基于AMESim的電磁高速開關(guān)閥動(dòng)靜態(tài)特性研究_圖文

1、68液壓與氣動(dòng)2010年第2期基于A MESi m 的電磁高速開關(guān)閥動(dòng)靜態(tài)特性研究蘇 明, 陳倫軍1, 21Dyna m ic Characteristic Research ofH i gh Speed On -off Solenoi dV al ve Based on AMES m iS U M i n g , C H E N Lun -jun1, 21(1. 貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 貴州貴陽 550003; 2. 貴州省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院, 貴州貴陽 550003摘 要:在分析電磁高速開關(guān)閥磁路及機(jī)液結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上, 采用AMES i m 建立了電磁高速開關(guān)閥模型, 基于該模型在不同占空比及不

2、同工作頻率情況下進(jìn)行了仿真, 分析了P WM 信號(hào)、電流、閥芯位移關(guān)系, 從控制角度提出了改善電磁高速開關(guān)閥性能的思路。關(guān)鍵詞:AMES i m ; 電磁高速開關(guān)閥; 動(dòng)態(tài)模型; 仿真中圖分類號(hào)TH 137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1000-4858(2010 02-0068-051 引言電磁高速開關(guān)閥作為一種流體控制的新型控制元件, 采用P WM 控制方法, 可容易與計(jì)算機(jī)接口直接相連, 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)與流體控制技術(shù)的良性有機(jī)結(jié)合, 進(jìn)行液壓系統(tǒng)的直接數(shù)字控制。同比例閥、伺服閥等相比, 電磁高速開關(guān)閥且具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)。電磁高速開關(guān)閥涉及機(jī)、電、磁、液多種領(lǐng)域知識(shí), 很難建

3、立其精確數(shù)學(xué)模型, 而且流體脈寬調(diào)制P WM 控制系統(tǒng)是一類本質(zhì)非線性控制系統(tǒng), 由于流體控制閥的響應(yīng)速度限制, 調(diào)制頻率不可能很高, 系統(tǒng)的分析5和設(shè)計(jì)比較困難。法國I M AG I N E 公司于1995年推出的專門用于工程系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析的AM ES i m 軟件, 為流體動(dòng)力、機(jī)械、熱、電磁、控制等工程系統(tǒng)提供了一個(gè)完善的綜合仿真環(huán)境及靈活的解決方案, 具有豐富的模型庫, 可以采用基本元素法按照實(shí)際物理系統(tǒng)來構(gòu)建自定義模塊或者仿真模型, 而不需要去推導(dǎo)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型, 這可使研究人員將更多精力投入到實(shí)際物理模型的研究當(dāng)中。本文基于AMES i m 建立了電磁高速開關(guān)閥的數(shù)字模

4、型, 分析了P WM 信號(hào)、電流、閥芯位移關(guān)系, 從控制角度提出了改善電磁高速開關(guān)閥動(dòng)態(tài)特性的思路。2 電磁高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)及磁路螺紋插裝式電磁高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)見圖1。當(dāng)電磁鐵2斷電時(shí), 供油球閥7在供油-回油壓差作用下向1. 銜鐵 2. 線圈 3. 極靴 4. 閥體 5. 回油球閥6. 分離銷 7. 供油球閥左運(yùn)動(dòng), 使供油口與控制口接通; 在供油球閥左移的同時(shí), 通過分離銷的作用推動(dòng)回油球閥5緊靠密封座面, 使回油口與供油口斷開, 控制口為高壓。當(dāng)電磁鐵通電時(shí), 銜鐵1產(chǎn)生的電磁推力通過頂桿和分離銷6使回油球閥5與供油球閥7一起右移, 直至供油球閥緊靠其密封座面, 此時(shí)回油球閥5打開關(guān)閉,

5、供油球閥7關(guān)閉, 控制口為低壓。該閥的一個(gè)顯著特點(diǎn)是借助油口與控制口的壓差作用使球閥回位, 壽命長3。圖1 電磁高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)簡圖根據(jù)高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu), 繪制出高速開關(guān)閥主要磁通路徑及等效磁路如圖2所示。磁路中主要有3個(gè)氣隙, 分別為主氣隙(工作氣隙 和兩個(gè)次氣隙(氣隙I 和氣隙II 。圖2中, 為氣隙中主磁通路徑, 和為邊緣磁通路徑, 和為漏磁通路徑, 假設(shè)磁通或磁收稿日期:2009-08-10作者簡介:蘇明(1962 , 男, 福建浦城人, 研究員, 博士生, 主要研究方向?yàn)闄C(jī)電傳動(dòng)與控制。 2010年第2期液壓與氣動(dòng)6970f s 穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力f t 瞬態(tài)液動(dòng)力f l 液壓力x v 閥芯

6、位移液壓與氣動(dòng)2010年第2期3. 3 基于AMES i m 的電磁高速開關(guān)閥的動(dòng)態(tài)模型據(jù)圖3、圖4所示的電磁高速開關(guān)閥電磁模型及機(jī)液動(dòng)力學(xué)模型, 得出電磁高速開關(guān)閥動(dòng)態(tài)模型如圖5所示。利用一個(gè)P WM 信號(hào)去控制開關(guān)管的通斷, 從 而控制高速開關(guān)閥的通斷。F D 電磁力根據(jù)圖1所示電磁高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)簡圖, 采用AM ES i m 中的H CD (基本元件設(shè)計(jì)庫 建立電磁高速開關(guān)閥的機(jī)液動(dòng)力學(xué)模型如圖4。各子模型的作用、功能如表2 。圖5 電磁高速開關(guān)閥動(dòng)態(tài)模型4 動(dòng)、靜態(tài)特性仿真研究4. 1 P WM 信號(hào)、電流、閥芯位移關(guān)系給定供油壓力20M P , f P WM =50H z , S

7、=0. 5時(shí)P WM 信號(hào)、電流、閥芯位移關(guān)系如圖6。圖6 電磁高速開關(guān)閥P WM 信號(hào)、電流、閥芯位移關(guān)系圖6中t p 為P WM 脈沖寬度; t f 為P WM 脈沖周期;t on 為開啟時(shí)間, 從P WM 脈沖上升沿到閥完全打開的時(shí)間; t dn 為閥芯開啟的滯后時(shí)間, 從P WM 脈沖上升沿到閥開始打開的時(shí)間; t off 為關(guān)閉時(shí)間, 從PWM 脈沖下降沿到閥完全關(guān)閉的時(shí)間; t d f 為閥芯關(guān)閉的滯后時(shí)間, 閥芯從全開到開始關(guān)閉時(shí)的時(shí)間; S =t p t f 為P WM 脈沖占空比。對(duì)圖6中P WM 信號(hào)、電流、閥芯位移分析如下:(1 閥芯開啟運(yùn)動(dòng)比P WM 脈沖信號(hào)上升沿滯后

8、。當(dāng)P WM 脈沖上升沿到來時(shí), 電流開始上升, 當(dāng)電磁力可以克服負(fù)載阻力時(shí), 閥芯開始開啟運(yùn)動(dòng), 從P WM 脈沖上升沿到閥芯開始開啟運(yùn)動(dòng)的這一段時(shí)間, 就是閥芯開啟的滯后時(shí)間t dn ;(2 閥芯從開啟到完全打開需要一定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間, 這個(gè)時(shí)間為t on -t ; 2010年第2期液壓與氣動(dòng)71圖7 不同占空比時(shí)電磁高速開關(guān)閥P WM 信號(hào)、電流、閥芯位移關(guān)系(3 閥芯關(guān)閉運(yùn)動(dòng)比P WM 脈沖信號(hào)下降沿滯后。當(dāng)P WM 脈沖下降沿到來時(shí), 在二極管的續(xù)流作用下, 電流開始下降, 電磁力下降, 當(dāng)液壓力足以克服電磁力及阻力時(shí), 閥芯開始關(guān)閉運(yùn)動(dòng), 從P WM 脈沖下降沿到閥芯開始關(guān)閉運(yùn)動(dòng)的這一

9、段時(shí)間, 就是閥芯關(guān)閉的滯后時(shí)間t d f ;(4 閥芯從開始關(guān)閉運(yùn)動(dòng)到完全關(guān)閉需要一定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間, 這個(gè)時(shí)間為t o ff -t 。4. 2 不同占空比的動(dòng)態(tài)特性仿真工作頻率50H z 時(shí), 在不同占空比情況下, 電磁高速開關(guān)閥P WM 信號(hào)、電流、閥芯位移關(guān)系仿真結(jié)果如圖7。分析S 與P WM 信號(hào)、電流、閥芯位移關(guān)系, 可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律。(1 當(dāng)S 值很小時(shí)(如S =0. 1, 由于電磁力尚未上升到足以可以克服阻力的值, 尚未克服開啟滯后時(shí)間t dn , 所以, 閥芯不能開啟, 長期處于完全關(guān)閉位置; (2 當(dāng)S 值較小時(shí)(如S =0. 2, 由于電磁力上升到足以可以克服阻力的值后, 尚

10、未完成開啟運(yùn)動(dòng)過程, P WM 脈沖下降沿就已經(jīng)到來, 即尚未克服閥芯開啟運(yùn)動(dòng)時(shí)間t on -t d n , 所以, 閥芯不能完全開啟, 就已經(jīng)開始關(guān)閉運(yùn)動(dòng)過程了;(3 當(dāng)S 值較大時(shí)(如S =0. 9, 由于電磁力下降還未達(dá)到足以使閥芯完全關(guān)閉狀態(tài)時(shí), P WM 脈沖上升沿已經(jīng)到來, 又進(jìn)入了電流上升過程, 即尚未克服閥芯關(guān)閉運(yùn)動(dòng)時(shí)間t o ff -t d , 所以, 閥芯不能完全關(guān)閉, 就已經(jīng)開始開啟運(yùn)動(dòng)過程了;(4 當(dāng)S 值很大時(shí)(如S =0. 95, 由于電磁力下降還未達(dá)到足以使閥芯開始關(guān)閉運(yùn)動(dòng)時(shí), P WM 脈沖上升沿已經(jīng)到來, 又進(jìn)入了電流上升過程, 即尚未克服閥芯關(guān)閉的滯后時(shí)間t

11、 df , 所以, 閥芯不能完全關(guān)閉, 就已經(jīng)開始開啟運(yùn)動(dòng)過程了。4. 3 不同工作頻率下的靜態(tài)特性仿真1 空載流量占空比特性當(dāng)負(fù)載發(fā)壓力為零時(shí), 閥輸出平均流量與輸入P WM 信號(hào)的占空比間的關(guān)系是常用特性, 稱為空載流量占空比特性(圖8a, 或簡稱流量-占空比特性2 空載壓力特性空載壓力特性(圖8b 指負(fù)載流量為零時(shí), 平均負(fù)6載壓力與P WM 信號(hào)之間的關(guān)系。6。圖8 電磁高速開關(guān)閥空載特性分析圖8, 可以看出:隨著工作頻率的增加, 空載流量占空比特性和空載壓力特性的調(diào)節(jié)死區(qū)增加, 流量和壓力隨占空比有效調(diào)節(jié)的S 的范圍明顯變小, 曲線整體明顯變陡, 靜態(tài)特性變差。72液壓與氣動(dòng)2010

12、年第2期液壓潤滑系統(tǒng)中靜電問題分析與解決方法闞 超, 廖支援, PuliyurM adhavan112E l ectrostatic Charge Generati on and Sol uti on on E lectrostati c D ischarge Prob l e m i n Hydraulic and Lubricati on Syste mKAN Chao , LIAO Zh-i yuan , Pu li y urM adhavan112(1. 頗爾過濾器(北京 有限公司, 北京 100176; 2. Sc i entifi c and L aboratory Serv ic

13、es , Pa ll Co rporati on , USA 摘 要:該文針對(duì)當(dāng)前液壓潤滑系統(tǒng)中出現(xiàn)的靜電問題及其可能造成的危害, 從理論上分析了靜電現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和影響因素, 詳細(xì)介紹了采用防靜電濾材消除靜電問題的研究成果及用于解決實(shí)際靜電問題的成功案例。關(guān)鍵詞:靜電; 液壓潤滑系統(tǒng); 防靜電濾材中圖分類號(hào):TH 137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1000-4858(2010 02-0072-04引言現(xiàn)代液壓潤滑技術(shù)的飛速發(fā)展使得對(duì)于此類系統(tǒng)維護(hù)的要求不斷增強(qiáng), 這意味著客戶需要對(duì)系統(tǒng)和油液的運(yùn)行狀況更加關(guān)注。近來, 國內(nèi)一些鋼廠、紙廠的液壓潤滑系統(tǒng)現(xiàn)場操作人員抱怨, 在系統(tǒng)監(jiān)控維護(hù)過程中,

14、 聽到系統(tǒng)某元件(通常主要為過濾器 內(nèi)部有類似放電的/噼啪0聲音; 在過濾器使用一定時(shí)間后, 取出濾芯檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)濾芯表面有破損; 或是在油箱內(nèi)回油口看到明顯放電現(xiàn)象。這些情況都是液壓潤滑系統(tǒng)5 結(jié)論及分析通過仿真看出:(1 電磁高速開關(guān)閥閥芯開啟滯后時(shí)間t dn 、閥芯關(guān)閉滯后時(shí)間t d f 的存在是導(dǎo)致閥芯運(yùn)動(dòng)不能隨P WM 脈沖占空比實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)、工作頻率受限制的主要原因;(2 在其他條件不變的情況下, 電磁高速開關(guān)閥工作頻率的增加導(dǎo)致靜態(tài)特性變差。雖然影響電磁高速開關(guān)閥動(dòng)、靜態(tài)特性的因素眾多, 但無疑如何減小閥芯開啟的滯后時(shí)間t dn 、及閥芯關(guān)閉的滯后時(shí)間t d f 是改善電磁高速開關(guān)

15、閥動(dòng)、靜態(tài)特性的重要方面。從控制的角度出發(fā), 可以采取以下策略:要實(shí)現(xiàn)減小開啟的滯后時(shí)間t d n 及閥芯開啟運(yùn)動(dòng)時(shí)間t on -t dn , 應(yīng)該使電流波形上升時(shí)間盡可能短;存在靜電現(xiàn)象的標(biāo)志。目前了解到的靜電現(xiàn)象在液壓潤滑系統(tǒng)中的具體表現(xiàn)形式主要有以下幾種情況:能夠在系統(tǒng)中(過濾器或油箱內(nèi) 出現(xiàn)類似放電的/噼啪0聲; 系統(tǒng)過濾器濾芯壽命急劇下降; 濾芯表面纏帶甚至濾材破損; 某些收稿日期:2009-08-13作者簡介:闞超(1978 , 男, 滿族, 河北秦皇島人, 工程師, 博士, 主要從事污染控制與過濾分離技術(shù)方面的工作。要實(shí)現(xiàn)減小閥芯關(guān)閉的滯后時(shí)間t d f 及閥芯關(guān)閉運(yùn)動(dòng)時(shí)間t off -t df , 應(yīng)該使電流波形下降時(shí)間盡可能短;當(dāng)閥芯完全打開后, 應(yīng)該控制電流不在上升, 降低閥芯關(guān)閉的初始條件, 另外, 應(yīng)該控