hào)消失后，電機(jī)轉(zhuǎn)軸由于慣性會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)微小的角度，因此閥芯位移會(huì)有微小的增量，直至閥芯完全靜止。故將占空比有效工作區(qū)間定義為使閥完全打開所需的高電平時(shí)間占一個(gè)周期的百分比數(shù)。

仿真過程模擬該開關(guān)閥在低頻PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)下工作。設(shè)定驅(qū)動(dòng)頻率為25Hz，驅(qū)動(dòng)電壓為36V，閥開口直徑為1 mm，探究了不同占空比下該微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥的階躍響應(yīng)特性。閥芯的階躍響應(yīng)曲線，如圖4 所示。

圖4 不同占空比下的閥芯階躍響應(yīng)曲線Fig.4 Step Response Curves of Spool Under Various Duty Ratio

仿真過程中，逐步增大占空比數(shù)，當(dāng)占空比為35%時(shí)，電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)推動(dòng)閥芯向外做直線運(yùn)動(dòng)。此時(shí)閥芯的極限位移為0.918 mm，閥芯位移小于閥口直徑。當(dāng)占空比等于39.5%時(shí)，閥芯極限位移恰好覆蓋閥口直徑。從輸入高電平的起始時(shí)刻到閥芯運(yùn)動(dòng)至完全遮蓋閥口，此過程的響應(yīng)時(shí)間為23.2 ms。

當(dāng)占空比為42.5%時(shí)，閥芯響應(yīng)時(shí)間繼續(xù)縮短，為21.4ms。當(dāng)占空比增加至52.75%時(shí)，閥芯位移達(dá)到1mm 所需響應(yīng)時(shí)間最短，為21.1ms。此后，占空比繼續(xù)增大，閥芯位移響應(yīng)曲線和響應(yīng)時(shí)間均保持不變。由此可以得出，在25Hz 的驅(qū)動(dòng)頻率下，該微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥占空比有效工作區(qū)間為（39.5～52.75）%。

該新型微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不僅受占空比數(shù)值的影響，同時(shí)和驅(qū)動(dòng)電壓也密切相關(guān)。當(dāng)占空比為50%時(shí)，不同驅(qū)動(dòng)電壓下的閥芯位移響應(yīng)曲線，如圖5 所示。由圖5 可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓超過36V 時(shí)，該開關(guān)閥關(guān)閉時(shí)延明顯減小，但開啟時(shí)延縮短幅度有限。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓小于36V 時(shí)，閥芯位移小于1mm，閥口無法完全打開，并且關(guān)閉時(shí)延顯著增大，削弱了其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

圖5 不同驅(qū)動(dòng)電壓下的閥芯位移曲線Fig.5 Displacement Curves of Spool Under Various Voltages

5．2 新型開關(guān)閥靜態(tài)流量特性試驗(yàn)

前述仿真結(jié)果顯示，在占空比有效工作區(qū)間內(nèi)，不同的脈沖時(shí)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的閥芯位移，而閥口開度決定閥的流量。常規(guī)電磁開關(guān)閥的靜態(tài)特性一般用負(fù)載流量特性曲線表示。而負(fù)載流量特性指控制信號(hào)、負(fù)載壓力和流量的函數(shù)變化關(guān)系。該閥在不同壓差下的流量特性仿真結(jié)果，如圖6 所示。動(dòng)力換擋試驗(yàn)臺(tái)架以及新型開關(guān)閥，如圖7 所示。

圖6 微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥靜態(tài)特性曲面圖Fig.6 Static Characteristics Curved Surface of New On-Off Valve

圖7 動(dòng)力換擋試驗(yàn)臺(tái)架以及新型開關(guān)閥Fig.7 Test Bench for Power-Shifting and New On-off Valve

圖8 新型開關(guān)閥實(shí)測(cè)靜態(tài)流量特性曲線Fig.8 Static Flow Characteristic Curve of the New On-Off Valve

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，在動(dòng)力換擋變速箱試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)新型開關(guān)閥的靜態(tài)流量特性進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)條件設(shè)定油壓為5MPa，驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為25Hz，通過流量計(jì)測(cè)量液壓缸內(nèi)流量來測(cè)量閥輸出流量。試驗(yàn)測(cè)得新型開關(guān)閥的流量特性曲線，如圖8 所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，（38～50）%的占空比區(qū)間為流量飽和區(qū)，對(duì)應(yīng)前述仿真結(jié)果所得的占空比有效工作區(qū)間，在該區(qū)段內(nèi)，輸出流量不再隨占空比的增大而增大。同時(shí)，占空比為（6～38）%的區(qū)段則為流量調(diào)節(jié)區(qū)。在調(diào)節(jié)區(qū)內(nèi)，輸出流量與占空比近似趨近于線性關(guān)系。總體而言，在實(shí)驗(yàn)誤差的允許范圍內(nèi)，新型開關(guān)閥的實(shí)測(cè)靜態(tài)流量特性與圖6 所示仿真結(jié)果大致吻合，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。因此，和常規(guī)電磁閥類似，該閥完全具備油路通斷和流量調(diào)節(jié)功能。

6 結(jié)論

（1）新型開關(guān)閥通過微型直流電機(jī)轉(zhuǎn)軸和絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了閥芯的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，并且通過絲杠機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)閥自鎖，保持閥芯位置恒定。（2）所建模型的仿真結(jié)果顯示該微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥閥芯行程達(dá)到1mm 所需最短響應(yīng)時(shí)間為21.1ms，與其他常規(guī)型電磁開關(guān)閥響應(yīng)時(shí)間基本持平。靜態(tài)流量試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。（3）所設(shè)計(jì)的微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性均滿足使用要求，可以用于替代農(nóng)用車輛動(dòng)力換擋系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的電磁開關(guān)閥。