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(1.太原理工大學 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室， 山西 太原 030024；2.太重榆次液壓工業(yè)有限公司技術中心， 山西 榆次 030600)

引言

隨著計算機技術的充分發(fā)展和應用，電液數字控制技術已成為實現機電液一體化的重要手段，是實現對液壓系統(tǒng)進行高速、高精度控制的理想方法，目前已應用于汽車、航空航天、冶金、工程機械等重要領域[1]。高速開關閥由于價格低廉、抗污染能力強、節(jié)流損失小及重復性好等優(yōu)點，成為實現電液數字控制技術的關鍵元件。由于自身結構的限制，空載流量不超過10 L/min，目前只用于小流量控制?；诟咚匍_關閥各種先導控制，正在不斷改進現有裝備或設計新設備[2,3]。

文獻[4]對HSSV高速開關閥的壓力特性進行了理論和實驗研究；李玉貴等[5]對HSV高速開關閥進行了動靜態(tài)特性理論分析和空載壓力特性實驗研究；蘇明[6]在AMESim中建立了HSV高速開關閥模型，對動靜態(tài)特性進行仿真研究，并且設計了適應供油口壓力變化控制器；傅林堅[7]提出預充開啟電流、反接卸荷電路思想來提高動態(tài)響應，并設計了專用測試裝置；文獻[8]設計了三電源驅動電路改進高速開關閥的開關響應。

考慮高電壓對高速開關閥的傷害，采用單電源24 V 供電，高低雙電壓驅動，以單片機為控制核心建立了高速開關閥測試平臺，對其進行測試試驗，并詳細分析了主要影響因素對動靜態(tài)特性的影響。

1 高速開關閥工作原理

如圖1所示為HSV3143S3二位三通高速開關閥結構簡圖，由電磁鐵、供油球閥、回油球閥、球閥閥座、分離銷等組成。與普通開關閥相比，高速開關閥的主要優(yōu)點在對于控制信號的快速響應。通過給線圈加脈寬調制(PWM)信號，就能夠控制閥芯的運動方向和開關頻率，從而達到控制口(A)與供油口(P)及回油口(T)之間交替切換。當A與P接通時，P工作油液經A和工作管路到達執(zhí)行裝置；當A與T接通時，執(zhí)行裝置的油液經A、T流到油箱。由于載波頻率很小，可控脈寬非常小，輸出流量也很小，因此，可用平均流量代表閥的瞬態(tài)流量。在一個載波周期T內的平均流量Q為：

Q=DQmax即:Q/Qmax=D

(1)

式中：D為占空比，D=TP/T；TP為脈沖寬度；T為載波周期；Qmax為通過高速開關閥的最大流量。

1.電磁鐵 2.回油球閥 3.球閥閥座 4.分離銷 5.供油球閥圖1 HSV高速開關閥結構簡圖

2 高速開關閥測試試驗平臺

為測試高速開關閥的動靜態(tài)特性，建立了如圖2的測試系統(tǒng)。主要包括：計算機、單片機、驅動控制器、液壓系統(tǒng)、壓力傳感器、流量傳感器、數據采集設備等。被測高速開關閥、 壓力傳感器安裝在專門設計的閥塊上，控制腔通過軟管接回油箱。高速開關閥供油口、控制口分別接壓力傳感器，用于檢測壓力變化。在回油管路上串聯流量傳感器，用于檢測通過高速開關閥的流量。

1.液壓泵站 2.流量傳感器 3、5.壓力傳感器 4.被測高速開關閥圖2 測試系統(tǒng)原理圖

工作時，由計算機通過串口傳輸控制參數給單片機，單片機根據得到的PWM參數產生相應的PWM波，經驅動控制器產生高低雙電流，經達林頓管放大，控制高速開關閥動作。工作過程中，利用霍爾電流傳感器、壓力傳感器、流量傳感器檢測工作狀態(tài)，同時送由數據采集儀在線采集、離線分析。由于數據采集儀最大電壓值不超過10 V，另選擇UTD2202數字存儲示波器采集閥的控制脈沖和激勵電壓。

3 高速開關閥動態(tài)特性試驗研究

由于高速開關閥閥芯質量輕、閥芯位移小，安裝位移傳感器會影響其動態(tài)特性，利用閥芯運動時引起電流、電壓信號變化轉折點作為閥芯開關標志。

圖3為在試驗過程中測得的電磁閥控制脈沖、電磁閥激勵電壓和勵磁電流信號?？刂菩盘柦油〞r，在高激勵電壓作用下，線圈勵磁電流指數增長，當電磁推力足以克服阻力推動閥芯運動時，電流信號出現明顯轉折點A，閥芯到位時，轉折點B，完成開啟動作，對應開啟時間ton，勵磁電流降至維持閥芯位置保持電流iH，由于電感作用，激勵電壓在穩(wěn)壓管作用下出現負值；當控制信號斷開時，勵磁電流迅速降至0，利用供油回油壓差使閥芯復位，激勵電壓變化出現轉折點C，對應閥芯關閉時間toff。圖3反映了這一動態(tài)過程，試驗曲線與理論分析相符。

圖3 高速開關閥動態(tài)性能測試曲線

3.1 卸荷電路對高速開關閥關閉速度影響

為減小失電后線圈感生電動勢對達林頓管的傷害，通常情況下，在電磁鐵兩端反向并聯續(xù)流二極管。失電時，線圈產生的感生電動勢通過二極管與線圈構成回路消耗掉(如圖4a)。在電路中，采用穩(wěn)壓管完成卸荷。當感生電動勢低于穩(wěn)壓值時，卸荷回路不通，由線圈內阻消耗；當感生電動勢高于擊穿電壓后，穩(wěn)壓管工作在擊穿狀態(tài)，以較大電流提供卸荷回路(如圖4b)，將線圈的儲能消耗掉。假設電磁鐵線圈電感變化不大，對兩種卸荷方式分別建立零輸入響應動態(tài)方程[9]。

圖4 斷電后兩種方式續(xù)流電路圖

普通二極管續(xù)流，零輸入響應：

(2)

i(0+)=i(0-)=iH

(3)

由式(2)、式(3)得：

求導得：

(4)

穩(wěn)壓二極管續(xù)流，零輸入響應：

(5)

由式(3)、式(5)得：

求導得：

(6)

式中：i(t)為線圈中動態(tài)電流；Rs為電磁鐵內阻；L為電磁鐵電感；Us為電磁鐵供電電壓，24 V；UD為二極管正向導通壓降，0.7 V；UDW為穩(wěn)壓管擊穿電壓，39 V。

圖5 通過高速開關閥的電流信號

3.2 供油壓力對動態(tài)特性的影響

HSV高速開關閥借助供油回油壓差復位，取代了復位彈簧，使得結構簡單，響應速度大大提高；同時，對不同供油壓力，閥的工作性能也不同。對高速開關閥空載下得電和失電狀態(tài)分別建立運動方程。

通電狀態(tài)：

(7)

斷電狀態(tài)：

(8)

式中：Fm為電磁推力；A為進油球閥截面積；fs為液動力；f為摩擦等阻力；c為黏性阻尼系數；m為閥芯和銜鐵的總質量；x為閥芯位移。

圖6為載波頻率為50 Hz，供油壓力2 MPa到10 MPa 時，高速開關閥的開啟和關閉響應時間。隨著供油壓力增加，由式(7)，開啟閥芯所需Fm逐漸增大，開啟響應時間增大，由于高電壓的作用，電流增長速度快，因此影響不明顯；由式(8)，關閉閥芯時Fm也逐漸增大，電流衰減時間減少，從而關閉延遲時間toff減小。

圖6 不同供油壓力時，閥的響應時間

4 高速開關閥靜態(tài)性試驗研究

4.1 卸荷電路對靜態(tài)特性的影響

保證供油壓力8 MPa，載波頻率25 Hz，分別采用并聯二極管、穩(wěn)壓管卸荷方式的空載流量特性如圖7，普通二極管續(xù)流時，由于卸荷不徹底，線性范圍15%～60%；穩(wěn)壓二極管線性范圍擴大到10%～95%。

圖7 不同二極管續(xù)流，空載流量特性

4.2 載波頻率對靜態(tài)特性的影響

高速開關閥要完成一次開啟動作，正脈沖寬度Tp至少要大于閥的總開啟時間ton；完成一次關閉動作，負脈沖寬度至少要大于閥的總關閉時間toff。實際工作中，除要求閥完成開關動作，還要考慮控制流量線性范圍、穩(wěn)定性、閥的振動、電磁鐵的發(fā)熱等。因此，不能用傳統(tǒng)的f<1/(ton+toff)來選擇載波頻率[10]，更應該考慮實際工作系統(tǒng)。

供油壓力3 MPa，載波頻率25 Hz、50 Hz、75 Hz試驗空載流量曲線如圖8。隨著載波頻率增加，控制流量粗糙度減??；閥的開啟延遲時間、高電壓作用時間、閥的關閉延遲時間沒變化，但在載波周期內所占比例增大，線性控制范圍逐漸縮小。

圖8 供油壓力3 MPa，不同頻率空載流量特性

4.3 供油壓力對靜態(tài)特性的影響

考慮高速開關閥在不同壓差下工作，選擇載波頻率50 Hz，供油壓力分別3 MPa、4 MPa、8 MPa、10 MPa進行試驗，空載流量曲線如圖9。載波頻率不變，隨著壓差增大，由于圖6中開啟響應變化不大，死區(qū)變化不太明顯；飽和區(qū)明顯縮小，由3 MPa時20%到10 MPa時5%。

5 結論

通過對HSV高速開關閥在雙電壓驅動下進行試驗研究，試驗結果與理論分析相符，并得出以下結論：

圖9 載波頻率50 Hz，不同供油壓力空載流量特性

(1) 穩(wěn)壓管續(xù)流作用明顯優(yōu)于普通并聯二極管；

(2) 隨著頻率增加，控制粗糙度減小，線性控制范圍也減小，同時會帶來電磁鐵發(fā)熱、閥的振動等問題。實際工作中，要根據工作點合理選擇；

(3) 隨著供油壓力的增加，開啟響應逐漸變慢，關閉響應逐漸提高；飽和區(qū)減小，線性控制范圍增加。

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