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

孫燦興，張曉松

（上海海岳液壓機(jī)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(yīng)用，它的先導(dǎo)閥由模擬量信號(hào)進(jìn)行控制。但是，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，模擬量控制信號(hào)總是受到干擾，信號(hào)被多次復(fù)制或進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸之后，這些干擾的影響可能會(huì)變得十分顯著。而與模擬信號(hào)相比，數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中具有更高的抗干擾能力、更遠(yuǎn)的傳輸距離，且失真幅度小。

當(dāng)前，比例節(jié)流插裝閥的先導(dǎo)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(guò)模擬量控制信號(hào)，使得閥芯保持在一定的開(kāi)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(hào)容易受到周?chē)h(huán)境的干擾。

本研究針對(duì)上述情況，采用二位二通球閥式高速開(kāi)關(guān)閥作為先導(dǎo)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字式控制，二位二通球閥式高速開(kāi)關(guān)閥由PWM信號(hào)進(jìn)行控制，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，基于AMESIM構(gòu)建數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真模型。通過(guò)PWM脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比和頻率對(duì)于二位二通高速開(kāi)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(jiàn)圖1，等效符號(hào)圖見(jiàn)圖2。在高速開(kāi)關(guān)電磁鐵不通電時(shí)，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(kāi)關(guān)電磁鐵提供PWM信號(hào)時(shí)，通過(guò)調(diào)整PWM控制的占空比和頻率，控制高速開(kāi)關(guān)電磁閥的開(kāi)或關(guān)的時(shí)間比例，使鋼球平均開(kāi)度量保持在一個(gè)水平，從而控制a口的壓力，最終實(shí)現(xiàn)閥芯的開(kāi)口度控制，實(shí)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(hào)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)關(guān)電磁閥的結(jié)構(gòu)

由PWM信號(hào)控制的高速開(kāi)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(kāi)關(guān)電磁閥（圖4）因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封可靠、動(dòng)作靈敏、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

圖4 二位二通球閥式高速開(kāi)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(xué)模型

2.1 插裝閥閥芯的運(yùn)動(dòng)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(jiàn)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(kāi)口度），mm；x0為閥芯閉合時(shí)彈簧預(yù)壓縮量，mm；A1為閥芯進(jìn)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(yùn)動(dòng)黏性摩擦系數(shù)；k1為主彈簧剛度，N/mm；ks1為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力系數(shù)。

2.2 高速開(kāi)關(guān)電磁閥的運(yùn)動(dòng)方程

高速開(kāi)關(guān)電磁閥的閥芯力平衡方程如式（2）：

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

2.3 高速開(kāi)關(guān)電磁閥的電磁模型

忽略溫度對(duì)線圈電阻的影響，電壓平衡方程見(jiàn)式（3）：

式中：U為驅(qū)動(dòng)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(xué)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(xué)模型見(jiàn)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(dòng)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(xué)模型，建立動(dòng)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(dòng)態(tài)仿真模型

4 數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(hào)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(shí)，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(shí)間響應(yīng)曲線（不同占空比）

圖7 主閥流量時(shí)間響應(yīng)曲線（不同占空比）

當(dāng)占空比為20%時(shí)，高速開(kāi)關(guān)閥的電磁力不足以推動(dòng)鋼球，因此主閥芯位移始終為0，沒(méi)有動(dòng)作；當(dāng)占空比分別為40%和60%時(shí)，高速開(kāi)關(guān)閥的電磁力使得閥芯保持在一定開(kāi)度的位置，實(shí)現(xiàn)比例功能；當(dāng)占空比分別為80%時(shí)，足夠大的電磁力使得閥芯達(dá)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(hào)的頻率的影響

高速開(kāi)關(guān)閥的占空比為55%，頻率分別為50 Hz、75 Hz、100 Hz、150 Hz時(shí)，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(shí)間響應(yīng)曲線（不同頻率）

圖9 主閥流量時(shí)間響應(yīng)曲線（不同頻率）

由圖8和圖9可以看出，當(dāng)高速開(kāi)關(guān)閥的頻率越高時(shí)，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(duì)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(duì)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(kāi)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(yīng)時(shí)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(kāi)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(kāi)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(huì)對(duì)高速開(kāi)關(guān)電磁閥的比例開(kāi)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(shì)：

1）高頻PWM控制下的二位二通高速開(kāi)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(lái)替代傳統(tǒng)的二位三通比例節(jié)流閥用作先導(dǎo)閥，可以實(shí)現(xiàn)比例功能的數(shù)字量信號(hào)控制。

2）由于數(shù)字量控制信號(hào)的抵抗環(huán)境干擾的能力比模擬信號(hào)強(qiáng)，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(kāi)關(guān)電磁閥的電插頭進(jìn)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。