基于AMESim的微型精密比例阀迟滞性优化分析

2022-02-21叶鑫宇胡竣翔胡小雄曹建波章苗英刘丽娇

液压与气动 2022年2期

叶鑫宇，胡竣翔，胡小雄，刘文，曹建波，章苗英，刘丽娇

(1.浙江万里学院信息与智能工程学院，浙江宁波 315100； 2.杭州华澜微电子股份有限公司，浙江杭州 311215； 3.星宇电子(宁波)有限公司，浙江宁波 315514； 4.国家气动产品质量监督检验中心，浙江宁波 315500)

引言

随着新冠疫情的蔓延，许多国家面临医疗物资不足的问题。其中，呼吸机作为救治重症患者的关键设备，成为了最短缺的医疗物资之一。微型精密比例阀具有体积小、可靠性高、迟滞低的特点[1]，是呼吸机氧气流量精度控制的关键部件[2-3]。

WANG S等[4]通过数值模拟和实验相结合的方法分析了主要结构参数对比例电磁铁位移-力特性曲线的影响，并用遗传算法进行优化，成功实现了对电磁铁静态性能的改进。WEI W等[5]建立了比例调压阀的非线性动力数学模型，研究了阀口直径、弹簧刚度、黏性阻尼系数等参数对阀芯运动稳定性的影响，提出了一种阀门参数优化设计方法。刘可等[6]利用AMESim对矿用大流量比例阀进行动态特性的仿真，确定最优控制信号后对主要结构参数进行优化，达到对流量的精确控制。孟飞等[7]通过分析系统原理，建立了比例电磁阀动态特性的数学模型，并进行多物理场耦合仿真，分析了电磁阀内部参量的动态变化特性，为优化电磁阀设计奠定基础。上述研究对比例阀的设计及优化有重要的参考价值，然而对于微型精密比例阀，其体积小，尺寸关联度更大，有必要从系统角度进行分析，在结构方面进行改进，并对主要参数进行多物理场耦合的优化设计。

微型比例阀的迟滞除了电磁铁本身存在的滞环外，还受电磁力、摩擦力、弹簧力等诸多因素影响[8]。目前世界上高端微型精密比例阀的迟滞性为15%，而国内产品难以达到该精度。因此本研究以流量迟滞性作为研究对象，探究一种基于阻尼弹簧(即片簧)的精密控制及快速设计方法，为微型精密比例阀的设计及优化提供一种新的思路。

1 结构设计及工作原理

微型精密比例阀的结构如图1所示，主要由线圈、电磁铁、阀体3部分组成。

(1) 线圈部分由线圈绕组、导磁架、骨架等组成，线圈骨架是漆包线绕组的固定架，漆包线分层均匀地绕在骨架上，当漆包线通电后，螺管式线圈产生磁场并相互叠加，由导磁架将磁场封闭；

(2) 铁芯部分由动静铁芯、弹簧、片簧、密封组件等组成，动铁芯在弹簧力、片簧力、电磁合力的作用下产生一定的位移，其头部与密封组件相连，密封组件在初始态时只受弹簧力的作用，密封件和阀口紧密接触，阀门处于关闭状态，随着输入电信号的增加，密封组件和阀口的位移也成比例增加，输出流量随电信号的增加而增加，实现给定电流对应一定的流量输出；片簧中部镂空，可保持阀体上下气压平衡，提高控制精度，并与动铁芯配合，在初始状态下存在一定的变形，可提供正向的片簧力，使启动状态下电磁力所需克服的弹簧力减小，提高动铁芯运动的平稳性，从而提高流量控制精度，片簧结构如图2所示，在运动过程中的受力如图3所示。

1.调节杆 2、5、14、17.O形圈 3.圆柱弹簧 4.线圈绕组6.上静铁芯 7.副片簧 8.下静铁芯 9.隔磁片 10.线圈导磁架11.线圈骨架 12.套管 13.动铁芯 15.主片簧 16.密封组件18.主阀体 19.工艺孔堵塞钢珠图1 微型精密比例阀结构示意图

图2 片簧结构Fig.2 Structure of damping spring

(3) 阀体上有进气口和出气口，并通过O形圈密封，阀体内部存在多个容积不同的阀腔，阀腔通过阀口连接，从而改变氧气在阀体中的流速。

微型精密比例阀通过对动铁芯位移的控制来提高流量的控制精度。常规比例阀的动铁芯主要受电磁力和弹簧力的作用，并通过调节弹簧刚度和弹簧预紧力等来调节流量输出的大小，但存在流量控制精度低、流量输出不平稳等问题，本研究采用一种基于阻尼弹簧的控制方法，利用片簧的变形引入片簧力，从而提高流量控制精度。

图3 片簧力变化曲线Fig.3 Change of damping spring force

当通电电流大于启动电流时，动铁芯在电磁线圈的电磁力Fd、圆柱弹簧力Ft、片簧力Fp1，Fp2等作用下达到平衡，受力平衡图如图4所示。

图4 动铁芯受力平衡图Fig.4 Force balance diagram of moving iron core

在电流稳定状态下，电磁力、弹簧力和片簧力之间达到平衡。在片簧的调节作用下，阀口开度与线圈电流之间接近理想的线性关系[9]。

2 微型比例电磁阀系统原理分析

比例电磁阀的工作基于电磁感应方程、力学平衡方程和压力流量方程实现[11]，系统原理如图5所示。输入的电信号经过比例放大器转变为输入电流，通过机电转换器产生电磁力，克服弹簧力及其他力推动动铁芯产生位移，打开阀口从而输出流量。其中负反馈由两级实现，第一级为通过主弹簧及片簧的变形实现的位移-力反馈，当位移速度过快或过慢，弹簧及片簧提供相应的弹簧力以保证位移的稳定性；第二级为由电位器负责的位置反馈，通过PID控制算法实现。本研究针对第一级负反馈系统展开研究。

微型精密比例阀系统的基本数学原理为：

(1) 电磁感应方程：

(1)

式中，μ—— 真空磁导率，取μ=4π×10-7

S—— 磁路截面积，此电磁阀取S=πr2

Kf—— 磁漏系数，一般为1.5～5.0，此电磁阀取1.5

δ—— 气隙长度

I—— 通电状态下的电流

N—— 线圈匝数

(2) 动铁芯受力平衡方程：

(2)

式中，Fd—— 电磁力

m—— 先导阀芯当量质量，等于阀芯质量加调压弹簧质量的1/3

x—— 先导阀芯位移，以阀口开启方向为正

fx—— 片簧的阻尼系数

G—— 剪切弹性模量

d—— 簧丝直径

D—— 弹簧中径

n—— 弹簧圈数

x0—— 调压弹簧预压缩量

(3) 压力流量方程：

(3)

图5 微型比例电磁阀系统原理示意图Fig.5 System diagram of miniature proportional solenoid valve

式中，qx—— 输出流量

d0—— 节流孔直径

L—— 节流孔长度

μl—— 空气动力黏度

p—— 主阀进口压力

p1—— 主阀出口压力

3 微型比例电磁阀系统仿真模型

利用AMESim建立微型精密比例阀的系统仿真模型，为方便模型的建立和简化，作如下假设[12]：

(1) 气体在各阀口和节流通道中的流动为绝热流动；

(2) 气源温度为环境温度T=293 K；

(3) 不计密封不良造成的气体泄漏；

(4) 不考虑磁漏的影响；

(5) 不考虑重力场的影响。

在进行系统仿真时，必须考虑系统的完整性，电磁阀由机械、电磁、气动3部分组成，系统仿真模型如图6所示，主要仿真参数如表1所示。

1.电磁线圈 2.阻尼弹簧器 3.主阀 4.气源图6 微型精密比例阀系统仿真模型Fig.6 System simulation model of miniature proportional solenoid valve

表1 AMESim仿真参数Tab.1 Parameters of AMESim simulation

4 仿真结果分析

4.1 微型比例阀流量迟滞特性

常规比例电磁阀流量特性曲线如图7所示，由于存在电磁铁本身的滞环，以及弹簧力、摩擦力等因素的影响，输出流量与输入电流的增长与下降并非呈线性关系，相同的输入电流在电信号递增以及递减的不同过程中对应的输出流量不同，即比例电磁阀的输出流量存在迟滞性，其计算公式为：

(4)

式中，H—— 迟滞性

ΔQmax—— 电信号递增及递减对应输出流量差的最大值

Qn—— 最大输出流量

图7 常规比例阀流量迟滞特性曲线Fig.7 Flow hysteresis characteristic curve of conventional proportional valve

4.2 片簧对比例电磁阀流量特性的影响

为分析片簧结构对输出流量特性的影响，从动铁芯的受力、加速度及输出流量3个角度进行分析。

1) 动铁芯受力分析

动铁芯在运动状态下的受力分析结果如图8所示，无片簧结构下的动铁芯主要受电磁力及弹簧力的作用，在运动过程中几乎呈线性增长，与输入电流的增加呈正比；而片簧结构引入了随位移非线性变化的片簧力，其在初始状态下提供了一定的正向力，使电磁力克服的弹簧力更小，而当位移达到一定程度后，提供反向作用力，使动铁芯位移更加平缓，有利于动铁芯位移的控制。

图8 动铁芯受力分析Fig.8 Force analysis of moving iron core

2) 动铁芯加速度分析

对电流递增状态下的动铁芯的加速度进行分析，如图9所示。仿真结果表明，动铁芯的运动是加速度在不断振荡下达到的动态平衡，片簧结构可减小振幅，提高动铁芯运动的稳定性，从而降低迟滞。

图9 动铁芯加速度分析Fig.9 Acceleration analysis of moving iron core

3) 流量特性分析

有无片簧结构的流量输出结果如图10所示。无片簧结构的传统微型比例阀流量迟滞为25.3%；片簧结构的新型微型精密比例阀流量迟滞为14.5%。对比结果表明，带片簧结构的微型精密比例阀流量迟滞性小，流量变化平稳，即片簧结构可降低流量迟滞。

图10 片簧结构对迟滞性的影响Fig.10 Effect of damping spring on hysteresis

5 参数优化设计

对微型精密比例阀进行参数优化及快速设计，需了解主要参数对流量特性的影响。

5.1 主参数影响分析

1) 弹簧预紧力

保持其余仿真参数不变，仅改变圆柱弹簧预紧力的大小，对比例电磁阀进行仿真。圆柱弹簧预紧力分别设置为0， 0.1， 0.2， 0.3， 0.4 N，仿真结果如图11所示，具体数据见表2。

图11 预紧力对流量特性的影响曲线Fig.11 Influence curves of pre-tightening force on flow characteristics

如表2所示，在其他条件不变的情况下，增大预紧力，比例阀的启动电流增大，输出流量减小。当预紧力较小时，电磁力所需克服的弹簧力较小，启动电流小；当预紧力增大到一定程度时，最大电流所产生的电磁力不足以使阀口的开度最大，故输出流量减小。在比例阀工作的过程中，电磁力的增加先慢后快，而随着预紧力的增大，电磁力克服弹簧预紧力时已进入快速增长状态，此时阀口开启及关闭速度较快，不利于流量控制，迟滞较高。

表2 预紧力对流量特性的影响

2) 弹簧刚度

保持其余仿真参数不变，仅改变圆柱弹簧刚度的大小，对比例电磁阀进行仿真。圆柱弹簧刚度分别设置为4340, 4440, 4540, 4640, 4740 N/m，仿真结果如图12所示，具体数据见表3。

图12 弹簧刚度对流量特性的影响曲线Fig.12 Influence curves of spring stiffness on flow characteristics

如表3所示，增大弹簧刚度，比例阀的启动电流不变，输出流量减小，迟滞降低。虽然弹簧刚度增大，使电磁力所需克服的弹簧力增大，但对于启动阶段，刚度的改变不会影响电磁力所需克服的预紧力的大小，因此启动电流几乎不变；阀口开启后，电磁力所需要克服的弹簧力随着弹簧刚度的增加而增加，最大电流所产生的电磁力不足以使阀口的开度达到最大，故输出流量减小；由于弹簧刚度的增加使工作过程中弹簧力增加的速度加快，减缓了阀口开启的速度，故一定程度上可以提高流量控制精度，降低迟滞。

表3 弹簧刚度对流量特性的影响Tab.3 Influence of spring stiffness on flow characteristic

3) 线圈匝数

保持其余仿真参数不变，仅改变线圈匝数的大小，对比例电磁阀进行仿真。线圈匝数分别设置为900, 950, 1000, 1050, 1100，仿真结果如图13所示，具体数据见表4。

图13 线圈匝数对流量特性的影响曲线Fig.13 Influence curves of coil turns on flow characteristics

如表4所示，增大线圈匝数，比例阀的启动电流下降，输出流量增加，迟滞上升。其原因为线圈匝数增大，使电磁力增加的速度增大，对于启动阶段，增加线圈匝数可以提供更大的电磁力，使之更快地克服弹簧预紧力，因此启动电流下降；而随着线圈匝数增加，电磁力上升越快，阀口开启的速度增加，不利于流量控制，迟滞增加。

表4 线圈匝数对流量特性的影响Tab.4 Influence of coin turns on flow characteristic

5.2 基于NLPQL的快速设计

微型精密比例阀结构尺寸小，控制精度要求高，且主要参数之间的关联性强，若采用传统的离散型设计方法，其效率低、控制精度差。NLPQL是序列二次规划方法的一种特殊实现[14]，在AMESim中，可根据已有模型，在一定的误差范围内求解出其对应的参数，从而实现比例阀系列化的快速设计。

以微型比例电磁阀的线圈匝数为主变量，分别探究线圈匝数为900， 1000， 1100下较优的参数，优化目标为：最大输出流量15.85 L/min，流量迟滞越小越好。参数设置如图14所示，弹簧预紧力设置范围为0～0.4 N，弹簧刚度范围为4340～4740 N/mm。

图14 优化变量设置Fig.14 Optimize variable settings

表5为应用NLPQL法对不同线圈匝数下，多目标多参数优化后的结果。由表5可知，优化后的最大输出流量均达到目标值，并且最大迟滞在15%内，满足对流量控制精度的要求，其中，线圈匝数为1000的流量迟滞为13.49%，控制精度最高。

表5 优化结果Tab.5 Optimization results

6 测试与实验

由于传感器技术的限制，电流-流量曲线的测试采用准静态的方式进行实验[15]。实验台原理如图15所示，实验台搭建如图16所示。其中，气源提供氧气压力；三联件负责油水过滤；电气比例阀替代普通调压阀，确保被测阀进口的压力稳定可靠，减小压力波动[16]；供电设备负责调整电磁阀的输入电流，以10 mA为增量步长上升；流量计主要负责显示输出流量。