郭大勇，司國(guó)雷，陳君輝，王嘉磊

(四川航天烽火伺服控制技術(shù)有限公司，四川成都 611130)

0 前言

氣動(dòng)電磁閥是一種典型的高速開關(guān)閥，具有響應(yīng)迅速、綠色無(wú)污染、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、能源水利、航空航天等領(lǐng)域。動(dòng)態(tài)特性是電磁閥一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，如何提高電磁閥動(dòng)態(tài)特性一直是研究的熱點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)提高電磁閥動(dòng)態(tài)特性的研究主要集中在3個(gè)方面：(1)在控制系統(tǒng)中增加位移反饋環(huán)節(jié)，通過(guò)閉環(huán)控制提高電磁閥的動(dòng)態(tài)特性；(2)對(duì)電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化，提高動(dòng)態(tài)特性；(3)通過(guò)建立動(dòng)力學(xué)模型和流場(chǎng)模型，優(yōu)化閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高電磁閥的動(dòng)態(tài)特性。

BREIDIF等[1]為了改善電磁閥的動(dòng)態(tài)特性，提出一種峰值保持和反向電壓驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)檢測(cè)閥芯兩端的壓差計(jì)算電磁閥轉(zhuǎn)換時(shí)間和延遲時(shí)間，從而確定最佳電壓峰值和反向電壓大小。GAMBLE、VAUGHAN[2]提出一種非線性滑?？刂破?，通過(guò)狀態(tài)反饋及PID控制，利用滑模控制器較強(qiáng)的閉環(huán)響應(yīng)特性，提高了電磁閥的動(dòng)態(tài)特性。BOZA[3]根據(jù)電磁閥的非線性動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了不同的閉環(huán)控制器，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同的電磁閥和控制器組合，動(dòng)態(tài)特性優(yōu)于傳統(tǒng)開環(huán)狀態(tài)下的電磁閥。孟飛等人[4]通過(guò)對(duì)電磁閥中電場(chǎng)、磁場(chǎng)、機(jī)械和流體四部分耦合仿真分析，得到了電磁閥內(nèi)部參數(shù)的變化特性，最終對(duì)電磁閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了電磁閥動(dòng)態(tài)特性。張晉等人[5]通過(guò)研究電磁閥在高壓情況下流量及閥芯受力情況，建立了理想模型，通過(guò)流體仿真優(yōu)化了電磁閥結(jié)構(gòu)，提高了響應(yīng)速度。蔣煥煜等[6]為了提高電磁閥的響應(yīng)時(shí)間，引入響應(yīng)面法優(yōu)化脈寬控制參數(shù)，以響應(yīng)時(shí)間為響應(yīng)值，獲取相應(yīng)的二次多項(xiàng)式模型，通過(guò)仿真驗(yàn)證，獲取最佳參數(shù)值，提高了電磁閥響應(yīng)速度。

上述方法在一定程度上都可以提高電磁閥的動(dòng)態(tài)特性。其實(shí)影響電磁閥動(dòng)態(tài)特性的因素很多，最根本的原因是由閥的固有特性決定的。在電磁閥設(shè)計(jì)中，由于考慮溫升和功耗影響，啟動(dòng)電壓一般都不大，這就造成電磁閥的打開時(shí)間普遍比較長(zhǎng)；在電磁閥關(guān)閉過(guò)程中，由于閥芯渦流的影響，穩(wěn)態(tài)磁通降低到釋放磁通需要較長(zhǎng)的時(shí)間，從而導(dǎo)致關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)。通過(guò)建立氣動(dòng)電磁閥AMESim仿真模型，分析在不同控制方式下氣動(dòng)電磁閥的動(dòng)態(tài)特性，并不斷優(yōu)化改進(jìn)，最終提高氣動(dòng)電磁閥的動(dòng)態(tài)特性。

1 氣動(dòng)電磁閥結(jié)構(gòu)及工作原理

氣動(dòng)電磁閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括端蓋、線圈組件、外殼、復(fù)位彈簧和閥芯組件。當(dāng)電磁閥通電時(shí)，隨著電磁力不斷增加，當(dāng)電磁力大于彈簧力和氣壓力之和時(shí)，氣動(dòng)電磁閥打開；當(dāng)電磁閥斷電時(shí)，隨著電磁力降低，當(dāng)電磁力小于彈簧力時(shí)，電磁閥關(guān)閉。其中電磁閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 氣動(dòng)電磁閥結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 氣動(dòng)電磁閥結(jié)構(gòu)

2 氣動(dòng)電磁閥建模及仿真

根據(jù)圖1所示氣動(dòng)電磁閥結(jié)構(gòu)，建立AMESim仿真模型如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)電磁閥AMESim仿真模型

在圖2所示的仿真模型中，電磁部分需要通過(guò)Ansoft仿真得到，這樣將提高整個(gè)系統(tǒng)的仿真精度。其Ansoft仿真模型如圖3所示。為了得到電磁力和電感隨閥芯位移和安匝數(shù)變化情況，工作氣隙從0 mm到0.8 mm，每0.1 mm計(jì)算一次，安匝數(shù)從0到742安·匝，每50安·匝計(jì)算一次，總共需進(jìn)行9×16次運(yùn)算。圖4為電磁力和電感隨工作氣隙和安匝數(shù)的變化情況。

圖3 氣動(dòng)電磁閥Ansoft仿真模型

圖4 電磁力(a)、電感(b)隨閥芯位移、安匝數(shù)變化情況

3 氣動(dòng)電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

在PWM方波控制信號(hào)下，電磁閥的動(dòng)態(tài)特性響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 PWM控制下電磁閥各參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

在圖5中：T為PWM控制周期；tp為脈寬控制時(shí)間；ton為電磁閥打開時(shí)間；toff為電磁閥關(guān)閉時(shí)間；I1為電磁閥開啟觸動(dòng)電流；I2為電磁閥開啟電流；I3為穩(wěn)態(tài)電流；I4為關(guān)閉初始電流；I5為關(guān)閉電流；t1為開啟滯后時(shí)間；t2為開啟運(yùn)動(dòng)時(shí)間；t3為關(guān)閉滯后時(shí)間；t4為關(guān)閉運(yùn)動(dòng)時(shí)間；tp/T表示占空比大小。

4 氣動(dòng)電磁閥動(dòng)態(tài)特性仿真分析

4.1 單電壓控制氣動(dòng)電磁閥動(dòng)態(tài)特性

氣動(dòng)電磁閥的動(dòng)態(tài)特性仿真模型如圖2所示，其中參數(shù)設(shè)置如表1所示。給氣動(dòng)電磁閥輸入控制電壓為12 V、頻率10 Hz、占空比為30%的PWM方波信號(hào)，得到氣動(dòng)電磁閥動(dòng)態(tài)特性變化曲線如圖6所示。

圖6 12 V單電壓控制電磁閥動(dòng)態(tài)特性曲線

從圖6可以看出：氣動(dòng)電磁閥打開時(shí)間為16 ms，開啟滯后時(shí)間為12 ms，開啟運(yùn)動(dòng)時(shí)間為4 ms；氣動(dòng)電磁閥關(guān)閉時(shí)間為61 ms，關(guān)閉滯后時(shí)間為54 ms，關(guān)閉運(yùn)動(dòng)時(shí)間為7 ms；開啟觸動(dòng)電流為0.029 A，開啟電流為0.038 A，穩(wěn)態(tài)電流0.17 A，關(guān)閉初始電流為0.026 A，關(guān)閉電流為0.024 A。

當(dāng)給氣動(dòng)電磁閥的輸入控制電壓24 V、頻率10 Hz、占空比為30%的PWM方波信號(hào)，得到氣動(dòng)電磁閥的動(dòng)態(tài)特性變化曲線如圖7所示。

圖7 24 V單電壓控制電磁閥動(dòng)態(tài)特性曲線

從圖7可以看出：氣動(dòng)電磁閥打開時(shí)間為9 ms，開啟滯后時(shí)間為5 ms，開啟運(yùn)動(dòng)時(shí)間為4 ms；氣動(dòng)電磁閥關(guān)閉時(shí)間為66 ms，關(guān)閉滯后時(shí)間為59 ms，關(guān)閉運(yùn)動(dòng)時(shí)間為7 ms；開啟觸動(dòng)電流為0.029 A，開啟電流為0.047 A，穩(wěn)態(tài)電流為0.37 A，關(guān)閉初始電流為0.026 A，關(guān)閉電流為0.024 A。

對(duì)比圖6和圖7可以看出：當(dāng)控制電壓增大，氣動(dòng)電磁閥的開啟觸動(dòng)電流和關(guān)閉初始電流基本不變，因此控制電壓越大，電流上升到開啟觸動(dòng)電流的時(shí)間越短，開啟滯后時(shí)間越短，從而縮短電磁閥打開時(shí)間；但控制電壓越大，穩(wěn)態(tài)電流越大，從穩(wěn)態(tài)電流下降至關(guān)閉初始電流的時(shí)間越長(zhǎng)，從而導(dǎo)致關(guān)閉滯后時(shí)間延長(zhǎng)，使電磁閥關(guān)閉時(shí)間變長(zhǎng)。

4.2 雙電壓控制氣動(dòng)電磁閥動(dòng)態(tài)特性

從第4.1節(jié)的仿真結(jié)果中可以看出，提高控制電壓雖然能夠縮短打開時(shí)間，但由于穩(wěn)態(tài)電流增大，導(dǎo)致關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)。由此，優(yōu)化氣動(dòng)電磁閥動(dòng)態(tài)特性的方法之一是：降低穩(wěn)態(tài)電流。事實(shí)上，在氣動(dòng)電磁閥吸合后，由于氣隙磁阻很小，這時(shí)只需要很小的電磁力便可以使閥芯維持在吸合狀態(tài)，不需要持續(xù)供給高電壓[7-8]。因此，在閥芯吸合后可以改為低電壓維持閥芯吸合狀態(tài)，這樣可以降低穩(wěn)態(tài)電流，縮短電磁閥的關(guān)閉滯后時(shí)間，從而提高電磁閥的響應(yīng)特性。維持電壓需大于線圈等效電阻與關(guān)閉電流的乘積，取4 V。

從圖7可以看出，當(dāng)控制電壓為24 V、頻率10 Hz、占空比30%時(shí)，氣動(dòng)電磁閥的打開時(shí)間為9 ms。因此在雙電壓控制中設(shè)置24 V作用時(shí)間為9 ms、4 V作用時(shí)間為21 ms，以0.3 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)3次完全啟閉作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，得到氣動(dòng)電磁閥動(dòng)態(tài)特性曲線如圖8所示。

從圖8可以看出：氣動(dòng)電磁閥的打開時(shí)間為9 ms，開啟滯后時(shí)間為5 ms，開啟運(yùn)動(dòng)時(shí)間為4 ms；氣動(dòng)電磁閥關(guān)閉時(shí)間為48 ms，關(guān)閉滯后時(shí)間為41 ms，關(guān)閉運(yùn)動(dòng)時(shí)間為7 ms；開啟觸動(dòng)電流為0.029 A，開啟電流為0.047 A，穩(wěn)態(tài)電流為0.062 A，關(guān)閉初始電流為0.026 A，關(guān)閉電流為0.024 A。

4.3 三電壓控制氣動(dòng)電磁閥動(dòng)態(tài)特性

對(duì)比圖7和圖8可以看出：采用雙電壓控制方式后，可以有效降低氣動(dòng)電磁閥關(guān)閉滯后時(shí)間，從而縮短電磁閥的關(guān)閉時(shí)間，但降低的幅度并不大。原因在于：不論哪種控制方式，電磁閥在關(guān)閉時(shí)線圈中的磁通都有一個(gè)緩慢變化的過(guò)程，從而在鐵心中產(chǎn)生渦流，阻礙了閥芯的運(yùn)動(dòng)。因此要想在短時(shí)間內(nèi)降低電磁閥的關(guān)閉滯后時(shí)間，必須加快閥芯的釋放速度，減小渦流的影響。常用的加快閥芯釋放速度的方法有：增大彈簧反作用力、采用具有高電阻率的軟磁合金材料、減小動(dòng)鐵心質(zhì)量等，但效果都不明顯，本質(zhì)原因在于電流的釋放時(shí)間得不到降低。此研究通過(guò)在電磁閥關(guān)閉時(shí)，采用反向電壓快速卸荷的方法，使電流快速降低至關(guān)閉電流，從而有效降低電磁閥關(guān)閉滯后時(shí)間。

在第4.2節(jié)的基礎(chǔ)上增加反向卸荷電壓，因此氣動(dòng)電磁閥的控制方式變?yōu)樵跉鈩?dòng)電磁閥打開時(shí)采用24 V高電壓驅(qū)動(dòng)，使電流迅速上升至開啟觸動(dòng)電流，縮短電磁閥打開時(shí)間；在電磁閥打開后采用4 V低電壓保持，降低穩(wěn)態(tài)電流，降低關(guān)閉滯后時(shí)間，在電磁閥關(guān)閉時(shí)采用-12 V負(fù)電壓卸荷，使電流快速降低至關(guān)閉電流，降低關(guān)閉滯后時(shí)間，縮短關(guān)閉時(shí)間。在三電壓控制中，設(shè)置24 V頻率為10 Hz、占空比30%、作用時(shí)間為9 ms，4 V作用時(shí)間16 ms，-12 V作用時(shí)間18 ms，得到氣動(dòng)電磁閥的動(dòng)態(tài)特性曲線如圖9所示。

圖9 三電壓控制電磁閥動(dòng)態(tài)特性曲線

從圖9可以看出：氣動(dòng)電磁閥的打開時(shí)間為9 ms，開啟滯后時(shí)間為5 ms，開啟運(yùn)動(dòng)時(shí)間為4 ms；氣動(dòng)電磁閥關(guān)閉時(shí)間為11 ms，關(guān)閉滯后時(shí)間為7 ms，關(guān)閉運(yùn)動(dòng)時(shí)間為4 ms；開啟觸動(dòng)電流為0.029 A，開啟電流為0.047 A，關(guān)閉初始電流為0.026 A，關(guān)閉電流為0.019 A。

對(duì)比圖8和圖9可以看出：采用三電壓控制方式，氣動(dòng)電磁閥的關(guān)閉時(shí)間由48 ms降低到11 ms，關(guān)閉滯后時(shí)間由41 ms降低到7 ms，由于負(fù)電壓激勵(lì)作用，關(guān)閉運(yùn)動(dòng)時(shí)間由7 ms降低到4 ms，大大降低了氣動(dòng)電磁閥關(guān)閉時(shí)間，有效提高了氣動(dòng)電磁閥動(dòng)態(tài)特性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

現(xiàn)階段常用檢測(cè)電磁閥動(dòng)態(tài)特性的方法是串聯(lián)電阻法，即將電磁閥與1 Ω電阻串聯(lián)，將示波器并聯(lián)在1 Ω電阻上，給電磁閥通入負(fù)載壓力，連接直流穩(wěn)壓電源，將示波器掃描周期調(diào)至500 ms，以5 s為周期往復(fù)開關(guān)電源，用示波器記錄下電磁鐵波形，對(duì)比圖5記錄下電磁閥的打開關(guān)閉時(shí)間。但該方法存在的問(wèn)題是由于需要串聯(lián)電阻，將對(duì)電磁閥的輸出電流產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致電磁閥打開關(guān)閉時(shí)間測(cè)試不準(zhǔn)確。

鑒于上述方法的缺點(diǎn)，文中通過(guò)測(cè)試氣動(dòng)電磁閥的輸出流量來(lái)檢測(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，其試驗(yàn)原理如圖10所示，主要由氣源、氣體流量傳感器、被測(cè)電磁閥、控制板和電源組成。測(cè)試方法是：首先將被測(cè)電磁閥接通氣源和流量傳感器，給電磁閥通電，通過(guò)控制板控制電磁閥響應(yīng)，通過(guò)流量傳感器檢測(cè)氣動(dòng)電磁閥的流量變化，當(dāng)流量達(dá)到穩(wěn)定輸出狀態(tài)，記錄轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)間即為氣動(dòng)電磁閥打開時(shí)間；當(dāng)控制電壓為0 V、流量由穩(wěn)定狀態(tài)逐漸變?yōu)?，記錄控制電壓為0 V到輸出流量為0的時(shí)間，即為氣動(dòng)電磁閥關(guān)閉時(shí)間。

圖10 氣動(dòng)電磁閥流量測(cè)試裝置

通過(guò)記錄氣動(dòng)電磁閥在單電壓12 V和24 V、雙電壓24 V+4 V、三電壓24 V+4 V+(-12 V)控制時(shí)流量變化曲線，得到結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同控制方式下氣動(dòng)電磁閥流量變化曲線

以第一個(gè)周期的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，從圖11可以看出：當(dāng)采用12 V單電壓控制時(shí)，氣動(dòng)電磁閥的流量在16 ms時(shí)達(dá)到最大值873.15 L/min，即氣動(dòng)電磁閥的打開時(shí)間為16 ms，當(dāng)控制電壓在30 ms降為0時(shí)，氣動(dòng)電磁閥流量在91 ms才降為0，即氣動(dòng)電磁閥的關(guān)閉時(shí)間為61 ms；當(dāng)采用24 V單電壓控制時(shí)，氣動(dòng)電磁閥的流量在9 ms時(shí)達(dá)到最大值873.15 L/min，即氣動(dòng)電磁閥的打開時(shí)間為9 ms，當(dāng)控制電壓在30 ms降為0時(shí)，氣動(dòng)電磁閥流量在96 ms才降為0，即氣動(dòng)電磁閥的關(guān)閉時(shí)間為66 ms；當(dāng)采用24 V+4 V雙電壓控制方式時(shí)，氣動(dòng)電磁閥的流量在9 ms時(shí)達(dá)到最大值873.15 L/min，即氣動(dòng)電磁閥的打開時(shí)間為9 ms，當(dāng)控制電壓在30 ms降為0時(shí)，氣動(dòng)電磁閥流量在78 ms才降為0，即氣動(dòng)電磁閥的關(guān)閉時(shí)間為48 ms；當(dāng)采用24 V+4 V+(-12 V)三電壓控制方式時(shí)，氣動(dòng)電磁閥流量在9 ms時(shí)達(dá)到最大值873.15 L/min，即氣動(dòng)電磁閥的打開時(shí)間為9 ms，當(dāng)控制電壓在30 ms降為0時(shí)，氣動(dòng)電磁閥流量在41 ms降為0，即氣動(dòng)電磁閥的關(guān)閉時(shí)間為11 ms。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出：通過(guò)氣動(dòng)電磁閥的流量變化曲線可以判斷電磁閥打開關(guān)閉狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，證明了仿真的有效性。

6 結(jié)論

主要對(duì)氣動(dòng)電磁閥的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化仿真研究，旨在提高氣動(dòng)電磁閥的動(dòng)態(tài)特性，通過(guò)對(duì)氣動(dòng)電磁閥進(jìn)行單電壓、雙電壓和三電壓控制仿真分析發(fā)現(xiàn)：

(1)通過(guò)對(duì)比氣動(dòng)電磁閥12 V和24 V單電壓控制發(fā)現(xiàn)，隨著控制電壓的升高，氣動(dòng)電磁閥的打開時(shí)間縮短，關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)。原因在于：氣動(dòng)電磁閥的開啟觸動(dòng)電流和關(guān)閉初始電流一定，控制電壓越高，電流上升至開啟觸動(dòng)電流的時(shí)間越短，開啟滯后時(shí)間越短，因此打開時(shí)間縮短；但控制電壓越高，穩(wěn)態(tài)電流越大，穩(wěn)態(tài)電流下降至關(guān)閉初始電流的時(shí)間越長(zhǎng)，關(guān)閉滯后時(shí)間越長(zhǎng)，因此關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)。

(2)通過(guò)對(duì)氣動(dòng)電磁閥單電壓控制仿真對(duì)比分析，提出雙電壓控制方式，即在電磁閥開啟階段采用24 V高電壓驅(qū)動(dòng)，待氣動(dòng)電磁閥打開后，采用4 V低電壓保持，這樣既可以縮短打開時(shí)間又可以保證穩(wěn)態(tài)電流不會(huì)太高，影響氣動(dòng)電磁閥關(guān)閉時(shí)間。通過(guò)仿真分析，雙電壓控制與24 V單電壓控制相比，穩(wěn)態(tài)電流由0.37 A降至0.062 A，在關(guān)閉初始電流不變的情況下，關(guān)閉滯后時(shí)間由59 ms降至41 ms，關(guān)閉時(shí)間由66 ms降至48 ms，縮短了氣動(dòng)電磁閥的關(guān)閉時(shí)間。

(3)通過(guò)對(duì)比氣動(dòng)電磁閥24 V單電壓控制和24 V+4 V雙電壓控制發(fā)現(xiàn)，采用雙電壓控制可以降低關(guān)閉滯后時(shí)間，從而縮短關(guān)閉時(shí)間，但降低的幅度并不大。原因在于，不論哪種控制方式，電磁閥在關(guān)閉時(shí)線圈中的磁通都有一個(gè)緩慢變化的過(guò)程，從而在鐵心中產(chǎn)生渦流，阻礙了閥芯的運(yùn)動(dòng)。因此要想在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)關(guān)閉過(guò)程，必須加快閥芯的釋放速度，減小渦流的影響。從而提出三電壓控制方式，即在氣動(dòng)電磁閥關(guān)閉時(shí)增加-12 V反向卸荷電壓，使電流快速降至關(guān)閉電流0.026 A，氣動(dòng)電磁閥關(guān)閉滯后時(shí)間也由41 ms降低至7 ms，關(guān)閉運(yùn)動(dòng)時(shí)間由7 ms降低至4 ms，關(guān)閉時(shí)間由48 ms降低至11 ms，大大降低了氣動(dòng)電磁閥關(guān)閉時(shí)間，有效提高了氣動(dòng)電磁閥的動(dòng)態(tài)特性。

(4)通過(guò)檢測(cè)氣動(dòng)電磁閥在不同控制電壓下流量變化曲線，得到氣動(dòng)電磁閥的打開關(guān)閉時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，從而證明了仿真的有效性。