基于脉宽调制的电磁离合器结合强度控制研究

杜迎慧　张凯娟

摘 要 发动机和传动系是刚性连接的，所以电磁离合器的结合强度控制尤为重要。本文分析了电磁离合器转矩传递特性及压紧力的控制特性，并结合脉宽调制技术，设计出电磁离合器结合强度控制系统。

关键词 电磁离合器 PWM 结合强度

随着机电产品的飞速发展，电磁离合器在工业产品中得到了广泛的应用，常用于各种机械的起动、停止、变速和定位装置中。应用中，若电磁离合器结合强度过强，结合时间短暂，则引起主从动部分的冲击；过弱，结合时间过长，则实现不了目标转矩的有效传递。随着计算机技术和微电子技术的发展，许多单片机内部集成了PWM模块，简化了外围电路的设计，占空比可在0～100%范围内连续可调，可以满足电磁离合器接合速度和精度方面的要求。

一、电磁离合器转矩传递特性

1、转矩特性

电磁离合器传递转矩表达式为：T=%eRmF（m-1）

%e—摩擦系数；

Rm—摩擦面有效半径；

F—离合器的压紧力也就是电磁吸力；m—摩擦片数。

在离合器的结构尺寸决定之后，力就只与摩擦面上的正压力有关。这个正压力就是线圈通电励磁后对衔铁的电磁吸力。

2、离合器的压紧力F控制特性

离合器的压紧力（电磁吸力）：

—内外磁极的平均截面积；—有效磁感应强度；；I—线圈电流；W—线圈匝数； %l—漏磁数，可按外径和摩擦片数查得；—衔吸合后摩擦片间存在的间隙

于是离合器的压紧力（电磁吸力）：

将上式代入电磁离合器传递转矩公式，得出：

在离合器的结构尺寸及摩擦片材料决定后，上式可简化为：

，为常数，

式中励磁电流I为可控参数，离合器可传递的转矩T与I2成正比，故可以通过控制励磁电流I的变化来控制离合器传递的转矩T。

二、 PWM基本原理

从本质上而言，PWM实现的是开关控制。通过控制直流电源的开关频率，改变负载两端的实际电压值，实现特定的电压调整。如图1所示，设脉冲信号的周期为T，一个周期内高、低电平的持续时间分别为t1和t2，则占空比D=t1/T。在PWM控制系统中，通过占空比D的调整来改变负载两端的平均电压大小，进而实现转速、压力、温度等参数的控制。

三、电磁离合器的控制电路设计

设计Buck PWM降压变换器作为电磁离合器的结合强度驱动电路，其原理结构图如图2所示。

将电磁离合器的励磁线圈等效为R0-L0串联，该电路主要由功率开关器件IGBT，储能电感L，滤波电容C，续流二极管DIODE以及励磁线圈等效部分R0-L0组成。开关管IGBT综合了GTR（电力晶体管）和MOSFET（电力场效应管）的优点，因而具有低导通压降和高输入阻抗的综合优点。由于电磁离合器电磁线圈的电源为DC24V，所以可以将电磁线圈上并一只耐压值在24V以上100%eF左右的电容器即可解决剩磁问题。同时，为了提高导磁性能和减少剩磁影响，磁轭和衔铁可用电工纯铁或08号或10号低碳钢制成。

开关管IGBT的导通与关断由PWM控制器控制。当PWM信号为高电平时，开关管IGBT导通，二极管关断，输入端直流电源U将功率传送到负载，并使电感储能（电感电流上升）；当PWM信号为低电平时，开关管IGBT关断，二极管导通续流，电感上储存的能量向负载释放（电感电流下降）。PWM信号的周期为T，一个周期内高、低电平的持续时间分别为t1和t2，则占空比D=t1/T，则U0=U·t1/T。在PWM控制系统中，通过占空比D的调整来改变负载两端的平均电压U0大小，实现对电流的控制。本电路在进行控制时，通过脉冲宽度调制改变输入到电磁离合器线圈的电信号“占空比”来实现控制电流的大小。占空比越大，通过电磁离合器线圈的励磁电流越大，衔铁所受到的电磁吸引力就越大，电磁离合器传递转矩就越大。

四、结束语

在分析电磁离合器的传递转矩特性的同时，结合脉宽调制技术（PWM），提出采用PWM模块控制电磁离合器的励磁电流变化，从而控制电磁离合器的结合强度。PWM驱动电路线路简单、快速性好、线性度好、效率高，克服了传统电磁离合器控制电路复杂、高消耗的缺点。

参考文献：

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（作者单位：新乡职业技术学院）