基于AMESIM 的数字式比例节流插装阀的动态特性

孙灿兴，张晓松

（上海海岳液压机电工程有限公司，上海200032）

0 引言

位移-电反馈型的比例节流插装阀已取得比较广泛的应用，它的先导阀由模拟量信号进行控制。但是，在实际应用过程中，模拟量控制信号总是受到干扰，信号被多次复制或进行长距离传输之后，这些干扰的影响可能会变得十分显著。而与模拟信号相比，数字信号在传输过程中具有更高的抗干扰能力、更远的传输距离，且失真幅度小。

当前，比例节流插装阀的先导阀一般采用二位三通阀，比例型节流插件的上部控制腔的压力取决于二位三通比例节流阀的中间控制油口，通过模拟量控制信号，使得阀芯保持在一定的开口位置，从而决定了中间控制油口的压力。但是，模拟量控制信号容易受到周围环境的干扰。

本研究针对上述情况，采用二位二通球阀式高速开关阀作为先导阀来实现数字式控制，二位二通球阀式高速开关阀由PWM信号进行控制，建立相关数学模型，基于AMESIM构建数字式比例节流插装阀的动态响应仿真模型。通过PWM脉宽调制信号的占空比和频率对于二位二通高速开关电磁阀的影响，提出提高比例节流插装阀控制性能的措施。

1.数字式比例节流插装阀结构组成及原理

1.1 工作原理

数字式比例节流插装阀原理见图1，等效符号图见图2。在高速开关电磁铁不通电时，节流插件的控制油口a与回油T相通；在电子控制单元在某一频率范围内给高速开关电磁铁提供PWM信号时，通过调整PWM控制的占空比和频率，控制高速开关电磁阀的开或关的时间比例，使钢球平均开度量保持在一个水平，从而控制a口的压力，最终实现阀芯的开口度控制，实现比例节流功能。

图1 数字式比例节流插装阀的原理图

图2 数字式比例节流插装阀的等效符号图

1.2 结构

1.2.1数字式比例节流插装阀的结构

本文所述的紧凑型数字式比例节流插装阀主要包括：比例型节流插件、盖板体、高速开关电磁阀、直线位移传感器、梭阀、阻尼螺塞及电子控制单元。其结构见图3。

图3 数字式比例节流插装阀的结构图

1.2.2高速开关电磁阀的结构

由PWM信号控制的高速开关电磁阀按阀芯的结构，可以分为4大类，即喷嘴挡板式、圆柱滑阀式、锥阀式、球阀式等，而本文所述的球阀式高速开关电磁阀（图4）因其结构简单、密封可靠、动作灵敏、动态响应好等优点而被广泛应用于各个领域。

图4 二位二通球阀式高速开关电磁阀的结构图

2.数字式比例节流插装阀的数学模型

2.1 插装阀阀芯的运动方程

根据牛顿第二定律，得出插装阀阀芯的力平衡方程见式（1）：

式中：p1为工作口1的压力，MPa；p2为工作口2的压力，MPa；pa为控制口a的压力，MPa；x为阀芯的位移（开口度），mm；x0为阀芯闭合时弹簧预压缩量，mm；A1为阀芯进口面积，mm2；Aa为阀芯控制腔面积，mm2；m1为阀芯有效质量，kg；B1为节流阀芯运动黏性摩擦系数；k1为主弹簧刚度，N/mm；ks1为稳态液动力系数。

2.2 高速开关电磁阀的运动方程

高速开关电磁阀的阀芯力平衡方程如式（2）：

式中：B2为高速开关电磁阀阀芯运动黏性摩擦系数；m2为运动部件的质量，包括衔铁、顶杆等，kg；Fδ为电磁力，N；Fp为液动力，N；Fs为摩擦力，N。

2.3 高速开关电磁阀的电磁模型

忽略温度对线圈电阻的影响，电压平衡方程见式（3）：

式中：U为驱动电压，V；R为线圈电阻，Ω；φ为线圈磁链，Wb；φ为线圈磁通，Wb；i为线圈中的电流；N为线圈匝数。

根据电磁学理论，磁链φ、磁通φ、线圈电流i和电感L的关系式为

综合式（3）和式（4）可得电路的数学模型见式（5）：

式中：L为电磁线圈的等效电感，H；R为电磁铁的工作间隙，mm。

3 基于AMESIM 的数字式比例节流插装阀的动态模型

根据数字式比例节流插装阀的结构及上述数学模型，建立动态仿真模型，如图5所示。

图5 数字式比例节流插装阀的AMESim 动态仿真模型

4 数字式比例节流插装阀的动态响应特性

4.1 模型关键参数

在数字式比例节流插装阀的仿真模型中，关键参数如表1所示。

表1 数字式比例节流插装阀仿真模型关键参数

4.2 PWM 信号的占空比的影响

设定PWM的调制频率为100 Hz，占空比分别为20%、40%、60%、80%时，主阀阀芯位移和主阀流量曲线分别如图6和图7所示。

图6 主阀阀芯位移时间响应曲线（不同占空比）

图7 主阀流量时间响应曲线（不同占空比）

当占空比为20%时，高速开关阀的电磁力不足以推动钢球，因此主阀芯位移始终为0，没有动作；当占空比分别为40%和60%时，高速开关阀的电磁力使得阀芯保持在一定开度的位置，实现比例功能；当占空比分别为80%时，足够大的电磁力使得阀芯达到极限位置，不再处于中间位置，输出流量处于饱和状态。

4.3 PWM 信号的频率的影响

高速开关阀的占空比为55%，频率分别为50 Hz、75 Hz、100 Hz、150 Hz时，主阀阀芯位移和主阀流量曲线分别如图8和图9所示。

图8 主阀阀芯位移时间响应曲线（不同频率）

图9 主阀流量时间响应曲线（不同频率）

由图8和图9可以看出，当高速开关阀的频率越高时，主阀芯位移及流量越小，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调制频率的大小对数字式比例节流插装阀的比例特性不存在影响。

5 结论

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，高频PWM（约100 Hz）控制下的高速开关阀已经具有比例阀的功能，在一定程度上已经是比例阀。除此之外，高速开关电磁铁的线圈电阻和匝数、弹簧的刚度、钢球的质量以及PWM的调制频率均会对高速开关电磁阀的比例开关功能有着直接的影响。

本文中的数字式比例节流插装阀具有以下优势：

1）高频PWM控制下的二位二通高速开关电磁阀已经具有比例阀的功能，在一定程度上已经是比例阀，用它来替代传统的二位三通比例节流阀用作先导阀，可以实现比例功能的数字量信号控制。

2）由于数字量控制信号的抵抗环境干扰的能力比模拟信号强，因此数字式比例节流插装阀具有更高的可靠性。

3）电子控制单元的部分功能集成在插头式数字闭环放大器中，直接与高速开关电磁阀的电插头进行连接，使得本文中的数字式比例节流插装阀更加紧凑。