礦用電磁先導(dǎo)閥驅(qū)動策略

董建麟，廖瑤瑤，袁紅兵，祁 超

(1.太原理工大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西平陽廣日機電有限公司，山西 侯馬 043000)

引言

液壓支架電液控制系統(tǒng)是綜采工作面的重要組成部分，對工作面的高產(chǎn)高效起著決定性的作用。礦用電磁先導(dǎo)閥是液壓支架電液控制系統(tǒng)中的重要組成部分，通過控制主閥的通斷從而使液壓支架完成既定動作[1]。由于煤礦特殊的防爆要求，在以乳化液為介質(zhì)的條件下，低功率、高水壓、高頻率的礦用電磁先導(dǎo)閥目前還沒有問世。本研究以現(xiàn)有礦用電磁先導(dǎo)閥為研究對象，通過研究不同的驅(qū)動控制策略，來改善礦用電磁先導(dǎo)閥的動態(tài)響應(yīng)和功率損耗。

針對提高電磁閥的動態(tài)響應(yīng)，國內(nèi)外研究學(xué)者也展開了相應(yīng)的研究工作。張斌等[2]提出一種三電壓控制策略，通過仿真分別就常規(guī)PWM控制、雙電壓控制和三電壓控制進(jìn)行對比，結(jié)果表明三電壓控制在降低電磁閥開關(guān)時間上明顯優(yōu)于前兩者，而且可控頻率和可調(diào)占空比范圍大；蘇明[3]分析了高速電磁開關(guān)閥的開啟和關(guān)閉特性，提出并設(shè)計了雙電壓控制方式的驅(qū)動器，搭建了高速電磁開關(guān)閥動態(tài)特性試驗平臺，驗證了該驅(qū)動器改善高速電磁開關(guān)閥動態(tài)特性的有效性；李勇等[4]設(shè)計了一種雙電壓合成信號脈寬調(diào)制的電磁閥驅(qū)動電路，實現(xiàn)了全脈寬驅(qū)動電磁閥開啟，低脈寬驅(qū)動電磁閥保持，降低了電磁閥的穩(wěn)態(tài)功耗；高強等[5]提出了電磁閥的復(fù)合PWM控制策略，分析了激勵PWM、高頻PWM以及反向PWM在不同工況下對高速開關(guān)閥的影響規(guī)律；ILLYEONG[6]研發(fā)了一款三電壓激勵的控制電路，在高速開關(guān)閥開啟階段采用高電壓激勵，在維持開啟階段采用低電壓激勵，在關(guān)閉階段采用負(fù)電壓激勵，采用該方法降低了高速開關(guān)閥的滯后時間；FLORIAN等[7]提出電流放大控制策略，提升了高速開關(guān)閥的動態(tài)特性；李范波等[8]通過分析閥的動作頻率設(shè)計了一種高速開關(guān)閥，通過優(yōu)化降低了線圈的溫升與能耗；林濤等[9]通過有限元仿真探究了電磁閥中的線圈結(jié)構(gòu)、線圈匝數(shù)、輸電電壓等參數(shù)對電磁閥的響應(yīng)時間、吸合時間、電磁力等特性的影響；孫曉等[10]提出一種雙線圈電磁閥的導(dǎo)通續(xù)流控制方法，將線圈電流轉(zhuǎn)移或回饋提高電流泄放速度，縮短線圈電流下降時間。

礦用電磁先導(dǎo)閥的額定電壓為DC12 V，電流一般不能超過200 mA[11]，在此條件下提高礦用先導(dǎo)閥的動態(tài)響應(yīng)有一定的難度。本研究通過建立礦用電磁先導(dǎo)閥Ansoft-AMESim的聯(lián)合仿真模型，并通過實驗驗證了仿真模型的正確性，基于仿真模型就單電壓、雙極性電壓、三電壓和PWM維持占空比的控制方式進(jìn)行了對比分析。

1 電磁鐵工作原理

本研究中礦用先導(dǎo)閥電磁鐵結(jié)構(gòu)如圖1所示，其為傳統(tǒng)的螺線管式結(jié)構(gòu)。工作過程如下：當(dāng)輸入電壓控制信號后，電磁鐵的線圈通電，銜鐵產(chǎn)生的電磁推力不斷增加，當(dāng)電磁力大于推桿所受的負(fù)載時銜鐵進(jìn)行吸合運動，完成吸合過程；而當(dāng)切斷電壓信號后，線圈斷電，電磁力不斷減小，當(dāng)電磁力小于負(fù)載時進(jìn)行釋放運動，完成釋放過程。吸合過程和釋放過程總的時間即為電磁鐵的動態(tài)響應(yīng)時間[12]。

1.殼體 2.線圈 3.銜鐵 4.極靴 5.推桿圖1 電磁鐵結(jié)構(gòu)簡圖

經(jīng)過實際測量，先導(dǎo)閥電磁鐵的線圈匝數(shù)為2800，等效電阻為107 Ω，電磁鐵的有效行程為2.4 mm，復(fù)位彈簧剛度為0.85 N/mm。

2 電磁鐵模型建立及試驗驗證

2.1 基于Ansoft的電磁場仿真

經(jīng)過對電磁鐵的結(jié)構(gòu)參數(shù)詳細(xì)測量后，在Ansoft中搭建該電磁鐵的仿真模型，如圖2所示。

1.殼體 2.線圈 3.銜鐵 4.導(dǎo)套 5.極靴圖2 電磁鐵 Ansoft Maxwell 仿真模型

依據(jù)電磁鐵模型，利用Ansoft Maxwell 2D的靜磁場求解器，通過有限元法對麥克斯韋方程組求解計算場內(nèi)的各點電勢和磁勢量，求出磁場儲能，進(jìn)而求得相應(yīng)的電磁吸力和電感系數(shù)。其中電磁力特性參數(shù)和電感特性參數(shù)能夠定義一個電磁鐵的性能[13]。

建立模型后進(jìn)行仿真，得到的該電磁鐵的電磁力與氣隙和安匝數(shù)的關(guān)系曲線如圖3所示，電感與氣隙和安匝數(shù)的關(guān)系曲線如圖4所示。其中工作氣隙從0～2.4 mm，每0.2 mm計算一次，安匝數(shù)從0～500 Tr.A，每25 Tr.A計算一次。

圖3 電磁鐵電磁力特性

圖4 電磁鐵的電感特性

2.2 基于AMESim的礦用電磁先導(dǎo)閥動態(tài)仿真分析

本研究的礦用電磁先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)如圖5所示，工作過程如下：當(dāng)電磁鐵通電時，推桿在電磁鐵作用下推動球閥2運動，使回液口關(guān)閉，與其連接的球閥1打開，進(jìn)液口與工作口相通，高壓液體進(jìn)入工作口，進(jìn)入主閥；當(dāng)電磁鐵斷電時，在液壓力和彈簧力共同作用下使球閥1關(guān)閉，球閥2打開，工作口與回液口相通，這時電磁先導(dǎo)閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.彈簧 2.球閥1 3.球閥2 4.推桿 5.進(jìn)液口6.工作口 7.回液口圖5 先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)簡圖

基于上節(jié)在電磁場有限元軟件下得到的電磁吸力及電感特性數(shù)據(jù)，利用AMESim數(shù)據(jù)表格將電磁數(shù)據(jù)導(dǎo)入電磁鐵模塊中，根據(jù)礦用電磁先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)原理，在AMESim環(huán)境下搭建電磁先導(dǎo)閥仿真模型，如圖6所示。

圖6 先導(dǎo)閥AMESim模型

電磁先導(dǎo)閥動態(tài)曲線如圖7所示，電磁先導(dǎo)閥的運動過程如下：開啟時輸入高電平，從原點到a點，電流迅速上升，電磁力隨電流上升而上升，但還未達(dá)到開啟力，此過程為開啟滯后階段；a點到b點，電流達(dá)到開啟電流后，銜鐵開始吸合動作，產(chǎn)生反向電動勢，阻止電流上升，直至完全開啟，此過程為開啟動作階段，電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流點c；從c點到d點，輸入低電平，電流開始下降，電磁力隨電流下降而下降，但還未降到關(guān)閉力，此過程為關(guān)閉滯后階段；從d點到e點，當(dāng)電流降至關(guān)閉電流后，銜鐵開始釋放，再次產(chǎn)生反向電動勢，阻止電流下降，直至完全釋放，此過程為關(guān)閉動作階段。以上為一次周期內(nèi)電磁先導(dǎo)閥的動態(tài)響應(yīng)過程，電磁先導(dǎo)閥的響應(yīng)時間可以通過勵磁線圈中的電流的變化來確定[14]。

圖7 電磁先導(dǎo)閥動態(tài)曲線

為研究該礦用電磁閥的動態(tài)特性，采用不同周期的PWM 信號去驅(qū)動電磁鐵[15]。當(dāng)電磁鐵通以電壓值為12 V，頻率為2 Hz，占空比為50%的電壓方波時，電磁鐵的動態(tài)特性如圖8所示。開啟滯后時間為21.1 ms，開啟動作時間為13.3 ms，關(guān)閉滯后時間為125.9 ms，關(guān)閉動作時間為33.6 ms。由電流變化可以判斷，開啟電流約為70 mA，關(guān)閉電流約為7 mA，穩(wěn)態(tài)電流約為110 mA。當(dāng)開啟動作完成后，由于電壓持續(xù)保持高位，電流會持續(xù)上升至穩(wěn)態(tài)電流，從而導(dǎo)致在進(jìn)行關(guān)閉時初始電流過大，使關(guān)閉滯后時間大大增加。圖中電磁閥運動一個周期為500 ms，如果繼續(xù)減小周期時間則電磁閥無法完成完整的運動，因此通過仿真所得，礦用電磁閥的動態(tài)響應(yīng)頻率最快為2 Hz。

圖8 電磁先導(dǎo)閥動態(tài)曲線(12 V單電壓)

2.3 電磁先導(dǎo)閥動態(tài)特性試驗與分析

為了驗證基于 Ansoft-AMESim 所建立的電磁先導(dǎo)閥聯(lián)合仿真模型的正確性，進(jìn)行了礦用電磁先導(dǎo)閥動態(tài)特性實驗。圖9為礦用電磁先導(dǎo)閥動態(tài)特性試驗的實物圖。試驗系統(tǒng)主要有12 V直流電源、15 V程控電源、電磁先導(dǎo)閥樣機、嵌入式單片機控制器、電流傳感器、NI-6251采集卡、工控機。當(dāng)12 V電源接通后，通過單片機產(chǎn)生可變頻率的PWM波控制驅(qū)動模塊不斷通斷，使電磁鐵不斷的完成吸合釋放動作，利用采集卡采集電流傳感器獲取到的電流數(shù)據(jù)以及PWM控制信號。

圖9 電磁鐵動態(tài)特性試驗圖

圖10為所采集到的500 ms周期內(nèi)的電流數(shù)據(jù)和PWM控制信號，其中PWM控制信號高電平為3.3 V。從圖中可得到電磁先導(dǎo)閥開啟電流約為70 mA，穩(wěn)態(tài)電流約為110 mA。增大PWM頻率后，電磁閥無法完成完整的周期運動，所以電磁先導(dǎo)閥的最快頻率為2 Hz。所得到的試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗證了模型搭建的正確性。

圖10 500 ms下PWM信號、線圈電流關(guān)系曲線

3 不同控制策略下的動態(tài)特性分析

依據(jù)試驗以及聯(lián)合仿真結(jié)果，先導(dǎo)閥動態(tài)響應(yīng)慢主要是由于開啟滯后時間以及關(guān)閉滯后時間的影響，其中關(guān)閉滯后時間的影響較大。因此通過不同的驅(qū)動控制策略，來改善其動態(tài)特性。由于礦用本安條件下的最大電壓為12 V，所以在此就不討論增大驅(qū)動電壓縮短開啟滯后時間的控制方式，主要從減少功率損耗和縮短關(guān)閉滯后時間方面來改善其動態(tài)特性。

3.1 雙極性電壓驅(qū)動控制方式

雙極性電壓驅(qū)動控制方式是采用2個電壓源對電磁鐵進(jìn)行供電。在電磁鐵開啟階段同樣采用12 V作為輸入信號，與12 V單電壓不同的是，當(dāng)12 V激勵電壓結(jié)束時立刻接入12 V的反向電壓，使線圈電流迅速下降至關(guān)閉電流，之后在0電平信號下完成關(guān)閉動作，其動態(tài)特性如圖11所示。開啟滯后時間為21.4 ms，開啟動作時間為13.3 ms，關(guān)閉滯后時間為12.9 ms，關(guān)閉動作時間為33.1 ms。由于關(guān)閉滯后階段反向電壓的接入，使得關(guān)閉滯后時間大大減小。

圖11 雙極性電壓控制動態(tài)特性曲線

雙極性電壓控制中反向卸荷電壓值或占空比大小對動態(tài)特性影響較大，反向電壓值的大小直接決定了電流下降的速度，而占空比決定了反向電壓的作用時間，占空比過小，達(dá)不到減小關(guān)閉滯后時間的效果，在無電壓激勵下仍需較長時間才能降至關(guān)閉電流；占空比過大，會使得線圈電流降至關(guān)閉電流后持續(xù)降低，甚至降低為負(fù)值，導(dǎo)致下一周期的初始電流過小，增加下一周期的開啟滯后時間，若電流降為反向開啟電流值時，則會導(dǎo)致電磁鐵由于激勵電流的存在再度吸合[16]，影響到液壓支架的動作狀態(tài)，無法達(dá)到控制的目的。

3.2 三電壓驅(qū)動控制方式

三電壓驅(qū)動控制方式是利用控制信號控制開關(guān)管，使得3個電壓源進(jìn)行切換，在不同的階段對電磁鐵進(jìn)行供電。在電磁鐵開啟階段同樣采用12 V作為輸入信號，與雙電壓驅(qū)動方式不同的是在電磁鐵完成開啟動作后，用2 V電壓作為維持階段的輸入，當(dāng)電磁鐵關(guān)閉時，再次采用12 V的反向電壓使電磁鐵快速卸荷，最后在無電壓激勵下完成關(guān)閉動作。其中維持電壓的作用是電磁鐵開啟后維持線圈電流高于關(guān)閉電流，使電磁鐵處于開啟狀態(tài)，所以維持階段電壓需略大于等效電阻與關(guān)閉電流的乘積。三電壓動態(tài)特性曲線如圖12所示，其中開啟滯后時間為20.4 ms，開啟動作時間為13.6 ms，關(guān)閉滯后時間為6.4 ms，關(guān)閉動作時間為34.7 ms，維持階段電流約為26 mA。

圖12 三電壓動態(tài)特性曲線

三電壓驅(qū)動控制方式可以有效減小維持階段功率損耗，減小關(guān)閉滯后時間，改善動態(tài)特性。三電壓控制的關(guān)鍵在于各階段電壓的適時切換，由于涉及到3個電壓源供電，從體積以及電路設(shè)計上給驅(qū)動功率放大模塊帶來了難度。

3.3 PWM維持占空比控制方式

PWM波維持占空比方式是通過改變PWM信號的占空比來進(jìn)行驅(qū)動信號的切換，從而在不同階段提供不同的輸入信號。在電磁鐵開啟階段PWM波的占空比為100%，在大電流驅(qū)動下快速開啟，當(dāng)電磁鐵開啟動作完成后，變換為低占空比，電磁鐵在低電流下維持開啟狀態(tài)，關(guān)閉階段占空比為0，使電磁鐵關(guān)閉。電磁鐵復(fù)合PWM動態(tài)特性如圖13所示。其中開啟滯后時間為21.1 ms，開啟動作時間為14.1 ms，關(guān)閉滯后時間為33.4 ms，關(guān)閉動作時為37.1 ms，維持階段電流約為25 mA。載波頻率應(yīng)遠(yuǎn)大于自身臨界頻率，適當(dāng)增大驅(qū)動頻率有利于減小維持電流，減小關(guān)閉滯后時間[17]。

圖13 復(fù)合PWM動態(tài)特性曲線

復(fù)合PWM驅(qū)動控制方式在有效減小維持功耗，相對改善動態(tài)特性的同時，減少了電壓源的使用，減少了驅(qū)動功放模塊的硬件設(shè)計難度。但維持階段PWM的占空比需適當(dāng)選擇，占空比過小，電流就過小，電磁閥導(dǎo)致關(guān)閉；占空比過大，達(dá)不到減小功耗的作用。

4 結(jié)論

本研究在分析礦用本安型電磁先導(dǎo)閥工作原理的基礎(chǔ)上，基于AMESim-Maxwell建立了礦用本安型電磁先導(dǎo)閥的聯(lián)合仿真模型，利用礦用電磁先導(dǎo)閥動靜態(tài)測試平臺進(jìn)行了單電壓動態(tài)特性試驗，與仿真結(jié)果對比驗證了模型搭建的正確性。利用聯(lián)合仿真模型仿真對比了單電壓、雙極性電壓、三電壓以及PWM維持占空比方式下的動態(tài)特性。結(jié)果表明，單電壓關(guān)閉滯后時間較為嚴(yán)重，功率損耗較大；雙極性電壓能有效減少關(guān)閉滯后時間，但占空比選擇困難；三電壓可以有效減少關(guān)閉滯后時間以及維持功耗，但對于硬件設(shè)計要求較高；復(fù)合PWM在減小維持功耗的同時降低了電路設(shè)計要求，關(guān)閉滯后時間也有所減少。