高速电磁开关阀静态特性研究.pdf

2 0 1 4年 9月 第 4 2卷 第 1 7期 机床与液压 MACHI NE T 0OL ＆ HYDRAUL I CS S e p ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 7 ． 0 1 3 高速电磁开关阀静态特性研究 苏明 ，刘 宇刚 ， 1 ．贵 州师范大学机械与电气工程 学院，贵 州贵阳 5 5 0 0 1 4 ； 2 ．贵州师范大学机械与控制仿真重点实验室，贵州贵阳 5 5 0 0 1 4 摘要针对二位三通高速电磁开关阀双端驱动的特点，理论分析了液压开关半桥的静态特性 ，基于 A ME S i m中建立的 高速电磁开关阀动态模型，对高速电磁开关阀的静态特性进行仿真 ，并分析了造成高速电磁开关阀的静态特性非线性的原 因 。 关键词高速电磁开关阀；液压开关半桥；静态特性；仿真 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 41 7 0 5 0 4 Re s e a r c h o n S t at i c Ch a r a c t e r i s t i c o f Hi g h Sp e e d On - Of jF So l e no i d Va l v e s u Mi ng ， L I U Yu g a n g ’ 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， G u i z h o u N o r m a l U n i v e r s i t y ， G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 1 4 ， C h i n a ； 2 ．Ke y S i mu l a t i o n La b o r a t o r y o f Me c h a n i c a l Co n t r o l En g i n e e r i n g，Gu i z h o u No r ma l Uni v e r s i t y， G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 1 4 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t c h a r a c t e ri s t i c o f d o u b l e s i d e d r i v e n o f 2 - p o s i t i o n 3 - w a y h i g h s p e e d o n o ff s o l e n o i d v a l v e ，t h e s t a t i c c h a r a c t e r i s t i e o f h y d r a u l i c s wi t c h i n g h a l f b r i d g e wa s t h e o r e t i c a l l y a n a l y z e d ．Ba s e d o n AMES i m d y n a mi c mo d e l i n g o f t h e h i g h s p e e d o n o ff s o l e n o i d v a l v e ，t h e s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c o f h i【g h s p e e d o n o ff s o l e n o i d v a l v e w a s s i mu l a t e d ．T h e r e a s o n s f o r n o n l i n e a r o f s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c o f hj g h s p e e d o n o ff s o l e n o i d v alv e we r e a na l y z e d． Ke y wo r d s Hi g h s p e e d o n o ff s o l e n o i d v a l v e ；Hy d r a u l i c s wi t c h i n g h a l f - b r i d g e ；S t a t i c c h a r a c t e ri s t i c ；S i mu l a t i o n 0前言 在高速电磁开关阀的理论研究中，通常将其抽象 为理想 的液压开关 ，当两个液压开关在油源和 回油箱 之间串联 ，输 出压力 和流量在 两个液 压开关 之 间时 ， 就形成了液压开关半桥网络，最常用的二位三通高速 电磁开关阀通常就抽象为理想的液压开关半桥。在高 速电磁开关阀或者液压开关半桥研究的文献中，多是 推导数学模型的状态方程，采用 Ma t l a b ／ S i m u l i n k进 行 仿真分 析 ；或者 是 利用 A n s o fl 、A ME S i m 建立 高速 电磁开关 阀模型 。 ，对高速 电磁开关 阀的动静 态特性进行研究 ；没有将液压开关半桥与高速电磁开 关阀特性 进行 比较分析 。 作者 针对二位三通 高速 电磁开关 阀双端驱动的特 点 ，从理论上对液压开关半桥进行了分析 ，得 出了液 压开关半桥的静态特性。基于 A M E S i m对二位三通高 速电磁开关阀的静态特性进行了静态特性仿真，对仿 真得出的二位三通高速电磁开关阀的静态特性与液压 开关半桥的静态特性进行了比较分析。对于理解高速 电磁开关阀特性 ，指导高速 电磁开关阀的控制与设计 具有参 考价值 。 1 液压开关半桥的静态特性 液压开关半桥由两个液压开关组成，其结构如图 1所示 。 图1 液压开关半桥 图中 K 1为开关 阀 1 ，K 2为开 关 阀 2 ，各 由一 个 P WM信号进行控制，P WMI 控制 K 1 ，P WM2控制 K 2 ，处于开关工作状态。P 为输人 口压力，P 为输 出口压力，输出口与被控元件的油口相通。 液压开关半桥网络的控制方式通常有单端驱动方 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 0 2 基金项 目贵州省优秀教育人才省长基金 黔省专合字 [ 2 0 1 1 ]4 5号 ；贵州省 自然科学基金 黔科合 J 字 [ 2 0 1 1 ]2 0 2 9 号 ；贵阳市工业科技支撑计划 筑科 合 同 [ 2 0 1 1 1 0 1 ]31 1号 ；2 0 1 2科技 创新平 台计划 筑科合 同 [ 2 0 1 2 3 0 3 ]1 1号 作者简介苏明 1 9 6 2 一 ，男，博士，研究员，主要从事机 电传动与控制 的科研教 学工作。Em a i l s u m i n g 6 2 9 l 6 3． c o rn 第 1 7期 苏明 等高速电磁开关阀静态特性研究 5 1 式 、双端 驱 动方 式 、差 动 驱 动方 式 。单 端 驱 动指 在每个脉宽调制周期 内 ，只有一个液压开关 开启 而另 一 个液压开关关闭，控制信号根据误差单独控制液压 开关开启与关 闭的驱动方式 ；双端 驱动指 在每个 脉宽 调制周期 内，两个液 压开关 的 占空 比总是处 于互 补 ， 控制信号根据误差控制两个 阀的脉宽差 的驱动方式； 差动驱动指在 每个脉 宽调制 周期 内，两个液压开关 的 占空 比不需要互补 ，控 制信 号根据误差控制两个阀 的 脉宽差 的驱动方式 。对 于以二位三通开关阀 的形式 出 现 的液压开关半桥 网络 ，由于设计上的原因 ，通常只 能采用双端驱 动方式 。以下就双端驱动方式下 ，液压 开关半桥压力 特性 、流量特性 、流量压力特性进行研 究 。 双 端驱动方 式 中，每个 脉宽 调 制 周 期 内 P WM1 的 占空 比与 P WM 2的 占空 比总是处 于 互 补 的，该 液 压 开关 半桥类 同 于液 阻 网络 中的 A型半 桥 。在该 液压 开关半桥中 ，只不过是用 开关 阀 K 1取代 了液 阻 网络 A型 半桥 中 的液 阻 R 1 ，用 开关 阀 K 2取 代 了液 阻网络 A型半桥 中 的液 阻 R 2 。在一 个脉 宽调制 周期 内，经过阀口的平均流量与其输入 P WM信号的占空 比 r 成 正比 ，液压 开关半桥的流量为供油 口流量减去 回油 口流量 。 广一 q A 7“C ,IA m √ p 。 一 P A 一 一 c dA m ‘ 丽 式 中P 。 为供 油 口压力 ； P 为控制 口压力 ； P 为回油 口压力 ； c 为流量系数； P为流体密度 。 设 P 0 ，以恒压 进油压力 P 。 为控制 压力 的参 考 量，以控制流量的最大流量 为控制流量 的参考 量 ，对上式进 行 量纲 归 一 的处 理 如下 。 当 r 1时 ， 即开关 阀 K 1全开 通 、开关 阀 l 2全关 闭 ，控制 压 力 P 0时 ，控制流量为最大流量 q 。 厂 q _ 『a C d A ／ 兰p 0 可 以得 出 旦 r／ 1 一 P A 一 1 一 r q A m P O √P O 设 ， P p A 。 ，上式可表示 为 Q A r √1 一 P A 一 1 一 r √ p 压力特性 以 为参 变量 ，以 为横坐标 ，以 P 为纵坐标 的 曲线 为 液压 开关半 桥 的压力 特性 。压 力特性表示了在输出流量的归一值 Q 为常值时，输 出压力的归一值P 随占空比 变化的情况。压力特 性如图2所示，在这组压力特性曲线中，Q 0时的 曲线输 出 口流量 为零 ，开关半桥 只有压力输 出，而没 有 流量输 出 ，表示指负 载流量 为零时 ，平均负载压力 的归一值 P 与 P WM信号的占空比 r 之间的关系，这 条 曲线称 为空载压力 特性 。 1 0． 9 0- 8 0． 7 0． 6 0． 5 0 4 0． 3 0 ． 2 0． 1 0 图 2 液 压开关半 桥的压力特性 流量特性 以 P 为参变量，以 为横坐标 ，以 为纵坐标 的曲线为 液压开 关半桥 的流量 特性 。流 量特性表示输 出压力的归一值 P 为常值时，输出流 量 的归一值 Q 随 占空 比 r 变化 的情况 。流量特性 如 图3所示。在这组流量特性曲线中， p o时的曲线 输出口压力为零，表示负载压力为零时，平均输出流 量的归一值 Q 与 P WM信号的占空 比7 I 之间的关系， 这条 曲线称 为空 载流量特性 ，或简称流量 占空 比 特性 。 图 3 液压开关半桥 的流量特性 从 图 3看 出 ，理想液压开关半桥 的空载流量 占空 比特性是一条连接 [ 0 ，0 ]和 [ 1 ，1 ]的线段。 流量 压力特性 以 占空 比 r 为 参变量 ，以 P 为 横 坐标 ，以 Q 为纵坐标 的曲线为液压 开关半桥 的流 量 压力特 性。流量压 力特 性表示 占空 比 r 为 常值 时 ， 输出流量的归一值 随输出压力的归一值压力 变 化 的情况 。流量 压力特性如 图 4所示 。 5 2 机床与液压 第4 2卷 1 0 ． 8 0． 6 0． 4 0 ． 2 I 0 ．0． 2 -0． 4 0． 6 0 ． 8 ．1 图4 液压开关半桥的流量压力特性 以上 3 个特性从不 同的角度反映 了双端驱动液压 开关半桥的静态特性。 2 高速电磁开关阀的静态特性仿真 由于高速电磁开关阀阀芯的动作有开关滞后现象 存在 ，会造成死 区、饱和 区以及 非线性。实 际静态特 性与理想静态特性是有 差别 的。以下基于高 速电磁开 关阀模型，对在双端驱动时的动静态特性进行了仿真。 2 ． 1 动态特性仿真 在 A M E S i m 中建立 的高速电磁 开关 阀模 型 如 图 5所示 。 图5 高速电磁开关阀模型 给定供油压力 2 0 M P a 、厂 P 5 0 H z 、r 0 ． 5 。 阀芯运动并非理想的 P WM运动 ，上升和下降都 P WM信号、电流、阀芯位移关系如图6所示。 有不同程度的滞后。 壤 脚 心 地 薹 4 00 3 00 彗 2 0 0 1 0 0 屡 0 0 I I l 0 l l 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 I I l I I t l I l l s 门 门 I』I 0 图6 高速电磁开关阀 P WM信号 、 电流、阀芯位移关系 图中t 为 P WM脉冲宽度； t 为 P WM脉冲周期； 。 为开启时间，P WM脉冲上升沿到阀完全打 开的时间 ； t 为阀芯开 启滞后 时 间，P WM 脉 冲上 升沿 到 阀开始打开的时间 ； ￡ 为关闭时间，P WM脉 冲下降沿到阀完全关 闭的时间 ； 为阀芯关闭滞后时间 ，阀芯从 全开到开始关 闭时的时间。 1 阀芯开启运动 比 P WM脉冲信号上升沿滞 后 。当 P WM脉 冲上 升沿到来 时 ，电流开始 上升 ，当 电磁力可以克服负载阻力时，阀芯开始开启运动，从 P WM脉冲上升沿到阀芯开始开启运动的这一段时间， 就是 阀芯开启滞后时间 t 2 阀芯从开 启到 完全 打开需 要一 定 的运动 时 间 ，这个时 间为 t 一t ，就 是 阀芯 开 启 运 动 时 间 。 3 阀芯关 闭运动比 P WM脉冲信号下 降沿滞 后 。当 P WM脉 冲下降沿 到来 时 ，在二极 管 的续 流作 用下 ，电流开始 下降 ，电磁力下降 ，当液压力足以克 服 电磁力及阻力 时 ，阀芯开始 关闭运动 ，从 P WM 脉 冲下降沿到阀芯开始关闭运动的这一段时间，就是阀 芯关闭滞后时间 t 4 阀芯从开 始关 闭运 动到完 全关 闭需要 一 定 的运动时间 ，这个 时 间为 t 。 一t ，就是 阀芯关 闭 运动时间 。 2 ． 2 流量特性仿真 在建立的高速电磁开关阀的动态模型中，将开关 阀控制 口的压力 P 设 为 不 同的压 力 ，利 用 A M E S i m 的设计探索工具 ，可以得出开关阀的流量特性。高速 电磁开关阀的流量特性 如图 7所示 。 可以看出 第 1 7期 苏明 等高速电磁开关阀静态特性研究 5 3 1 与理想 开关 半桥 流量 特 性 比较 ，高 速 电磁 开关阀的在流量特性不是一族理想直线段 ； 2 与理想开关半桥流量特性比较 ，高速 电磁 开关阀 的在流量特性存在死 区和饱 和区 ； 3 当压力增加到一定值后 ，高速 电磁 开关阀 的流量特性斜率发生变化 ，斜率变小。 1 ． 0 0． 8 0． 6 0． 4 删0 ． 2 璧 0 ． 0 1 ． 0． 2 ．0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． 0 f 一 0 1M Pa m 2n Pa m 3 n P n 一4M PaSM Pa一6n Pa 一 7n Pa一8M pa 一9M Pa一1 0M Pa一1 1n P a m 1 2 M P a l 3 M Pa 一 1 4M Pa 一 】 5 M P a一 1 6 M P a 一】 7 M Pa 图 7 高速 电磁 开关 阀流量特性 在这组流量特性曲线中，P 0时的曲线为空载流 量特性 。可以看 出，高速 电磁开 关 阀的空 载流量 占空 比特性不再 是一条连接 [ 0 ， 0 ] 和 [ 1 ，1 ] 的线段 。 2 ． 3 空载压力特性仿真 在 建 立 的 A ME S i m 。 的高速电磁开关 阀的动 态模 型 中 ，将 开 关 阀控 0 ． 4 制 口的 节 流 口全 关 闭 ， 0 得出开关 阀的空 载 压力 。 。 特性 ⋯⋯、，⋯～． 图 8高 速 电 磁 开 关 阀 与 理 想 开 关 半 桥 流 一 三 莪 薅 一 量特 性 比较 ，空 载 压 力 特性有较大的差距，主要体现为死区加大和饱和区加 大 。 2 ． 4 流 量压 力特 性仿 真 在建立的 A M E S i m高速电磁开关阀的动态模型 中，将开关 阀控制 口的 占空 比 r 设为不 同的值 ，利 用 A M E S i m的设计探 索工具 ，可以得 出开关 阀的流量 压 力特性 。 0 ． 4 0． 6 J 口 A 图9 高速电磁开关阀流量压力特性 与理想开关半桥流量特性 比较 ，高速 电磁开关 阀 的流量压力特性为非线性关系 ，使得开关 阀系统成 为 一 个非线性系统 ，其流量压力特性存在明显的翘尾现 象 。 3结论与讨论 通过分析与仿真 ，可以得出以下结论 1 高速电磁开关阀的阀芯开启时间 t 阀芯 开启滞后时间 t 阀芯开启运动时间 f 一f 、阀 芯关 闭时问 t 阀芯关 闭滞后 时 间 t 阀芯 关 闭运 动时间 t 一 t 是表征其动态特性 的主要参数 。 2 当负载压力 P 0时 ，阀输 出平均流量 与输 入 P WM信号的占空 比间的关系叫做空载流量特性。 负载流量为零时，平均输出压力与 P WM信号的占空 比问之间的关系叫做空载压力特性 。这两个关系是表 征液压开关半桥和高速电磁开关阀静态特性的主要曲 线 。 3 由于阀芯开启滞后时间 f 阀芯开启运动 时间 一t 、阀芯关闭滞后时间 t 阀芯关闭运 动时间 t 一 t 的存在，使得开关阀系统成为一个 非线性系统 ，其静态特性与理想液压开关半桥特性有 较大的差距。主要表现如下①实际的空载流量特性 并非一条随 r 线性变化的直线段，随 变化的范围在 r m m ≤ r ≤ 内，当 r 7 I ⋯时，实际的空载流量为最大。②在 0 ≤Jr ≤1范 围内，实际 的空载流量 特性不 是 随 r 变化 的直线段 。 ③空载压力特性存在较大的死区和饱和区。 要提高高速 电磁开关 阀的动静态性能 ，核心是减 小开启时 间和关 闭时间。 参考文献 [ 1 ]李玉贵 ， 杨晓明， 高学杰． P WM高速开关阀静特性研究 [ J ] ． 太原重 型机械学 院学报 ， 2 0 0 2 ， 2 3 1 6 8 7 1 ． [ 2 ] 刘忠， 刘卫萍， 何谦． 高速开关电磁阀动态响应建模与仿 真[ J ] ． 湖南师范大学 自然科学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 2 3 5 3 5 7． [ 3 ]孙建彬 ， 岑豫皖， 王刚． 考虑电磁特性的电磁开关阀动静 态性能仿真研究[ J ] ． 机电工程， 2 0 1 1 ， 2 8 1 0 1 1 8 0 1 1 8 4． [ 4 ]王杨彬 ， 徐兵， 刘英杰． 基于 A n s o f t 及 A ME S i m的电磁铁 动态特性仿 真分析 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 9 1 041 05， 1 08． [ 5 ]苏明， 陈伦军． 基于 A M E S i m的电磁高速开关阀动静态 特性研究[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 0 2 6 8 7 2 ． [ 6 ]张志义 ， 孙蓓， 黄元峰． 高速开关阀位置控制方法[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 5 1 2 61 2 8 ． [ 7 ]胡燕平 ， 彭佑多， 吴根茂． 液阻网络系统学[ M] ． 北京 机 械工业出版社， 2 0 0 6 ．