董建麟，廖瑤瑤，袁紅兵，祁 超

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西平陽(yáng)廣日機(jī)電有限公司，山西 侯馬 043000)

引言

液壓支架電液控制系統(tǒng)是綜采工作面的重要組成部分，對(duì)工作面的高產(chǎn)高效起著決定性的作用。礦用電磁先導(dǎo)閥是液壓支架電液控制系統(tǒng)中的重要組成部分，通過(guò)控制主閥的通斷從而使液壓支架完成既定動(dòng)作[1]。由于煤礦特殊的防爆要求，在以乳化液為介質(zhì)的條件下，低功率、高水壓、高頻率的礦用電磁先導(dǎo)閥目前還沒(méi)有問(wèn)世。本研究以現(xiàn)有礦用電磁先導(dǎo)閥為研究對(duì)象，通過(guò)研究不同的驅(qū)動(dòng)控制策略，來(lái)改善礦用電磁先導(dǎo)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和功率損耗。

針對(duì)提高電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者也展開(kāi)了相應(yīng)的研究工作。張斌等[2]提出一種三電壓控制策略，通過(guò)仿真分別就常規(guī)PWM控制、雙電壓控制和三電壓控制進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明三電壓控制在降低電磁閥開(kāi)關(guān)時(shí)間上明顯優(yōu)于前兩者，而且可控頻率和可調(diào)占空比范圍大；蘇明[3]分析了高速電磁開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟和關(guān)閉特性，提出并設(shè)計(jì)了雙電壓控制方式的驅(qū)動(dòng)器，搭建了高速電磁開(kāi)關(guān)閥動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)器改善高速電磁開(kāi)關(guān)閥動(dòng)態(tài)特性的有效性；李勇等[4]設(shè)計(jì)了一種雙電壓合成信號(hào)脈寬調(diào)制的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了全脈寬驅(qū)動(dòng)電磁閥開(kāi)啟，低脈寬驅(qū)動(dòng)電磁閥保持，降低了電磁閥的穩(wěn)態(tài)功耗；高強(qiáng)等[5]提出了電磁閥的復(fù)合PWM控制策略，分析了激勵(lì)PWM、高頻PWM以及反向PWM在不同工況下對(duì)高速開(kāi)關(guān)閥的影響規(guī)律；ILLYEONG[6]研發(fā)了一款三電壓激勵(lì)的控制電路，在高速開(kāi)關(guān)閥開(kāi)啟階段采用高電壓激勵(lì)，在維持開(kāi)啟階段采用低電壓激勵(lì)，在關(guān)閉階段采用負(fù)電壓激勵(lì)，采用該方法降低了高速開(kāi)關(guān)閥的滯后時(shí)間；FLORIAN等[7]提出電流放大控制策略，提升了高速開(kāi)關(guān)閥的動(dòng)態(tài)特性；李范波等[8]通過(guò)分析閥的動(dòng)作頻率設(shè)計(jì)了一種高速開(kāi)關(guān)閥，通過(guò)優(yōu)化降低了線圈的溫升與能耗；林濤等[9]通過(guò)有限元仿真探究了電磁閥中的線圈結(jié)構(gòu)、線圈匝數(shù)、輸電電壓等參數(shù)對(duì)電磁閥的響應(yīng)時(shí)間、吸合時(shí)間、電磁力等特性的影響；孫曉等[10]提出一種雙線圈電磁閥的導(dǎo)通續(xù)流控制方法，將線圈電流轉(zhuǎn)移或回饋提高電流泄放速度，縮短線圈電流下降時(shí)間。

礦用電磁先導(dǎo)閥的額定電壓為DC12 V，電流一般不能超過(guò)200 mA[11]，在此條件下提高礦用先導(dǎo)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有一定的難度。本研究通過(guò)建立礦用電磁先導(dǎo)閥Ansoft-AMESim的聯(lián)合仿真模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的正確性，基于仿真模型就單電壓、雙極性電壓、三電壓和PWM維持占空比的控制方式進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 電磁鐵工作原理

本研究中礦用先導(dǎo)閥電磁鐵結(jié)構(gòu)如圖1所示，其為傳統(tǒng)的螺線管式結(jié)構(gòu)。工作過(guò)程如下：當(dāng)輸入電壓控制信號(hào)后，電磁鐵的線圈通電，銜鐵產(chǎn)生的電磁推力不斷增加，當(dāng)電磁力大于推桿所受的負(fù)載時(shí)銜鐵進(jìn)行吸合運(yùn)動(dòng)，完成吸合過(guò)程；而當(dāng)切斷電壓信號(hào)后，線圈斷電，電磁力不斷減小，當(dāng)電磁力小于負(fù)載時(shí)進(jìn)行釋放運(yùn)動(dòng)，完成釋放過(guò)程。吸合過(guò)程和釋放過(guò)程總的時(shí)間即為電磁鐵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間[12]。

1.殼體 2.線圈 3.銜鐵 4.極靴 5.推桿圖1 電磁鐵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，先導(dǎo)閥電磁鐵的線圈匝數(shù)為2800，等效電阻為107 Ω，電磁鐵的有效行程為2.4 mm，復(fù)位彈簧剛度為0.85 N/mm。

2 電磁鐵模型建立及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 基于Ansoft的電磁場(chǎng)仿真

經(jīng)過(guò)對(duì)電磁鐵的結(jié)構(gòu)參數(shù)詳細(xì)測(cè)量后，在Ansoft中搭建該電磁鐵的仿真模型，如圖2所示。

1.殼體 2.線圈 3.銜鐵 4.導(dǎo)套 5.極靴圖2 電磁鐵 Ansoft Maxwell 仿真模型

依據(jù)電磁鐵模型，利用Ansoft Maxwell 2D的靜磁場(chǎng)求解器，通過(guò)有限元法對(duì)麥克斯韋方程組求解計(jì)算場(chǎng)內(nèi)的各點(diǎn)電勢(shì)和磁勢(shì)量，求出磁場(chǎng)儲(chǔ)能，進(jìn)而求得相應(yīng)的電磁吸力和電感系數(shù)。其中電磁力特性參數(shù)和電感特性參數(shù)能夠定義一個(gè)電磁鐵的性能[13]。

建立模型后進(jìn)行仿真，得到的該電磁鐵的電磁力與氣隙和安匝數(shù)的關(guān)系曲線如圖3所示，電感與氣隙和安匝數(shù)的關(guān)系曲線如圖4所示。其中工作氣隙從0～2.4 mm，每0.2 mm計(jì)算一次，安匝數(shù)從0～500 Tr.A，每25 Tr.A計(jì)算一次。

圖3 電磁鐵電磁力特性

圖4 電磁鐵的電感特性

2.2 基于AMESim的礦用電磁先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)仿真分析

本研究的礦用電磁先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)如圖5所示，工作過(guò)程如下：當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，推桿在電磁鐵作用下推動(dòng)球閥2運(yùn)動(dòng)，使回液口關(guān)閉，與其連接的球閥1打開(kāi)，進(jìn)液口與工作口相通，高壓液體進(jìn)入工作口，進(jìn)入主閥；當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，在液壓力和彈簧力共同作用下使球閥1關(guān)閉，球閥2打開(kāi)，工作口與回液口相通，這時(shí)電磁先導(dǎo)閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.彈簧 2.球閥1 3.球閥2 4.推桿 5.進(jìn)液口6.工作口 7.回液口圖5 先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

基于上節(jié)在電磁場(chǎng)有限元軟件下得到的電磁吸力及電感特性數(shù)據(jù)，利用AMESim數(shù)據(jù)表格將電磁數(shù)據(jù)導(dǎo)入電磁鐵模塊中，根據(jù)礦用電磁先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)原理，在AMESim環(huán)境下搭建電磁先導(dǎo)閥仿真模型，如圖6所示。

圖6 先導(dǎo)閥AMESim模型

電磁先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)曲線如圖7所示，電磁先導(dǎo)閥的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下：開(kāi)啟時(shí)輸入高電平，從原點(diǎn)到a點(diǎn)，電流迅速上升，電磁力隨電流上升而上升，但還未達(dá)到開(kāi)啟力，此過(guò)程為開(kāi)啟滯后階段；a點(diǎn)到b點(diǎn)，電流達(dá)到開(kāi)啟電流后，銜鐵開(kāi)始吸合動(dòng)作，產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，阻止電流上升，直至完全開(kāi)啟，此過(guò)程為開(kāi)啟動(dòng)作階段，電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流點(diǎn)c；從c點(diǎn)到d點(diǎn)，輸入低電平，電流開(kāi)始下降，電磁力隨電流下降而下降，但還未降到關(guān)閉力，此過(guò)程為關(guān)閉滯后階段；從d點(diǎn)到e點(diǎn)，當(dāng)電流降至關(guān)閉電流后，銜鐵開(kāi)始釋放，再次產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，阻止電流下降，直至完全釋放，此過(guò)程為關(guān)閉動(dòng)作階段。以上為一次周期內(nèi)電磁先導(dǎo)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，電磁先導(dǎo)閥的響應(yīng)時(shí)間可以通過(guò)勵(lì)磁線圈中的電流的變化來(lái)確定[14]。

圖7 電磁先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)曲線

為研究該礦用電磁閥的動(dòng)態(tài)特性，采用不同周期的PWM 信號(hào)去驅(qū)動(dòng)電磁鐵[15]。當(dāng)電磁鐵通以電壓值為12 V，頻率為2 Hz，占空比為50%的電壓方波時(shí)，電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性如圖8所示。開(kāi)啟滯后時(shí)間為21.1 ms，開(kāi)啟動(dòng)作時(shí)間為13.3 ms，關(guān)閉滯后時(shí)間為125.9 ms，關(guān)閉動(dòng)作時(shí)間為33.6 ms。由電流變化可以判斷，開(kāi)啟電流約為70 mA，關(guān)閉電流約為7 mA，穩(wěn)態(tài)電流約為110 mA。當(dāng)開(kāi)啟動(dòng)作完成后，由于電壓持續(xù)保持高位，電流會(huì)持續(xù)上升至穩(wěn)態(tài)電流，從而導(dǎo)致在進(jìn)行關(guān)閉時(shí)初始電流過(guò)大，使關(guān)閉滯后時(shí)間大大增加。圖中電磁閥運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期為500 ms，如果繼續(xù)減小周期時(shí)間則電磁閥無(wú)法完成完整的運(yùn)動(dòng)，因此通過(guò)仿真所得，礦用電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率最快為2 Hz。

圖8 電磁先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)曲線(12 V單電壓)

2.3 電磁先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證基于 Ansoft-AMESim 所建立的電磁先導(dǎo)閥聯(lián)合仿真模型的正確性，進(jìn)行了礦用電磁先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)。圖9為礦用電磁先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)的實(shí)物圖。試驗(yàn)系統(tǒng)主要有12 V直流電源、15 V程控電源、電磁先導(dǎo)閥樣機(jī)、嵌入式單片機(jī)控制器、電流傳感器、NI-6251采集卡、工控機(jī)。當(dāng)12 V電源接通后，通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生可變頻率的PWM波控制驅(qū)動(dòng)模塊不斷通斷，使電磁鐵不斷的完成吸合釋放動(dòng)作，利用采集卡采集電流傳感器獲取到的電流數(shù)據(jù)以及PWM控制信號(hào)。

圖9 電磁鐵動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)圖

圖10為所采集到的500 ms周期內(nèi)的電流數(shù)據(jù)和PWM控制信號(hào)，其中PWM控制信號(hào)高電平為3.3 V。從圖中可得到電磁先導(dǎo)閥開(kāi)啟電流約為70 mA，穩(wěn)態(tài)電流約為110 mA。增大PWM頻率后，電磁閥無(wú)法完成完整的周期運(yùn)動(dòng)，所以電磁先導(dǎo)閥的最快頻率為2 Hz。所得到的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了模型搭建的正確性。

圖10 500 ms下PWM信號(hào)、線圈電流關(guān)系曲線

3 不同控制策略下的動(dòng)態(tài)特性分析

依據(jù)試驗(yàn)以及聯(lián)合仿真結(jié)果，先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢主要是由于開(kāi)啟滯后時(shí)間以及關(guān)閉滯后時(shí)間的影響，其中關(guān)閉滯后時(shí)間的影響較大。因此通過(guò)不同的驅(qū)動(dòng)控制策略，來(lái)改善其動(dòng)態(tài)特性。由于礦用本安條件下的最大電壓為12 V，所以在此就不討論增大驅(qū)動(dòng)電壓縮短開(kāi)啟滯后時(shí)間的控制方式，主要從減少功率損耗和縮短關(guān)閉滯后時(shí)間方面來(lái)改善其動(dòng)態(tài)特性。

3.1 雙極性電壓驅(qū)動(dòng)控制方式

雙極性電壓驅(qū)動(dòng)控制方式是采用2個(gè)電壓源對(duì)電磁鐵進(jìn)行供電。在電磁鐵開(kāi)啟階段同樣采用12 V作為輸入信號(hào)，與12 V單電壓不同的是，當(dāng)12 V激勵(lì)電壓結(jié)束時(shí)立刻接入12 V的反向電壓，使線圈電流迅速下降至關(guān)閉電流，之后在0電平信號(hào)下完成關(guān)閉動(dòng)作，其動(dòng)態(tài)特性如圖11所示。開(kāi)啟滯后時(shí)間為21.4 ms，開(kāi)啟動(dòng)作時(shí)間為13.3 ms，關(guān)閉滯后時(shí)間為12.9 ms，關(guān)閉動(dòng)作時(shí)間為33.1 ms。由于關(guān)閉滯后階段反向電壓的接入，使得關(guān)閉滯后時(shí)間大大減小。

圖11 雙極性電壓控制動(dòng)態(tài)特性曲線

雙極性電壓控制中反向卸荷電壓值或占空比大小對(duì)動(dòng)態(tài)特性影響較大，反向電壓值的大小直接決定了電流下降的速度，而占空比決定了反向電壓的作用時(shí)間，占空比過(guò)小，達(dá)不到減小關(guān)閉滯后時(shí)間的效果，在無(wú)電壓激勵(lì)下仍需較長(zhǎng)時(shí)間才能降至關(guān)閉電流；占空比過(guò)大，會(huì)使得線圈電流降至關(guān)閉電流后持續(xù)降低，甚至降低為負(fù)值，導(dǎo)致下一周期的初始電流過(guò)小，增加下一周期的開(kāi)啟滯后時(shí)間，若電流降為反向開(kāi)啟電流值時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致電磁鐵由于激勵(lì)電流的存在再度吸合[16]，影響到液壓支架的動(dòng)作狀態(tài)，無(wú)法達(dá)到控制的目的。

3.2 三電壓驅(qū)動(dòng)控制方式

三電壓驅(qū)動(dòng)控制方式是利用控制信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管，使得3個(gè)電壓源進(jìn)行切換，在不同的階段對(duì)電磁鐵進(jìn)行供電。在電磁鐵開(kāi)啟階段同樣采用12 V作為輸入信號(hào)，與雙電壓驅(qū)動(dòng)方式不同的是在電磁鐵完成開(kāi)啟動(dòng)作后，用2 V電壓作為維持階段的輸入，當(dāng)電磁鐵關(guān)閉時(shí)，再次采用12 V的反向電壓使電磁鐵快速卸荷，最后在無(wú)電壓激勵(lì)下完成關(guān)閉動(dòng)作。其中維持電壓的作用是電磁鐵開(kāi)啟后維持線圈電流高于關(guān)閉電流，使電磁鐵處于開(kāi)啟狀態(tài)，所以維持階段電壓需略大于等效電阻與關(guān)閉電流的乘積。三電壓動(dòng)態(tài)特性曲線如圖12所示，其中開(kāi)啟滯后時(shí)間為20.4 ms，開(kāi)啟動(dòng)作時(shí)間為13.6 ms，關(guān)閉滯后時(shí)間為6.4 ms，關(guān)閉動(dòng)作時(shí)間為34.7 ms，維持階段電流約為26 mA。

圖12 三電壓動(dòng)態(tài)特性曲線

三電壓驅(qū)動(dòng)控制方式可以有效減小維持階段功率損耗，減小關(guān)閉滯后時(shí)間，改善動(dòng)態(tài)特性。三電壓控制的關(guān)鍵在于各階段電壓的適時(shí)切換，由于涉及到3個(gè)電壓源供電，從體積以及電路設(shè)計(jì)上給驅(qū)動(dòng)功率放大模塊帶來(lái)了難度。

3.3 PWM維持占空比控制方式

PWM波維持占空比方式是通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的切換，從而在不同階段提供不同的輸入信號(hào)。在電磁鐵開(kāi)啟階段PWM波的占空比為100%，在大電流驅(qū)動(dòng)下快速開(kāi)啟，當(dāng)電磁鐵開(kāi)啟動(dòng)作完成后，變換為低占空比，電磁鐵在低電流下維持開(kāi)啟狀態(tài)，關(guān)閉階段占空比為0，使電磁鐵關(guān)閉。電磁鐵復(fù)合PWM動(dòng)態(tài)特性如圖13所示。其中開(kāi)啟滯后時(shí)間為21.1 ms，開(kāi)啟動(dòng)作時(shí)間為14.1 ms，關(guān)閉滯后時(shí)間為33.4 ms，關(guān)閉動(dòng)作時(shí)為37.1 ms，維持階段電流約為25 mA。載波頻率應(yīng)遠(yuǎn)大于自身臨界頻率，適當(dāng)增大驅(qū)動(dòng)頻率有利于減小維持電流，減小關(guān)閉滯后時(shí)間[17]。

圖13 復(fù)合PWM動(dòng)態(tài)特性曲線

復(fù)合PWM驅(qū)動(dòng)控制方式在有效減小維持功耗，相對(duì)改善動(dòng)態(tài)特性的同時(shí)，減少了電壓源的使用，減少了驅(qū)動(dòng)功放模塊的硬件設(shè)計(jì)難度。但維持階段PWM的占空比需適當(dāng)選擇，占空比過(guò)小，電流就過(guò)小，電磁閥導(dǎo)致關(guān)閉；占空比過(guò)大，達(dá)不到減小功耗的作用。

4 結(jié)論

本研究在分析礦用本安型電磁先導(dǎo)閥工作原理的基礎(chǔ)上，基于AMESim-Maxwell建立了礦用本安型電磁先導(dǎo)閥的聯(lián)合仿真模型，利用礦用電磁先導(dǎo)閥動(dòng)靜態(tài)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了單電壓動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，與仿真結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了模型搭建的正確性。利用聯(lián)合仿真模型仿真對(duì)比了單電壓、雙極性電壓、三電壓以及PWM維持占空比方式下的動(dòng)態(tài)特性。結(jié)果表明，單電壓關(guān)閉滯后時(shí)間較為嚴(yán)重，功率損耗較大；雙極性電壓能有效減少關(guān)閉滯后時(shí)間，但占空比選擇困難；三電壓可以有效減少關(guān)閉滯后時(shí)間以及維持功耗，但對(duì)于硬件設(shè)計(jì)要求較高；復(fù)合PWM在減小維持功耗的同時(shí)降低了電路設(shè)計(jì)要求，關(guān)閉滯后時(shí)間也有所減少。