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        比例電磁閥變頻率PWM驅(qū)動(dòng)方法

        2015-10-28 11:26:41尚沙沙焦文學(xué)浦定超葉其團(tuán)汪春暉
        中國機(jī)械工程 2015年8期
        關(guān)鍵詞:液壓油挖掘機(jī)電磁閥

        康 健 尚沙沙 焦文學(xué) 王 杏 浦定超 鈕 震 葉其團(tuán) 汪春暉

        三一重機(jī)小型挖掘機(jī)研究院,昆山,215334

        比例電磁閥變頻率PWM驅(qū)動(dòng)方法

        康健尚沙沙焦文學(xué)王杏浦定超鈕震葉其團(tuán)汪春暉

        三一重機(jī)小型挖掘機(jī)研究院,昆山,215334

        在挖掘機(jī)等工程機(jī)械中使用的嵌入式控制器普遍利用脈沖寬度調(diào)制(PWM)來驅(qū)動(dòng)比例電磁閥。但由于PWM脈沖輸出的特點(diǎn)和電磁閥自身電感特性的雙重制約,使PWM驅(qū)動(dòng)的比例電磁閥性能難以充分發(fā)揮,甚至?xí)绊懣刂葡到y(tǒng)整體穩(wěn)定性。因此,一種根據(jù)不同占空比改變PWM頻率的方法被用于驅(qū)動(dòng)比例電磁閥??刂破鞲鶕?jù)電磁閥控制需求的不同占空比,輸出不同頻率的PWM。測(cè)試結(jié)果證明,使用變頻率PWM驅(qū)動(dòng)比例電磁閥的方法可以在保證比例電磁閥二次壓力穩(wěn)定的前提下,維持自身的小幅震蕩,同時(shí)降低比例電磁閥的功率損耗。

        比例電磁閥;脈沖寬度調(diào)制;挖掘機(jī);電控泵

        0 引言

        在工程機(jī)械應(yīng)用中,電磁閥已經(jīng)成為最重要的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器。初期的電磁閥使用通斷型電磁鐵,僅存在開和關(guān)兩種狀態(tài),響應(yīng)頻率也相對(duì)較低。為適應(yīng)大型機(jī)電一體化系統(tǒng)精確控制的要求,可以在兩個(gè)極限位置之間保持任意開度大小的比例電磁閥被大量應(yīng)用。比例電磁閥與開關(guān)電磁閥的區(qū)別主要在磁極和支撐系統(tǒng)[1]。開關(guān)電磁閥吸合時(shí)氣隙變小,依靠不同極性磁極之間的吸力吸合;比例電磁閥工作時(shí)氣隙與銜鐵的運(yùn)動(dòng)方向垂直,通過控制磁極的磁飽和程度來控制銜鐵位置。

        工程機(jī)械的嵌入式控制系統(tǒng)通常利用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的方法來驅(qū)動(dòng)比例電磁閥。PWM包含占空比和頻率兩種信息:調(diào)整占空比可以得到所需電壓值;而PWM頻率的選擇對(duì)電磁閥二次壓力的穩(wěn)定性和自身功耗有很大影響。如果頻率過低,電磁閥銜鐵將會(huì)跟隨PWM波形大幅振動(dòng);如果頻率過高,具有電感特性的電磁閥將PWM整流為過于穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)信號(hào),過大的靜摩擦力將會(huì)影響比例電磁閥的控制精度和動(dòng)態(tài)性能;PWM頻率過大還會(huì)導(dǎo)致電磁線圈的鐵損過高。理想的比例電磁閥PWM驅(qū)動(dòng)方法需要使閥芯保持一定振幅的同時(shí)可以輸出穩(wěn)定的二次壓力[2]。

        三一重機(jī)SY135挖掘機(jī)配置的KPM半電控泵K3V和全電控泵K7V分別使用比例電磁閥來控制雙泵總功率和調(diào)整雙泵排量。作為整機(jī)控制的關(guān)鍵元件,實(shí)現(xiàn)電磁閥的有效控制將在很大程度上影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3-5];同時(shí),比例電磁閥的頻響特性和負(fù)載能力也會(huì)影響挖掘機(jī)快速響應(yīng)的能力。為提升比例電磁閥輸出壓力的穩(wěn)定性并降低能耗,一種根據(jù)占空比變化改變PWM頻率的方法被用于比例電磁閥驅(qū)動(dòng)。根據(jù)比例電磁閥控制所需占空比的不同采用不同的PWM頻率,使比例電磁閥達(dá)到輸出壓力穩(wěn)定、防止閥芯卡滯和降低功耗的目的。為了便于測(cè)試,本文設(shè)計(jì)了基于STM32單片機(jī)的電磁閥控制器,能夠根據(jù)不同占空比輸出不同頻率的PWM。

        1 比例電磁閥控制特性分析

        KPM-K3V系列電控泵利用比例電磁閥來控制泵的總功率,而K7V系列全電控泵的雙泵控制完全依靠比例電磁閥進(jìn)行排量的調(diào)節(jié),比例電磁閥自身的動(dòng)態(tài)特性對(duì)電液控制系統(tǒng)的健壯性有很大影響,因此比例電磁閥成為機(jī)電液一體化控制中的關(guān)鍵器件。為便于分析,比例電磁閥的電氣控制回路可以簡(jiǎn)化為電阻和電感的串聯(lián),而機(jī)械控制部分則可以表示為銜鐵質(zhì)量塊、氣隙阻尼和回位彈簧的二階振蕩系統(tǒng),并且其電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)互相耦合。

        1.1功率損耗

        電磁閥在工作中會(huì)產(chǎn)生各種形式的功率損耗,主要包括銅損和鐵損兩方面。其中,銅損(ΔPCu=I2r)是指電流通過電磁鐵線圈發(fā)熱而損失的功率[6],而鐵損(ΔPFe=ΔPh+ΔPe)包括磁滯損耗和渦流損耗[7]。磁滯損耗為鐵磁材料在反復(fù)磁化過程中消耗的功率。磁滯損耗ΔPh正比于交變磁化的頻率f、鐵心的體積V和遲滯回線所包圍的面積,其大小與鐵磁材料的性質(zhì)σh、磁化頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm有關(guān)。計(jì)算磁滯損耗的經(jīng)驗(yàn)公式為

        (1)

        其中,指數(shù)n與Bm有關(guān)。

        由于電磁鐵的閉合鐵芯處于交變磁場(chǎng)中,交變的磁通量使閉合鐵芯中產(chǎn)生感應(yīng)電流(即渦電流),由渦電流產(chǎn)生的鐵損部分稱為渦流損耗。對(duì)于特定的比例電磁閥,渦流損耗與交變磁化的頻率f以及磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm的二次方成正比,其經(jīng)驗(yàn)公式為

        (2)

        式中,σe為與電磁閥鐵芯材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。

        由上可知:驅(qū)動(dòng)比例電磁閥的PWM信號(hào)頻率過高將會(huì)導(dǎo)致過多的功率損失,增加電磁閥的磁滯損耗和渦流損耗。在保證比例電磁閥二次壓力穩(wěn)定的前提下,PWM頻率應(yīng)盡可能地低。

        1.2機(jī)械系統(tǒng)傳遞函數(shù)

        比例電磁閥由銜鐵彈簧組成的機(jī)械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

        (3)

        其中,ωm表示銜鐵彈簧組成的二階振蕩系統(tǒng)的諧振頻率;δm表示銜鐵彈簧系統(tǒng)的阻尼比,該系數(shù)與液壓油的溫度有關(guān),隨著溫度的升高,液壓油黏度變小會(huì)使振動(dòng)阻尼變??;K為電磁閥彈簧剛度。比例電磁鐵位置控制普遍采用電流負(fù)反饋,同時(shí)電磁閥內(nèi)部銜鐵質(zhì)量的減小和彈簧剛度的不斷提高使得比例電磁鐵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度得到提升。

        1.3電氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能

        比例電磁閥電氣回路的動(dòng)態(tài)性能可以表示為以下微分方程式:

        U(t)=Ri(t)+Ledi(t)/dt+Kvdx(t)/dt

        (4)

        式中,U(t)為線圈電壓;R為線圈電阻;i(t)為線圈實(shí)時(shí)電流;x(t)為銜鐵位移;Kv為速度反電勢(shì)系數(shù);Le為線圈電感;t為時(shí)間。

        嵌入式控制器等數(shù)字電路普遍采用PWM來驅(qū)動(dòng)比例電磁閥。由于PWM等效為高頻開關(guān)信號(hào),電磁閥線圈在一個(gè)控制周期內(nèi)的實(shí)時(shí)電流為[8]

        (5)

        式中,D為占空比;T為PWM周期。

        由上可知,采用PWM驅(qū)動(dòng)比例電磁閥時(shí),線圈中的穩(wěn)態(tài)電流I和電流波動(dòng)dI取決于線圈的時(shí)間常數(shù)τ、PWM頻率1/T和占空比D。根據(jù)瞬態(tài)電流可以推導(dǎo)出電流及其波動(dòng)大?。?/p>

        (6)

        A=e-DT/τB=e-(1-D)T/τ

        根據(jù)式(6),在控制系統(tǒng)中I作為驅(qū)動(dòng)電流控制電磁閥二次壓力。電流波動(dòng)dI可以保持銜鐵自身的小幅振動(dòng),防止出現(xiàn)閥芯卡滯的現(xiàn)象。如果PWM頻率過低,會(huì)引起比例電磁閥二次壓力隨PWM脈沖波動(dòng)。同樣,PWM驅(qū)動(dòng)電磁閥采用不同占空比也會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的波動(dòng)情況產(chǎn)生影響。KPM公司K3V半電控泵的比例電磁閥內(nèi)部電阻R為17.5Ω,線圈電感Le為19.5mH,則該電磁閥線圈的時(shí)間常數(shù)τ=Le/R=1.1143ms,挖掘機(jī)電壓為24V。不同占空比條件下線圈電流波動(dòng)大小dI和電流值I變化如圖1所示。

        1.dI(80 Hz) 2.dI(100 Hz) 4.dI(180 Hz)4.I(80 Hz) 5.I(100 Hz) 6.I(180 Hz)圖1 不同PWM占空比、不同頻率時(shí)電磁閥線圈電流

        1.4比例電磁閥控制策略

        比例電磁鐵屬于勵(lì)磁式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器件,嵌入式控制器產(chǎn)生的控制電流在比例電磁鐵線圈中產(chǎn)生磁通,推動(dòng)銜鐵位移,閥芯受到的電磁力具有與電流波動(dòng)相同的頻率。綜合考慮比例電磁閥的機(jī)電液系統(tǒng),其機(jī)械部分傳遞函數(shù)為低通二階濾波,而電氣系統(tǒng)傳遞函數(shù)為低通一階濾波。

        KPM-K3V電控泵配置的比例電磁閥的振蕩頻率為80 Hz。由二階低通濾波器的Bode圖可知,對(duì)于頻率大于80 Hz的電流波動(dòng),電磁閥的機(jī)械系統(tǒng)將進(jìn)行抑制。并且電流的頻率越高,機(jī)械二階振蕩系統(tǒng)的抑制作用越強(qiáng)。電磁閥的電氣系統(tǒng)相當(dāng)于一階的低通濾波,由其時(shí)間常數(shù)可知,電氣系統(tǒng)的截止頻率為897 Hz,相對(duì)于機(jī)械系統(tǒng),電氣系統(tǒng)對(duì)PWM脈沖波動(dòng)信號(hào)的抑制作用較小。因此,可以利用機(jī)械系統(tǒng)的濾波特性對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行過濾得到所需的穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流,但同時(shí)需保留閥芯自身顫振所需的小幅電流波動(dòng)。

        電磁閥閥芯的振動(dòng)幅度不僅與PWM頻率有關(guān),而且根據(jù)圖1還可以發(fā)現(xiàn),在某一固定的PWM頻率下電磁閥輸出的二次壓力在占空比為50%時(shí)波動(dòng)最為劇烈,而在占空比為10%和90%的情況下二次壓力輸出波動(dòng)較小。因此,本文提出了一種根據(jù)不同占空比改變PWM信號(hào)頻率的控制方法:為了降低電磁閥的功率損失在占空比為10%和90%附近時(shí)PWM輸出,采用較低的PWM頻率,而當(dāng)占空比在50%附近時(shí)PWM輸出采用較高的頻率。

        2 比例電磁閥驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

        為對(duì)驅(qū)動(dòng)比例電磁閥的PWM頻率大小進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)了基于STM32F103C8T6微處理器的比例電磁閥控制系統(tǒng)[9-11]。STM32為意法半導(dǎo)體集團(tuán)推出的基于ARM構(gòu)架的32位低功耗微處理器;具有20K的片內(nèi)SRAM和64K的FLASH程序存儲(chǔ)器;主頻達(dá)到了72 MHz,滿足比例電磁閥PID控制的計(jì)算要求;4個(gè)通用定時(shí)器TIMx可以復(fù)用到GPIO口分別輸出4個(gè)通道的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào);支持16通道的12位ADC。

        為了使STM32芯片端口3.3 V的輸出電壓驅(qū)動(dòng)比例電磁閥,采用L298N芯片實(shí)現(xiàn)功率放大,控制挖掘機(jī)的24 V電源驅(qū)動(dòng)比例電磁閥;使用1 Ω精密電阻作為電流采樣元件實(shí)現(xiàn)電流反饋;采樣電阻與比例電磁閥線圈串聯(lián),采樣電阻兩端電壓利用NE5532雙通道運(yùn)算放大器得到電壓差并輸入微處理器中復(fù)用為ADC功能的GPIO口;STM32芯片與挖掘機(jī)原控制器之間通過TJA1050總線驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行CAN通信。利用以上各芯片設(shè)計(jì)的比例電磁閥控制器的電氣原理如圖2所示。

        圖2 挖掘機(jī)雙泵比例電磁閥控制器電路圖

        3 二次壓力測(cè)試

        當(dāng)挖掘機(jī)在不同擋位即發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速工作時(shí),液壓泵需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性轉(zhuǎn)速扭矩曲線進(jìn)行功率匹配,即用于液壓泵的恒功率控制的比例電磁閥需要根據(jù)不同的工作擋位輸入不同的工作電流?;谝陨弦?,比例電磁閥在不同擋位二次壓力的測(cè)試方法如下:設(shè)定電磁閥PWM驅(qū)動(dòng)的頻率后,每隔一段時(shí)間變換發(fā)動(dòng)機(jī)擋位,這時(shí)控制器將根據(jù)預(yù)先設(shè)定的功率匹配結(jié)果和工作擋位輸出不同的電流值。數(shù)據(jù)采集使用FLUKE 196C示波器配備的電流鉗測(cè)量電流大小,并且使用Parker Service Master獲取比例電磁閥出口處的二次壓力大小和溫度值。

        液壓油溫度變化而導(dǎo)致的液壓油黏度變化會(huì)影響電磁閥的響應(yīng)特性。為忽略這一影響因素,分別在液壓油溫度為環(huán)境溫度和完全熱機(jī)后進(jìn)行二次壓力測(cè)試。在電流恒定條件下,液壓油溫度為13.5 ℃時(shí)采用不同PWM頻率驅(qū)動(dòng)比例電磁閥的二次壓力測(cè)試結(jié)果如圖3所示。完全熱機(jī)后當(dāng)液壓油溫度達(dá)到36 ℃時(shí),二次壓力波動(dòng)相對(duì)較大,如圖4所示。

        圖3 13.5 ℃時(shí)不同PWM頻率比例電磁閥輸出壓力波動(dòng)

        圖4 36 ℃時(shí)不同PWM頻率比例電磁閥輸出壓力波動(dòng)

        針對(duì)本測(cè)試采用寄生顫振PWM的比例電磁閥驅(qū)動(dòng)器,當(dāng)溫度較低時(shí)電磁閥的二次壓力波動(dòng)范圍相對(duì)較小,并且PWM頻率提高時(shí),電磁閥輸出的二次壓力波動(dòng)相應(yīng)減小。同時(shí)驅(qū)動(dòng)電流的不同也會(huì)導(dǎo)致二次壓力波動(dòng)范圍變化。根據(jù)測(cè)試結(jié)果,采用不同頻率PWM且電流為327 mA時(shí),電磁閥輸出壓力波動(dòng)較大;而當(dāng)電流逐漸遠(yuǎn)離327 mA時(shí),壓力波動(dòng)范圍隨之逐漸減??;當(dāng)電流為0或513 mA時(shí),由于接近比例電磁閥能夠輸出的最大二次壓力和最小二次壓力,壓力波動(dòng)始終保持在較低水平。

        根據(jù)上述分析,當(dāng)二次壓力波動(dòng)滿足要求時(shí)應(yīng)該采用更低的PWM驅(qū)動(dòng)頻率。根據(jù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性要求,選擇波動(dòng)范圍相近且頻率相對(duì)較低的PWM頻率為該輸出電流的最優(yōu)頻率。因此,可以得到不同溫度條件下的比例電磁閥變頻率PWM驅(qū)動(dòng)策略,如表1所示??芍?dāng)電流值為最大值和最小值時(shí),要達(dá)到二次壓力穩(wěn)定的PWM頻率較低;而當(dāng)電流處于中位時(shí),需要采用較高的頻率,與理論分析的結(jié)果一致。如果采用其他驅(qū)動(dòng)電流時(shí),通過線性插值可以得到該電流值條件下的優(yōu)化PWM頻率。

        表1 比例電磁閥PWM優(yōu)化頻率

        當(dāng)挖掘機(jī)散熱條件不好或環(huán)境溫度較高時(shí),液壓油溫度存在大幅度變化甚至可以達(dá)到70~80 ℃。根據(jù)測(cè)試結(jié)果,設(shè)置頻率為300 Hz能夠在高溫且液壓油溫存在大幅變化時(shí)得到穩(wěn)定的二次壓力。并且在挖掘機(jī)工作90 min后,泵控制比例電磁閥閥體表面溫度為53 ℃,液壓泵表面溫度為60 ℃,控制器表面溫度為26 ℃,均符合正常工作要求。

        4 結(jié)論

        (1)根據(jù)PWM占空比即電流的不同,得到寄生顫振PWM驅(qū)動(dòng)比例電磁閥的最優(yōu)頻率。通過對(duì)比例電磁閥輸出壓力的測(cè)試結(jié)果表明:利用變頻率的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以保證在PWM頻率較低的前提下,使電磁閥輸出穩(wěn)定的二次壓力;同時(shí)電磁閥的功率損耗較低,且保留了電磁閥閥芯的小幅顫振來防止閥芯卡滯。

        (2)隨著液壓油溫度的升高,同樣頻率PWM驅(qū)動(dòng)的比例電磁閥輸出的二次壓力逐漸變不穩(wěn)定。針對(duì)采用固定頻率的電磁閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),高溫條件下可采用300 Hz的PWM來驅(qū)動(dòng)比例電磁閥。

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        (編輯陳勇)

        Proportional Electromagnetic Valve Driven by Frequency-varying PWM

        Kang JianShang ShashaJiao WenxueWang XingPu DingchaoNiu ZhenYe QituanWang Chunhui

        Small Size Excavator R&D institute of SANY Heavy Machine,Kunshan,Jiangsu,215334

        In applications of excavator or other industrial machines, proportional electromagnetic valve was usually driven by PWM signals of embedded control system. However, due to pulse output characteristics of electromagnet,the performance of proportional electromagnetic valve was limited, even impacted stability of the system. A frequency-varying method of PWM driving was proposed. According to different duty ratio of PWM, the embedded control system output PWM with different frequencies. Through this method, the output oil pressure of proportional electromagnetic valve maintains within a determinated range, the valve-core’s zero-average oscillations is reserved and power consumption of proportional electromagnetic valve is relatively low.

        proportional electromagnetic valve;pulse width modulation (PWM);excavator;electronic control pump

        2014-03-19

        TP271< class="emphasis_italic">DOI

        :10.3969/j.issn.1004-132X.2015.08.007

        康健,男,1985年生。三一重機(jī)小型挖掘機(jī)研究院工程師、博士。主要研究方向?yàn)楣こ虣C(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)液壓泵控制。發(fā)表論文2篇。尚沙沙,女,1984年生。三一重機(jī)小型挖掘機(jī)研究院工程師。焦文學(xué),男,1984年生。三一重機(jī)小型挖掘機(jī)研究院工程師。王杏,女,1984年生。三一重機(jī)小型挖掘機(jī)研究院工程師。浦定超,男,1985年生。三一重機(jī)小型挖掘機(jī)研究院工程師。鈕震,男,1985年生。三一重機(jī)小型挖掘機(jī)研究院工程師。葉其團(tuán),男,1982年生。三一重機(jī)小型挖掘機(jī)研究院工程師。汪春暉,男,1966年生。三一重機(jī)小型挖掘機(jī)研究院院長(zhǎng)、工程師。

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