比例电磁阀变频率PWM驱动方法

康　健　尚沙沙　焦文学　王　杏　浦定超　钮　震　叶其团　汪春晖

三一重机小型挖掘机研究院，昆山，215334

比例电磁阀变频率PWM驱动方法

康健尚沙沙焦文学王杏浦定超钮震叶其团汪春晖

三一重机小型挖掘机研究院，昆山，215334

在挖掘机等工程机械中使用的嵌入式控制器普遍利用脉冲宽度调制(PWM)来驱动比例电磁阀。但由于PWM脉冲输出的特点和电磁阀自身电感特性的双重制约，使PWM驱动的比例电磁阀性能难以充分发挥，甚至会影响控制系统整体稳定性。因此，一种根据不同占空比改变PWM频率的方法被用于驱动比例电磁阀。控制器根据电磁阀控制需求的不同占空比，输出不同频率的PWM。测试结果证明，使用变频率PWM驱动比例电磁阀的方法可以在保证比例电磁阀二次压力稳定的前提下，维持自身的小幅震荡，同时降低比例电磁阀的功率损耗。

比例电磁阀；脉冲宽度调制；挖掘机；电控泵

0　引言

在工程机械应用中，电磁阀已经成为最重要的电-机械转换器。初期的电磁阀使用通断型电磁铁，仅存在开和关两种状态，响应频率也相对较低。为适应大型机电一体化系统精确控制的要求，可以在两个极限位置之间保持任意开度大小的比例电磁阀被大量应用。比例电磁阀与开关电磁阀的区别主要在磁极和支撑系统[1]。开关电磁阀吸合时气隙变小，依靠不同极性磁极之间的吸力吸合；比例电磁阀工作时气隙与衔铁的运动方向垂直，通过控制磁极的磁饱和程度来控制衔铁位置。

工程机械的嵌入式控制系统通常利用脉冲宽度调制(PWM)的方法来驱动比例电磁阀。PWM包含占空比和频率两种信息：调整占空比可以得到所需电压值；而PWM频率的选择对电磁阀二次压力的稳定性和自身功耗有很大影响。如果频率过低，电磁阀衔铁将会跟随PWM波形大幅振动；如果频率过高，具有电感特性的电磁阀将PWM整流为过于稳定的驱动信号，过大的静摩擦力将会影响比例电磁阀的控制精度和动态性能；PWM频率过大还会导致电磁线圈的铁损过高。理想的比例电磁阀PWM驱动方法需要使阀芯保持一定振幅的同时可以输出稳定的二次压力[2]。

三一重机SY135挖掘机配置的KPM半电控泵K3V和全电控泵K7V分别使用比例电磁阀来控制双泵总功率和调整双泵排量。作为整机控制的关键元件，实现电磁阀的有效控制将在很大程度上影响系统的稳定性[3-5]；同时，比例电磁阀的频响特性和负载能力也会影响挖掘机快速响应的能力。为提升比例电磁阀输出压力的稳定性并降低能耗，一种根据占空比变化改变PWM频率的方法被用于比例电磁阀驱动。根据比例电磁阀控制所需占空比的不同采用不同的PWM频率，使比例电磁阀达到输出压力稳定、防止阀芯卡滞和降低功耗的目的。为了便于测试，本文设计了基于STM32单片机的电磁阀控制器，能够根据不同占空比输出不同频率的PWM。

1　比例电磁阀控制特性分析

KPM-K3V系列电控泵利用比例电磁阀来控制泵的总功率，而K7V系列全电控泵的双泵控制完全依靠比例电磁阀进行排量的调节，比例电磁阀自身的动态特性对电液控制系统的健壮性有很大影响，因此比例电磁阀成为机电液一体化控制中的关键器件。为便于分析，比例电磁阀的电气控制回路可以简化为电阻和电感的串联，而机械控制部分则可以表示为衔铁质量块、气隙阻尼和回位弹簧的二阶振荡系统，并且其电气系统和机械系统互相耦合。

1.1功率损耗

电磁阀在工作中会产生各种形式的功率损耗，主要包括铜损和铁损两方面。其中，铜损(ΔPCu=I2r)是指电流通过电磁铁线圈发热而损失的功率[6]，而铁损(ΔPFe=ΔPh+ΔPe)包括磁滞损耗和涡流损耗[7]。磁滞损耗为铁磁材料在反复磁化过程中消耗的功率。磁滞损耗ΔPh正比于交变磁化的频率f、铁心的体积V和迟滞回线所包围的面积，其大小与铁磁材料的性质σh、磁化频率和磁感应强度的最大值Bm有关。计算磁滞损耗的经验公式为

(1)

其中，指数n与Bm有关。

由于电磁铁的闭合铁芯处于交变磁场中，交变的磁通量使闭合铁芯中产生感应电流(即涡电流)，由涡电流产生的铁损部分称为涡流损耗。对于特定的比例电磁阀，涡流损耗与交变磁化的频率f以及磁感应强度的最大值Bm的二次方成正比，其经验公式为

(2)

式中，σe为与电磁阀铁芯材料和结构有关的常数。

由上可知：驱动比例电磁阀的PWM信号频率过高将会导致过多的功率损失，增加电磁阀的磁滞损耗和涡流损耗。在保证比例电磁阀二次压力稳定的前提下，PWM频率应尽可能地低。

1.2机械系统传递函数

比例电磁阀由衔铁弹簧组成的机械系统的传递函数为

(3)

其中，ωm表示衔铁弹簧组成的二阶振荡系统的谐振频率；δm表示衔铁弹簧系统的阻尼比，该系数与液压油的温度有关，随着温度的升高，液压油黏度变小会使振动阻尼变小；K为电磁阀弹簧刚度。比例电磁铁位置控制普遍采用电流负反馈，同时电磁阀内部衔铁质量的减小和弹簧刚度的不断提高使得比例电磁铁的动态响应速度得到提升。

1.3电气系统动态性能

比例电磁阀电气回路的动态性能可以表示为以下微分方程式：

U(t)=Ri(t)+Ledi(t)/dt+Kvdx(t)/dt

(4)

式中，U(t)为线圈电压；R为线圈电阻；i(t)为线圈实时电流；x(t)为衔铁位移；Kv为速度反电势系数；Le为线圈电感；t为时间。

嵌入式控制器等数字电路普遍采用PWM来驱动比例电磁阀。由于PWM等效为高频开关信号，电磁阀线圈在一个控制周期内的实时电流为[8]

(5)

式中，D为占空比；T为PWM周期。

由上可知，采用PWM驱动比例电磁阀时，线圈中的稳态电流I和电流波动dI取决于线圈的时间常数τ、PWM频率1/T和占空比D。根据瞬态电流可以推导出电流及其波动大小：

(6)

A=e-DT/τB=e-(1-D)T/τ

根据式(6)，在控制系统中I作为驱动电流控制电磁阀二次压力。电流波动dI可以保持衔铁自身的小幅振动，防止出现阀芯卡滞的现象。如果PWM频率过低，会引起比例电磁阀二次压力随PWM脉冲波动。同样，PWM驱动电磁阀采用不同占空比也会对驱动电流的波动情况产生影响。KPM公司K3V半电控泵的比例电磁阀内部电阻R为17.5Ω，线圈电感Le为19.5mH，则该电磁阀线圈的时间常数τ=Le/R=1.1143ms，挖掘机电压为24V。不同占空比条件下线圈电流波动大小dI和电流值I变化如图1所示。

1.dI(80 Hz)　2.dI(100 Hz)　4.dI(180 Hz)4.I(80 Hz)　5.I(100 Hz)　6.I(180 Hz)图1　不同PWM占空比、不同频率时电磁阀线圈电流

1.4比例电磁阀控制策略

比例电磁铁属于励磁式电-机械转换器件，嵌入式控制器产生的控制电流在比例电磁铁线圈中产生磁通，推动衔铁位移，阀芯受到的电磁力具有与电流波动相同的频率。综合考虑比例电磁阀的机电液系统，其机械部分传递函数为低通二阶滤波，而电气系统传递函数为低通一阶滤波。

KPM-K3V电控泵配置的比例电磁阀的振荡频率为80 Hz。由二阶低通滤波器的Bode图可知，对于频率大于80 Hz的电流波动，电磁阀的机械系统将进行抑制。并且电流的频率越高，机械二阶振荡系统的抑制作用越强。电磁阀的电气系统相当于一阶的低通滤波，由其时间常数可知，电气系统的截止频率为897 Hz，相对于机械系统，电气系统对PWM脉冲波动信号的抑制作用较小。因此，可以利用机械系统的滤波特性对PWM信号进行过滤得到所需的稳定的驱动电流，但同时需保留阀芯自身颤振所需的小幅电流波动。

电磁阀阀芯的振动幅度不仅与PWM频率有关，而且根据图1还可以发现，在某一固定的PWM频率下电磁阀输出的二次压力在占空比为50%时波动最为剧烈，而在占空比为10%和90%的情况下二次压力输出波动较小。因此，本文提出了一种根据不同占空比改变PWM信号频率的控制方法：为了降低电磁阀的功率损失在占空比为10%和90%附近时PWM输出，采用较低的PWM频率，而当占空比在50%附近时PWM输出采用较高的频率。

2　比例电磁阀驱动器设计

为对驱动比例电磁阀的PWM频率大小进行优化，设计了基于STM32F103C8T6微处理器的比例电磁阀控制系统[9-11]。STM32为意法半导体集团推出的基于ARM构架的32位低功耗微处理器；具有20K的片内SRAM和64K的FLASH程序存储器；主频达到了72 MHz，满足比例电磁阀PID控制的计算要求；4个通用定时器TIMx可以复用到GPIO口分别输出4个通道的PWM驱动信号；支持16通道的12位ADC。

为了使STM32芯片端口3.3 V的输出电压驱动比例电磁阀，采用L298N芯片实现功率放大，控制挖掘机的24 V电源驱动比例电磁阀；使用1 Ω精密电阻作为电流采样元件实现电流反馈；采样电阻与比例电磁阀线圈串联，采样电阻两端电压利用NE5532双通道运算放大器得到电压差并输入微处理器中复用为ADC功能的GPIO口；STM32芯片与挖掘机原控制器之间通过TJA1050总线驱动芯片进行CAN通信。利用以上各芯片设计的比例电磁阀控制器的电气原理如图2所示。

图2　挖掘机双泵比例电磁阀控制器电路图

3　二次压力测试

当挖掘机在不同挡位即发动机在不同转速工作时，液压泵需要根据发动机的外特性转速扭矩曲线进行功率匹配，即用于液压泵的恒功率控制的比例电磁阀需要根据不同的工作挡位输入不同的工作电流。基于以上要求，比例电磁阀在不同挡位二次压力的测试方法如下：设定电磁阀PWM驱动的频率后，每隔一段时间变换发动机挡位，这时控制器将根据预先设定的功率匹配结果和工作挡位输出不同的电流值。数据采集使用FLUKE 196C示波器配备的电流钳测量电流大小，并且使用Parker Service Master获取比例电磁阀出口处的二次压力大小和温度值。

液压油温度变化而导致的液压油黏度变化会影响电磁阀的响应特性。为忽略这一影响因素，分别在液压油温度为环境温度和完全热机后进行二次压力测试。在电流恒定条件下，液压油温度为13.5 ℃时采用不同PWM频率驱动比例电磁阀的二次压力测试结果如图3所示。完全热机后当液压油温度达到36 ℃时，二次压力波动相对较大，如图4所示。

图3　13.5 ℃时不同PWM频率比例电磁阀输出压力波动

图4　36 ℃时不同PWM频率比例电磁阀输出压力波动

针对本测试采用寄生颤振PWM的比例电磁阀驱动器，当温度较低时电磁阀的二次压力波动范围相对较小，并且PWM频率提高时，电磁阀输出的二次压力波动相应减小。同时驱动电流的不同也会导致二次压力波动范围变化。根据测试结果，采用不同频率PWM且电流为327 mA时，电磁阀输出压力波动较大；而当电流逐渐远离327 mA时，压力波动范围随之逐渐减小；当电流为0或513 mA时，由于接近比例电磁阀能够输出的最大二次压力和最小二次压力，压力波动始终保持在较低水平。

根据上述分析，当二次压力波动满足要求时应该采用更低的PWM驱动频率。根据控制系统稳定性要求，选择波动范围相近且频率相对较低的PWM频率为该输出电流的最优频率。因此，可以得到不同温度条件下的比例电磁阀变频率PWM驱动策略，如表1所示。可知当电流值为最大值和最小值时，要达到二次压力稳定的PWM频率较低；而当电流处于中位时，需要采用较高的频率，与理论分析的结果一致。如果采用其他驱动电流时，通过线性插值可以得到该电流值条件下的优化PWM频率。

表1　比例电磁阀PWM优化频率

当挖掘机散热条件不好或环境温度较高时，液压油温度存在大幅度变化甚至可以达到70～80 ℃。根据测试结果，设置频率为300 Hz能够在高温且液压油温存在大幅变化时得到稳定的二次压力。并且在挖掘机工作90 min后，泵控制比例电磁阀阀体表面温度为53 ℃，液压泵表面温度为60 ℃，控制器表面温度为26 ℃，均符合正常工作要求。

4　结论

(1)根据PWM占空比即电流的不同，得到寄生颤振PWM驱动比例电磁阀的最优频率。通过对比例电磁阀输出压力的测试结果表明：利用变频率的PWM驱动信号可以保证在PWM频率较低的前提下，使电磁阀输出稳定的二次压力；同时电磁阀的功率损耗较低，且保留了电磁阀阀芯的小幅颤振来防止阀芯卡滞。

(2)随着液压油温度的升高，同样频率PWM驱动的比例电磁阀输出的二次压力逐渐变不稳定。针对采用固定频率的电磁阀驱动系统，高温条件下可采用300 Hz的PWM来驱动比例电磁阀。

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(编辑陈勇)

Proportional Electromagnetic Valve Driven by Frequency-varying PWM

Kang JianShang ShashaJiao WenxueWang XingPu DingchaoNiu ZhenYe QituanWang Chunhui

Small Size Excavator R&D institute of SANY Heavy Machine,Kunshan,Jiangsu,215334

In applications of excavator or other industrial machines, proportional electromagnetic valve was usually driven by PWM signals of embedded control system. However, due to pulse output characteristics of electromagnet,the performance of proportional electromagnetic valve was limited, even impacted stability of the system. A frequency-varying method of PWM driving was proposed. According to different duty ratio of PWM, the embedded control system output PWM with different frequencies. Through this method, the output oil pressure of proportional electromagnetic valve maintains within a determinated range, the valve-core’s zero-average oscillations is reserved and power consumption of proportional electromagnetic valve is relatively low.

proportional electromagnetic valve;pulse width modulation (PWM);excavator;electronic control pump

2014-03-19

TP271< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.08.007

康健，男，1985年生。三一重机小型挖掘机研究院工程师、博士。主要研究方向为工程机械发动机液压泵控制。发表论文2篇。尚沙沙，女，1984年生。三一重机小型挖掘机研究院工程师。焦文学，男，1984年生。三一重机小型挖掘机研究院工程师。王杏，女，1984年生。三一重机小型挖掘机研究院工程师。浦定超，男，1985年生。三一重机小型挖掘机研究院工程师。钮震，男，1985年生。三一重机小型挖掘机研究院工程师。叶其团，男，1982年生。三一重机小型挖掘机研究院工程师。汪春晖，男，1966年生。三一重机小型挖掘机研究院院长、工程师。