基于PWM控制模式的高速开关阀开关特性分析及优化

王 琼, 吴 惠, 夏 光, 张 维

(1.合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工业大学 汽车技术研究院,安徽 合肥 230009)



基于PWM控制模式的高速开关阀开关特性分析及优化

王 琼1, 吴 惠1, 夏 光2, 张 维1

(1.合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工业大学 汽车技术研究院,安徽 合肥 230009)

高速开关电磁阀作为自动变速器电液控制系统的核心控制元件,其开关响应特性直接影响自动变速换挡执行机构的响应速度和作动品质。文章在分析高速开关电磁阀结构及工作原理的基础上,建立了基于Matlab/Simulink平台上PWM维持占空比方式控制下的仿真模型,并通过仿真分析研究开关特性及关键参数对维持占空比及关闭时延的影响。结果表明，与定压信号控制方式相比,采用PWM维持占空比的控制方式以及结构参数优化调节,有效提高了阀开关动作的整体响应速度。

高速开关电磁阀;PWM维持占空比控制;关键参数;响应速度

0 引 言

自动变速车辆具有操控简便、燃油经济性高、污染排放低等特点,因此,现代汽车的自动变速器搭载率不断提高[1]。电液控制系统是实现汽车自动变速的关键控制模块,电液控制方式也由先导式控制向直接接入控制方式转变。高速电磁阀作为电液控制的核心元件,因其结构简单、驱动方式灵活,在现代自动变速电液控制系统中已逐渐替代传统的先导电磁阀与继动滑阀的组合方式,用于控制自动变速换挡执行机构。因此,研究高速电磁阀特性和优化其开关响应性能,对缩短自动变速执行响应时间、提高自动变速系统的整体性能具有重要意义。

近年来,国内外主要从电-机械转换结构的创新、阀芯和阀体结构的研制、新型材料的应用3个方面对高速开关阀进行了研究。如英国Lucas公司研发的特殊结构的高速开关阀Helemoid阀,应用于电控泵喷嘴燃油系统中,阀芯行程小于1 mm时,阀的响应时间均在1 ms以下;美国BKM公司与贵阳红林集团合作开发了一种螺纹插装式高速强力电磁阀(HSV),该阀的开启和关闭时间分别为3.5 ms和2.5 ms;浙江大学用稀土超磁致伸缩材料开发的高速强力电磁阀,位移量为0.15 mm,开环控制下阀开启和关闭均为0.45 ms以内[2]。

近年来,尽管国内在电磁阀研究上取得一定成果,但是由于起步晚,受到相关理论和相关技术限制,具有自主知识产权的高速开关阀产品很有限。为此通过对高速开关阀响应特性进行研究,可以为电磁阀的优化设计提供参考。

目前,国内外许多文献介绍了通过仿真研究分析高速开关阀开关特性机理以提高响应速度的方法。文献[3-6]通过仿真分析得出了影响电磁阀动态响应的关键因素;文献[7-8]结合驱动电压对电磁阀响应的影响，研究了提高阀开关动作响应的硬件驱动电路方式;文献[9-11]提出在电磁阀吸合阶段采用PWM控制方法提高阀关闭响应速度。总之,在传统定压方式驱动下,调节关键参数缩短了电磁阀开启时延，但明显增大了阀关闭时延,不能整体上提高阀响应速度;以变驱动电压方式控制电磁阀提高了阀整体响应速度,但大大增加了驱动电路的复杂性;PWM信号易于实现和数字控制,通过改变占空比获得不同的驱动电流,十分有利于控制电磁阀开关动作过程。

针对上述情况,本文基于车体12 V电源的高速开关阀PWM信号驱动,利用Matlab/Simulnk建立高速开关阀在12 V PWM信号控制下仿真模型，对比阀在12 V定压信号(即12稳压信号)驱动下的开关响应,研究其在PWM维持占空比控制方式下开关特性,并分析关键参数对维持占空比以及关闭时延的影响,为整体提高高速开关阀响应速度提出优化方案。

1 高速开关阀仿真模型

1.1 高速开关阀的结构及工作原理

本文研究对象为常闭型两位三通高速开关阀,其结构主要有阀体组件、电磁线圈、衔铁、推杆、阀芯、阀座和复位弹簧,基本结构如图1所示。

图1 高速开关阀结构

高速开关阀工作原理为线圈通电时,衔铁和阀体之间产生电磁力,衔铁在电磁力作用下带动推杆克服弹簧力、摩擦力等阻力推动阀芯组件向右运动使控制口与进油口连通,进行充油过程;线圈断电时,电磁力消失,阀芯在复位弹簧作用下克服剩磁力、摩擦力和阻力等,阀芯回到初始位置,进油口完全关闭,控制口与泄油口连通进行泄油。

1.2 高速开关阀数学模型

电磁阀的数学模型主要由电路、磁路、机械运动组成,三者之间是耦合关系。

(1) 电路模型。根据电路原理建立的电压平衡方程[12]为:

(1)

(2)

其中,U为励磁电压;i为线圈励磁电流;φ为磁链;N为线圈匝数;φ为磁通量;Rx为电磁阀内部总磁阻。

为讨论方便,本文只考虑电磁阀线圈电阻R和电磁阀线圈电感L。

(2) 磁路模型。高速开关阀电磁铁部分内部磁场的分析,本文采用简单易行、计算量小、适于工程上使用且易于实现Matlab仿真的磁路分析法。此外由于铁芯和套筒的磁导率远远高于空气的磁导率,故可近似认为磁路磁阻主要表现在气隙上,磁导体的磁阻可忽略不计,即磁路的磁通主要由气隙磁通决定[12]。

(3)

(4)

(5)

其中,Rm为磁阻;l为磁路长度;u为导磁系数;S为磁路截面积;Rg1为工作气隙磁阻;Rg2为非工作气隙磁阻;l0为初始工作气隙长度;u0为空气磁导率;x为阀芯位移;D为衔铁直径;r为等效非工作气隙宽度;lv为衔铁部分长度。

(3) 机械运动模型。根据阀芯在运动过程中受力情况建立的运动方程[13]如下:

(6)

(7)

其中,F为电磁吸力;m为等效运动质量;K为弹簧刚度(假设弹簧为线性特性);x0为弹簧预压紧量;cf+cv为黏滞系数;Kf为稳态液动力阻尼等效系数(假设供油压力恒定);d0为阀口正遮盖度。

1.3 仿真参数

基于以上分析,在Simulink中建立高速开关阀在PWM控制下的数学模型,通过对阀实际测量以及根据经验值获得的仿真参数见表1所列,仿真过程中为研究一些参数的影响,相应参数值会有所变动。

表1 高速开关电磁阀仿真参数

2 高速开关阀开关特性仿真与分析

采用PWM控制高速开关阀开关动作的驱动方式为:阀开启阶段占空比为100%,大电流驱动使阀尽快开启;待阀完全打开后,采用低占空比低电流维持打开状态;阀关闭阶段占空比为0,使阀尽快关闭;PWM信号驱动方式如图2a所示。

阀完全打开阶段,当占空比分别为100%、80%、57.2%、50%时,图2b、图2c所示分别为占空比对电流、电磁力影响曲线,图2d所示为占空比对阀关闭时延影响曲线。

根据图2可知,阀完全开启后,占空比越小,电流和电磁力越小;开启0.02 s以后,阀开始关闭,电流、电磁力下降初值越小,下降越快,阀关闭越快;当占空比小于57.2%取50%时,阀芯位移曲线有明显的减小趋势,此时阀无法保持完全打开状态,因此,阀维持占空比值为57.2%,对应的维持电流强度为1.15 A;当阀占空比100%呈全开阶段,此时PWM驱动信号相当于12 V定压驱动信号。

由图2d明显可见,采用PWM维持占空比、维持电流控制方式明显缩短了阀关闭时间,并且低维持电流可以降低线圈的功率损耗和避免开关阀过热,提高了阀的可靠性。

图2 PWM控制下阀开关动作响应曲线

因为高速开关阀的开启过程在12 V PWM信号驱动下和在12 V定压信号驱动下的响应特性基本一致,而且文献[3-6]中已详细讨论各关键参数对阀开启时延的影响,所以本文限于篇幅不再赘述,下文中直接使用其结论:在12 V稳压信号驱动下,调节驱动频率、线圈电阻、线圈匝数、弹簧刚度和初始工作气隙,能够缩短阀开启时间,却大幅度增大了阀关闭时延,整体上不能提高阀响应速度。

为了提高开关阀响应性能,本文采用PWM信号驱动维持占空比的控制方法,分析阀完全开启阶段和阀关闭过程,并进行各关键参数对阀维持占空比及响应速度影响的仿真实验及对比分析。

2.1 驱动频率对维持占空比及响应速度的影响

在表1中的初始设计参数下,由图2d可知,12 V定压信号驱动下,阀的开启时间和关闭时间分别约为3.76 ms和4.60 ms,因此高速开关阀的临界频率约为119 Hz。高速开关阀在驱动频率为小于或远小于临界频率的PWM信号控制下,易出现周期性开启和关闭动态特性[14],不宜于阀在完全开启阶段维持占空比的控制。因此PWM信号的驱动频率应大于高速开关阀的临界频率。

根据仿真实验中获得的驱动频率,图3a、图3b所示分别为PWM信号驱动频率对维持电流和维持电磁力影响曲线,图3c所示为驱动频率对阀关闭时延影响。

由图3可知,提高驱动频率,可以降低维持电流以及维持电磁力波动幅度,阀在惯性作用下越容易维持全开状态,需要的维持电磁力减小,则维持电流、维持占空比下降,使阀关闭时延减小;如当PWM驱动频率接近阀临界频率为200 Hz时,阀已很难在惯性作用下维持全开状态,需要的维持电磁力、维持电流、维持占空比都大幅增加;而当驱动频率远大于阀临界频率时,频率对维持电磁力、维持电流、维持占空比的大小以及对关闭时延的影响都很小。

总之,在PWM维持占空比控制中,驱动频率应远大于阀的临界频率,适当增大驱动频率有利于减小维持电磁力、维持电流、维持占空比,减小关闭时延,提高阀响应速度。

类似上述分析过程,其他关键因素对电磁阀维持占空比响应速度的影响分析也是根据仿真中得到的电流、电磁力响应曲线得到的。

但是由于篇幅有限,本文直接给出分析结果,并只给出各关键因素最终对阀维持占空比及响应速度的影响曲线。

图3 驱动频率对阀关闭时延的影响

2.2 线圈电阻对维持占空比及响应速度的影响

根据仿真实验中获得的线圈电阻,图4a所示为线圈电阻对阀关闭时延影响曲线。

当维持阀全开状态时,维持电磁力和维持电流不变;线圈电阻减小,电流增大,维持占空比减小;阀关闭过程中电磁力与电流下降初始值不变,电阻减小使电流和电磁力下降更缓慢,因此阀关闭时延略微增大。

图4b所示为12 V稳压信号下线圈电阻对阀关闭时延影响曲线,对比图4b可知,PWM信号控制下减小线圈电阻对阀关闭时延增大的影响明显小于12 V定压信号驱动。

总之,在PWM维持占空比控制下,减小电阻对阀开启时延减小的影响大于对阀关闭时延增大的影响,可以整体上提高阀响应速度。

图4 线圈电阻对阀关闭时延的影响

2.3 线圈匝数对维持占空比及响应速度的影响

根据仿真实验中获得的线圈匝数,图5a所示为线圈匝数对阀关闭时延影响曲线。

图5 线圈匝数对阀关闭时延的影响

当维持阀全开状态时,维持电磁力不变;线圈匝数增大,电磁力增强,需要的维持电流减小,占空比减小;在阀关闭过程,尽管线圈匝数增大时,电磁力下降初始值不变且维持电流减小,但是线圈电感增大和电磁力增强使电流和电磁力下降速度大幅度减小,从而阀关闭时延增大。图5b所示为12 V稳压信号下线圈匝数对阀关闭时延影响,对比图5b可知,PWM信号控制下增大线圈匝数对阀关闭时延增大的影响明显小于12 V定压信号驱动。

总之,在PWM维持占空比控制下,增大线圈匝数对阀关闭时延增大的影响大于对阀开启时延减小的影响,增大线圈匝数整体上不利于提高阀响应速度。应该在保证阀正常开启所需电磁力的前提下,并根据线圈匝数对阀开启时延存在的最优值影响,选择最优的线圈匝数尽量使阀开启和关闭时延最小。如本文中526匝对应的阀开启和关闭时延基本上都达到最小。

2.4 弹簧刚度对维持占空比及响应速度的影响

根据仿真实验中获得的弹簧刚度,图6a所示为弹簧刚度对阀关闭时延的影响曲线。

当维持阀全开状态时,弹簧刚度越小,阻力减小,维持电磁力减小,则维持电流、维持占空比减小;在阀关闭过程,弹簧刚度减小使电磁力与电流下降初始值减小,同时复位弹簧力也减小,综合影响下,阀关闭时延还是略微增加。图6b所示为12 V稳压信号下弹簧刚度对阀关闭时延影响曲线,对比图6b可知,PWM信号控制下减小弹簧刚度对阀关闭时延增大的影响小于12 V稳压信号驱动。

图6 弹簧刚度对阀关闭时延的影响

总之,在PWM维持占空比控制下,在保证阀正常复位功能前提下,减小弹簧刚度对阀开启时延减小的影响大于对阀关闭时延增大的影响,可以整体上提高阀响应速度。

2.5 初始工作气隙对维持占空比及响应速度影响

根据仿真实验中获得的初始工作气隙,图7a所示为初始工作气隙对阀关闭时延的影响曲线。当维持阀全开状态时,维持电磁力不变;阀芯最大行程不变情况下,初始工作气隙减小,阀完全打开状态时残余气隙减小,电磁力增强,获得相同的电磁力需要的电流减小,因此维持电流减小、维持占空比减小;在阀关闭过程,残余气隙减小使得电流和电磁力下降速度大幅度减小,从而阀关闭时延增大。图7b所示为12 V稳压信号下初始工作气隙对阀关闭时延影响曲线,对比图7b可知,PWM信号控制下减小初始工作气隙对阀关闭时延增大的影响明显小于12 V稳压信号驱动。

总之,在PWM维持占空比控制下,减小初始工作气隙对阀开启时延减小的影响大于对阀关闭时延增大的影响,可以整体上提高阀响应速度。

图7 初始工作气隙对阀关闭时延的影响

3 结 论

本文建立了高速开关电磁阀在PWM控制下的仿真模型,分析了占空比对维持阀完全开启状态和阀关闭过程的影响,与稳压信号控制下相比,采用维持占空比控制方法,可有效缩短了阀关闭时延;分析了关键因素对维持占空比和阀关闭响应速度的影响,通过优化结构参数减小阀开启时延同时,明显减弱了其对阀关闭时延增大的影响,从整体上提高了阀响应速度。

[1] 黄康,曾亿山.汽车自动变速技术的发展现状[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2005,28(12):1503-1507.

[2] 丁凡,姚健娣,笪靖,等.高速开关阀的研究现状[J].中国工程机械学报,2011,9(3):351-358.

[3] 黄维钢,王旭永,王显正,等.高速电磁开关阀开关特性的机理研究[J].上海交通大学学报,1998,32(12):38-41.

[4] 袁洪滨,张民庆,孙彦堂.基于AMESim的直动式电磁阀动态仿真研究[J].火箭推进,2011,37(5):30-35.

[5] 戴佳,黄敏超,余勇,等.电磁阀动态响应特性仿真研究[J].火箭推进,2007,33(1):40-48.

[6] KAJIMA T,KAWAMURA Y.Development of a high-speed solenoid valve:investigation of solenoids[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1995,42(1):1-8.

[7] KAJIMA T.Development of a high-speed solenoid valve-investigaton of the energizing circuits[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1993,40(4):428-435.

[8] LEE III-Yeong LEE.Switching response improvement of a high speed on/off solenoid valve by using a 3 power source type valve driving circuit[C]//IEEE International Conference on Industrial Technology(ICIT),2006:1823-1828.

[9] 宋军,李书泽,李孝禄,等.高速电磁阀驱动电路设计及试验分析[J].汽车工程,2005,27(5):546-549.

[10] 苏岭,柳泉冰,汪映，等.脉宽调制保持电磁阀驱动参数的研究[J].西安交通大学学报,2005,39(7):689-692.

[11] LIU Zhizhen,ZHANG Zhongxiang,NIE Xiaotao.Second modulate method of the high speed on-off electromagnetic valve and its application to pressure regulating valves[C]//The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON),2007:534-538.

[12] 葛伟亮.电磁控制元件[M].北京:北京理工大学出版社,2001:15-29.

[13] 高钦和,马长林.液压系统动态特性建模仿真技术及应用[M].北京:电子工业出版社,2013:71-80.

[14] ZHUO Guirong,WANG Haixi.Modeling and simulation of high speed on-off valve based on AMESim[C]//International Conference on Electrical and Control Engineering(ICECE),2011:2342-2346.

(责任编辑 张 镅)

Analysis and optimization of switching characteristics of high speed on-off solenoid valve based on PWM control mode

WANG Qiong1, WU Hui1, XIA Guang2, ZHANG Wei1

(1.School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Institute of Automobile Engineering Technology, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The high speed on-off solenoid valve is used as the core control element of automatic transmission electro-hydraulic control system. The switching response characteristic directly influences the response speed and the operating quality of automatic transmission shift actuator. Based on the analysis of the structure and working principle of the high speed on-off solenoid valve, the simulation model in the maintain-duty-ratio PWM control mode is established by Matlab/Simulink to study the switching characteristic and the influence of the key parameters on the maintain-duty-ratio and the off delay. The simulation results show that compared with the steady-voltage control mode, the maintain-duty-ratio PWM control mode and the optimization of structure parameters effectively improve the overall response speed of the high speed on-off solenoid valve.

high speed on-off solenoid valve; maintain-duty-ratio PWM control mode; key parameter; response speed

2015-04-28；

2015-05-25

国家自然科学基金资助项目(51205101);安徽省十二五科技攻关资助项目(12010202032)

王 琼(1958-),女,浙江淳安人,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.09.010

U463.22

A

1003-5060(2016)09-1199-06