高速开关电磁阀比例开关控制仿真研究

高速开关电磁阀比例开关控制仿真研究

随着汽车自动安全技术的发展，在汽车的动态监控过程中，我们需要有效控制汽车动态平衡的压力。传统汽车制动安全技术(如制动防抱死系统(ABS)、电子稳定程序(ESP))多采用电子控制单元控制的二位二通高速开关阀来实现制动压力的增压、保压、减压3种控制。文是典型的传统高速开关阀的脉冲宽度调制PWM控制研究,调制频率集中在10～100Hz范围内。在这一范围内,通过寻找最优的PWM控制频率范围,调整PWM控制的占空比,控制高速开关阀开或关的时间比例,使阀芯的平均开度保持在一个水平,从而控制制动压力。这一过程并不是实际意义上的比例控制。高速开关阀的动态响应时间一般为2ms左右,在10～100Hz范围内的PWM控制,阀芯动作如图1所示。在一个调制周期T内,通电时间Tp>2ms,阀芯已经运动到极限位置,在T-Tp>2ms时间内,又完全恢复到初始位置。通过调节占空比,可以控制高速开关阀在时间T内的平均开度,从而控制制动压力。在10～100Hz这一低频范围内的PWM控制,在ABS/ESP制动控制中的阶梯增压阶段应用较多,通过高速开关阀的完全开和关,实现增压—保压的不断循环,从而减慢制动压力的增长速度,防止车轮迅速抱死。高速开关阀的低频PWM控制是目前ABS/ESP控制策略的基础,许多厂家如美国德尔福、美国天合、韩国万都等采用的都是这一方式。在这种控制方式下,虽然实现了高速开关阀的平均开度一定,但实际上高速开关阀还是间开间闭的,这样会导致:1)制动压力增长速度不是线性增长,控制时需要积累大量的基础数据;2)阀完全开闭时会产生一定的金属撞击噪音,同时不断动作带来的压力波动也会造成一定的噪声;3)压力波动给驾驶员制动时带来踏板感觉不好。因此为了进一步提高系统的控制精度,必须要求高速开关阀的阀芯位置控制在某一开度,实现压力的线性增大,同时又降低增大速度。通过对高频PWM控制的高速开关电磁阀的比例控制功能的研究,本文根据PWM占空比的不同来控制高速开关阀的开度,实现了类似于比例阀的比例开关功能,解决了上述问题。1动力学方程的建立目前应用在ESP上的高速开关阀如图2所示。电磁阀线圈套在隔磁管外面。不通电时,推杆在回位弹簧的作用下处于常开状态;通电后,推杆在电磁力的作用下关闭,切断了制动主缸与轮缸之间的压力传送。电磁场的动态过程可以由电磁线圈的微分方程式来表示:{U=Ri+dψdt−Ud,L=ψi.(1){U=Ri+dψdt-Ud,L=ψi.(1)其中:U为电磁线圈驱动电压,R为线圈回路的电阻,i为线圈电流,ψ为磁链,L为线圈电感,Ud为泄流二极管压降。对式(1)中的第二个方程进行全微分可得:dψdt=d(Li)dt=dL(x,i)dti+Ldidt=∂L∂xvi+(∂L∂ii+L)didt.(2)dψdt=d(Li)dt=dL(x,i)dti+Ldidt=∂L∂xvi+(∂L∂ii+L)didt.(2)由式(1)和(2)可得didt=1L+i∂L∂i(U−Ri−∂L∂xiv).(3)didt=1L+i∂L∂i(U-Ri-∂L∂xiv).(3)同时由阀芯的动力学方程可得其中:v为阀芯移动速度,m为阀芯和动铁的质量,Fm为电磁力(它是阀芯位移x和线圈电流i的函数),K为回位弹簧刚度,Fp为阀芯组件所受液动力,b为速度阻尼系数,x为阀芯位移,G0为弹簧预紧量,Ff为摩擦力。式(3)和(4)即为电磁阀仿真的基本方程。2数值模型的建立在Simulink中,建立如图3所示的仿真模型。模型由式(3)和(4)搭建,其中有一个切换量:加速度的切换。由于方程中没有支持力,因此在仿真模型中必须进行支持力的修正,即在推杆没有正的加速度时,一律设为0,当有正的加速度时才可以进行积分。模型中一些参数是需要设定的:运动质量为m,包括动铁和阀芯质量,经过计算为4.07g;弹簧刚度K为700N/m;预紧量G0为2.2mm;速度阻尼系数b由动量定理计算出为0.034;电阻R经计算约为5Ω;线圈匝数为340匝;阀口开度为90°;摩擦阻力Ff目前没有办法测定,考虑到在运动过程中动铁与隔磁管、阀芯与阀体间压力很小,并且周围被油液包围,因此Ff也很小,估计数值为0.01N。模型中的电磁场和流场的相关参数通过ANSYS有限元分析计算得到的,在Simulink仿真中用于查表,表的生成要先经过密网格拟和,尽量减小误差。∂L∂x∂L∂x和∂L∂i∂L∂i两项也是x和i的函数,在Matlab中通过数值计算生成。3占空比对高速开关阀芯悬浮的影响当PWM的调制频率为4kHz,占空比分别为20%、40%、60%、80%时,电磁力响应曲线、电流响应曲线和阀芯位移曲线如图4—6所示。当占空比在20%的时候,由于电流强度不够,不足0.5A,电磁力尚不足以克服液动力、弹簧力等,因此阀芯位移始终为0,没有动作。当占空比在40%左右时,电流稳定在0.9A,电磁力稳定在8N附近,这时式(4)中的所有力保持一个平衡状态,因此阀芯位移也保持在开度22.04%的位置,这样一来,也就实现了高速开关阀除了开或关以外的第三种状态,即中间比例位置。当占空比在60%时,由于电流强度较大,稳定在1.35A,而电磁力已接近25N,已经大于其他力,因此阀芯的运动状态为直接从开到闭的状态,但由于电磁力不能完全使得阀芯运动到极限位置,因此在阀芯极限位置,由于电磁力的波动,使得阀芯在极限位置附近波动。当占空比在80%时,由于电流强度较大,达到1.75A,电磁力达到了34N,已经远大于其他力,因此阀芯的运动状态为直接从开到闭的状态,不存在中间位置的状态。由此可见,在4kHz的PWM控制频率下,占空比为40%左右时,高速开关阀的阀芯位置可以实现稳定在一定开度下的状态,这就为实现比例开关功能提供了基础。为了进一步分析,将占空比在40%左右进行细微调整,可得不同占空比对应的不同阀芯开度:当PWM控制的占空比分别为36%、40%、44%、48%时,阀芯悬浮位置分别为开度27.45%、22.04%、15.20%、5.89%。由图7可得,当占空比在36%～50%之间时,都可以保证高速开关阀的阀芯在某一位置悬浮,从而为实现高速开关阀的比例开关功能提供了保证。具体而言,对某一确定的占空比,其电流和电磁力都稳定在某一确定值附近,根据式(4),在某一确定的位置的弹簧力、阻尼力、摩擦力基本不变,为保证阀芯位移不变,液动力必须随电磁力的波动而随之变化,从而保证阀芯受力不变。而根据ANSYS的分析表明:只有当阀芯开口在70μm以下时,由于小孔节流作用的影响,才会导致较大的液动力变化。而此时的悬浮位置为开度68.18%,因此只有当阀芯开度在68.18%以上时才有可能导致阀芯悬浮。其次,高速开关阀对制动压力的控制只有在开口为70μm以下时,才会起到节流控制的作用,从而实现制动压力的精细调节。4gm占空比控制的特性不同的结构参数对于不同占空比下的比例开关功能的影响也是本文分析的一个重点。在Simulink模型中分别改变线圈电阻、弹簧刚度、阀芯质量、线圈匝数、阀座开口角度和PWM调制频率,结果如下:1)线圈电阻变为8.6Ω,其他参数不变,能实现比例开关功能的占空比范围为65%～67%,相比之前的36%～50%,控制范围有所减小。这是由于线圈电阻增大时,为达到相同的电磁力必须保证相同的电流强度,因此占空比控制的值必须提高;同时由于电阻的增大,其倒数减小。因此PWM占空比能够控制的平均值提高,但范围减小。2)弹簧刚度变为1720N/m,其他参数不变,能实现比例开关功能的占空比范围为45%～52%,相比之前的36%～50%,控制范围有所减小。这是由于弹簧刚度越大,弹簧力的作用越大,阀芯平衡时的电磁力也要求更大,这样一来导致PWM占空比控制的值必须增大,但同时其范围反而减小。3)阀芯质量变为6g,其他参数不变,能实现比例开关功能的占空比范围为36%～50%,相比之前的36%～50%,控制范围不变。这是由于在阀芯平衡位置,各个力的平衡关系不会根据阀芯质量而改变。因此阀芯质量对PWM占空比控制的比例功能不存在影响。4)线圈匝数变为480匝,其他参数不变,能实现比例开关功能的占空比范围为65%～67%,相比之前的36%～50%,控制范围有所减小。这是由于对线圈匝数而言,匝数的增加意味着电磁力刚度的减小。因此PWM占空比控制的值提高了,但范围明显下降。5)阀座角度变为60°,其他参数不变,能实现比例开关功能的占空比范围为32%～57%,相比之前的36%～50%,控制范围有所增大。这是由于阀座角度主要影响液动力的值,角度越小开口越小,节流作用越明显,液动力刚度也越大。因此PWM占空比控制的范围也扩大,但值的变化不大。6)PWM调制频率变为2kHz,其他参数不变,能实现比例开关功能的占空比范围为36%～50%,相比之前的36%～50%,控制范围不变。这是由于对PWM控制而言,在高频范围内,调制频率的大小对阀芯平衡不存在影响。因此在高频范围内,PWM调制频率的大小对高速开关阀的比例开关不存在影响。5高频dm控制下的高速开关阀/红色阀组成中,插装阀在压力控制的部分中起着不可比随着汽车主动安全技术的不断进步,电液控制技术在汽车主动安全系统上的应用越来越多,高速开关电磁阀作为一种性能优异的电液控制元件,不仅响应时间快,而且成本是伺服阀和比例阀的1/10左右,深入研究它的特性对于提高汽车安全控制系统的性能有很大帮助。尤其是通过对高频PWM控制的高速开关电磁阀的比例开关功能的研究,进一步拓宽了高速开关阀的功能应用范围,为系统的精密控制起到了关键性的作用。这一作用体现在如下2点:1)高频PWM控制下的高速开关阀和