高速开关电磁阀的模型分析及控制方法研究[1]

电气应用 ! " " #年第! $卷第% %期
高速开关电磁阀的模型分析及控制方法研究
图$ 线圈的理想控制曲线
! % % &—吸合时间 ! ’—关断时间
! 硬件连接
在实践中，利用通用单片机，可以方便地实现 (／ ) 转换，! * ) 调节，! "# 调制和延时后的二次调 制，以此为控制器，采用 + , + - 型高速开关电磁阀， 再匹配以相应的外围硬件电路，可以实现高性能的 比例调压阀。主要的硬件连接如图. 、图/所示。
平方成正比，要使电磁铁产生足够的吸力必须加大 线圈电流或匝数从而增加电感，又根据公式 2 *
) #） , ，为了使电流响应快，电感不能 6／ 7（ !,1 太大，故只有通过快速提升线圈电流来获得大的电
／
) ( + , ! （ ） （ +.!,/ ) +,!./ , +, & +. ) ’ ） ） ) - !) " （ +,!./ ) ) & +. &. ’
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 开 启 后， 对 ! "# 输 出 信 号 进 行 占 空 比 固 定 的 称为二次调制） ，使得信号幅值降低 ! "# 调制 （ 到阀的维持电压。二次调制的占空比由开关阀的耐 压峰值和维持电压之比确定。 电磁线圈中电流在整个过程中的理想曲线如图 $所示。 ）的典型截图。 ! "# 信号 （ 1 2 &
式中，/ + 个周期的占空比。 + 为第 一般来说，开关阀的实际动作过程主要取决于 " #$ 信号的周期和占空比。其中，信号周期 - 的 选取有较大裕量，不需讨论。而占空比 / 会对该 过程产生显著影响。随着占空比 / 的变化，会出 现两种特殊情况：/ 较大，开关阀可以完全开启， 但是无法完全关闭，甚至完全无法关闭。这种情况
成比例、连续地运动，再通过固连在一起的销钉带 动推杆上下运动来控制进入 先导腔的气流量，其结构如 图!所示。 高速开关电磁阀是一种理 想的电&气控制转换组件，其 只有 “ 开” 、“ 关”两种极限工 作状态，不存在精度很高的间 隙配合，消除了多种非线性因 素，如 死 区、干 摩 擦 等 的 影
图! 高速开关 阀结构图
! 引言
气动比例调压阀是在微电子技术和计算机技术 的迅速发展下，为满足现代工业生产自动化的需要 而产生的。它是利用高速开关电磁阀的开关特性， 运用脉宽调制技术，通过改变高速开关电磁阀的通 断时间比，改变进入调压阀的通气量 （ 时间平均 值） ，通过压力传感器的信号回馈而达到按比例控 制调压阀压力的目的，从而实现了调压阀对压力的 比例调节功能。图 % 为典型的比例调压阀控制框 图。其中，模拟量的输入、比较以及调制输出等， 可由 + , ， ］ % ! 单片机方便地实现［ 。
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
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・控制技术 ・
% 0 , / 05! ( 0 * 1（ 2 3%） 4／ " 5. 式中，0 为电磁吸引力；1 为常数；" 为气隙大 ［］ 小； 2 3 为安匝数；4 为铁心截面积 ) 。 由上式可知：电磁力和线圈中的电流和匝数的
) ( + , ! （ ） （ ） +.!,) +,!.) -! , ! ! ) % ） )" （ +,!.) ) !. %） +,!.) ) -! ( + , - （ !. % ! )）* # (（ ! ） )" （ +,!./ ) +. &
图/ ! "# 信号产生及二次调制电路
" 试验
图0为使用示波器对排气阀控制信号进行监测 时，不 同 给 定 信 号 下 初 始 ! "# 信 号 （ 1 2 ’）和 —# " —
［ ］ 唐中一，倪文波，袁晓渝6气动脉宽调制数字比例阀 $ 的最新发展 ［ ］ ） > 6机床与液压， & @ @ .（ < 6 ［ ］ 韩 建 海，张 河 新 6 气 动 比 例 ／ 伺服控制技术及应用 . ［ ］ ） ： > 6机床与液压， ’ &（ & < ? 0 6 收稿日期： ’ 0 . < -
图0 输出信号对比
" 结束语
应用 “ 高压驱动3二次调制”的控制方法，可 以有效地解决高速开关电磁阀的深度饱和问题，在 降低功耗、延长阀体使用寿命的同时，也显著提高 了开关阀在常通工作条件下的响应速度，值得在开 关阀控制以及其他相关的工业应用领域推广。以此 方法 为 技 术 基 础 的 比 例 调 压 阀 产 品 4 ， ! 5 (— / 具有精度高、响应快、能耗低的特点，已经被国内 知名气动产品生产企业采纳并进入实用阶段。
" 高速开关电磁阀
" # ! 概述 高速开关电磁阀由线圈、衔铁、推杆、销钉组 成。当有电信号输入线圈时，线圈内磁场对衔铁产 生作用力，衔铁在磁场中按信号电流的大小和方向 —# # —
图. 阀的开关过程
高速开关电磁阀的模型分析及控制方法研究
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & 以下为高速开关电磁阀的动力学分析： （ ）电磁延迟阶段：! "段 " #$ 信号加于 ! 线圈上时，电磁阀开启。由于线圈存在电感，电流 从零开始 （ 假设电感无初始储能）逐步增加。在电 流上升到 " 点之前，电磁力不足以克服阀芯所受 的静摩擦力，阀芯未运动。 （ ）阀芯开启运动阶段：" # 段 当线圈电流 % 增大到 " 点后，电磁力克服摩擦力，阀芯开始运 动，由于此时电磁力对阀芯作正功，线圈的电流减 小。 ）阀芯最大开启阶段： （ # $ 段 阶段阀芯到 & 达最大位置，由于此时阀芯不动，线圈又开始储 能，所以电流重新上升 （ ，它与前一阶段电 # $ 段） ，这一点正是阀芯刚好 流曲线存在一交点 （ # 点） 到达最大开启位置的时刻。 ）断电延迟阶段：$ （ % 段 断电后外加电压 ’ 为( ，由于线圈是电感组件，电流不可能突变为( ， 应为一指数衰减过程。 （ ）阀芯反向运动阶段： % ) & 段 线圈电流作无 源衰减，但是由于阀芯运动的影响，使得其衰减幅 度有所下降。 （ ）阀芯关闭运动阶段： * & ’ 段 阀芯复位并 停止运动，线圈电流自由衰减至零。 由此，可以得到开关阀的实验模型 ( $ ） （ ） +,! - !) " （ +,!.) !会导致电流上升，电感深度饱和，功耗明显增大， 温度升高。需要指出的是，由于调压幅度很大，因 此这一过程维持时间很短，其不利影响可以忽略；
］ . 宽调制周期和占空比的变化很大［ 。在 ’ () 驱动信
号的作用下，阀芯最大行程 ! " 0 1 2和时间关系构成阀 的动态特性，阀的开关过程如图.所示。
图% 比例调压阀控制框图
高速开关电磁阀，作为电&气结合的纽带，对 整个系统的性能有着重大影响，因此有必要对它的 工作原理及控制方法进行深入研究。
图. 开关阀实际连接电路
参考文献
［ ］ 马潮，詹卫前，耿德根 6 & ( 7 8 9 ; 5 原理及应 用 手 册 : ［ ］ 北京：清华大学出版社， # 6 ’ < 6 ［ ］ 金春林，邱慧芳，张皆喜6 ’ ( = , 系列单片机 1 语言编 程与应用实例 ［ ］ 北京：清华大学出版社， # 6 ’ < 6 ［ ］ 陈维龙，王辉6高速电磁阀的驱动方法探讨 ［ ］ < > 6中 国机电工业， ） ： ’ &（ ’ ’ . / ? . 0 6
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/ 较小，开关阀不能完全开启。这种情况对阀体 本身没有什么损害，也不存在深度饱和，功耗增
大，温升等问题。
! 控制方法
! " # $ %& 与闭环反馈控制 脉冲宽度调制 （ ，是在控制系统中经常 " #$） 用到的信号调制方法，原理简单，技术成熟，在此 不再赘述。 当调压阀出口压力值 （ 由出口传感器测得）与 给定压力值不相等时，单片机用输出压力值与给定 压力值的偏差驱动进、排气电磁阀，实现对先导腔 压力的调节，直到偏差为零，进、排气电磁阀均关 闭，主阀芯在新的位置上达到平衡，从而得到一个 与输入信号成比例的输出压力。按偏差信号进行控 制的方法，就是闭环反馈控制。" #$ 与闭环反馈 ］ ’ 控制结合，在气动伺服系统中应用得比较广泛［ 。 ! " ’ 二次调制 高速开关阀是感性组件，其开启、关闭动作相 对于控制信号有一定的滞后，其滞后时间主要由驱 动能量和驱动方式决定。阀上电后，电磁部分产生 电磁力，衔铁在电磁力的作用下上下运动，公式为
—推杆 ! —线圈 % —衔铁 —销钉 . /
响，因而抗污染能力强，工作可靠，结构简单。 " # " 动态特性 从电气的角度看，高速开关电磁阀就是一个电 感。由此出发，可以建立其数学模型并进行进一步的 分析。对于一个理想的开关阀，在一个调制周期 ! 内，电压波形与阀芯位移波形完全相同。但由于高速 开关阀受电磁铁响应时间的影响，实际的阀芯响应不 可能实时跟踪脉宽信号的变化，并且其回应特性随脉
% ( （ ） +,!./ ) ) - !) "+ +. &. ’
磁力，但是，线圈电流增大后，一方面会造成铁心 深度饱和、线圈温升过高、能耗过大；另一方面， 开关阀关断时也会因为流经大电流的作用而使关闭 时间随之延长。因此，考虑到开 ／ 关时间和低功耗， 可以使用高压驱动2低压 " #$ 维持的双压调制模 式。高压驱动，可使阀迅速开启；低压维持，可减 小饱和，缩短关闭时间。 二次调制实现方法陈述如下：当阀的开启信号 发出，利用软件或者硬件产生一个延时，当阀完全 —9 8 —
高速开关电磁阀的模型分析及控制方法研究
张忠祥 刘志珍
（ 山东大学电气工程学院 ! ） " # # $ % 摘 要 高速开关电磁阀是气动产品中的重要元件，是电&气结合的枢纽。在对电磁阀的电
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气模型和数学模型进行深入分析的基础上，给出了开关阀的 ’ 高压驱动 () 改进控制方法，即 “ *二次调制”方法，并对该方法的原理和实现进行了阐述。 关键词 高速开关电磁阀 模型 ’ () 二次调制