高速開關(guān)電磁閥比例開關(guān)控制仿真研究

隨著汽車自動(dòng)安全技術(shù)的發(fā)展，在汽車的動(dòng)態(tài)監(jiān)控過(guò)程中，我們需要有效控制汽車動(dòng)態(tài)平衡的壓力。傳統(tǒng)汽車制動(dòng)安全技術(shù)(如制動(dòng)防抱死系統(tǒng)(ABS)、電子穩(wěn)定程序(ESP))多采用電子控制單元控制的二位二通高速開關(guān)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)壓力的增壓、保壓、減壓3種控制。文是典型的傳統(tǒng)高速開關(guān)閥的脈沖寬度調(diào)制PWM控制研究,調(diào)制頻率集中在10～100Hz范圍內(nèi)。在這一范圍內(nèi),通過(guò)尋找最優(yōu)的PWM控制頻率范圍,調(diào)整PWM控制的占空比,控制高速開關(guān)閥開或關(guān)的時(shí)間比例,使閥芯的平均開度保持在一個(gè)水平,從而控制制動(dòng)壓力。這一過(guò)程并不是實(shí)際意義上的比例控制。高速開關(guān)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間一般為2ms左右,在10～100Hz范圍內(nèi)的PWM控制,閥芯動(dòng)作如圖1所示。在一個(gè)調(diào)制周期T內(nèi),通電時(shí)間Tp>2ms,閥芯已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到極限位置,在T-Tp>2ms時(shí)間內(nèi),又完全恢復(fù)到初始位置。通過(guò)調(diào)節(jié)占空比,可以控制高速開關(guān)閥在時(shí)間T內(nèi)的平均開度,從而控制制動(dòng)壓力。在10～100Hz這一低頻范圍內(nèi)的PWM控制,在ABS/ESP制動(dòng)控制中的階梯增壓階段應(yīng)用較多,通過(guò)高速開關(guān)閥的完全開和關(guān),實(shí)現(xiàn)增壓—保壓的不斷循環(huán),從而減慢制動(dòng)壓力的增長(zhǎng)速度,防止車輪迅速抱死。高速開關(guān)閥的低頻PWM控制是目前ABS/ESP控制策略的基礎(chǔ),許多廠家如美國(guó)德爾福、美國(guó)天合、韓國(guó)萬(wàn)都等采用的都是這一方式。在這種控制方式下,雖然實(shí)現(xiàn)了高速開關(guān)閥的平均開度一定,但實(shí)際上高速開關(guān)閥還是間開間閉的,這樣會(huì)導(dǎo)致:1)制動(dòng)壓力增長(zhǎng)速度不是線性增長(zhǎng),控制時(shí)需要積累大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);2)閥完全開閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的金屬撞擊噪音,同時(shí)不斷動(dòng)作帶來(lái)的壓力波動(dòng)也會(huì)造成一定的噪聲;3)壓力波動(dòng)給駕駛員制動(dòng)時(shí)帶來(lái)踏板感覺(jué)不好。因此為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制精度,必須要求高速開關(guān)閥的閥芯位置控制在某一開度,實(shí)現(xiàn)壓力的線性增大,同時(shí)又降低增大速度。通過(guò)對(duì)高頻PWM控制的高速開關(guān)電磁閥的比例控制功能的研究,本文根據(jù)PWM占空比的不同來(lái)控制高速開關(guān)閥的開度,實(shí)現(xiàn)了類似于比例閥的比例開關(guān)功能,解決了上述問(wèn)題。1動(dòng)力學(xué)方程的建立目前應(yīng)用在ESP上的高速開關(guān)閥如圖2所示。電磁閥線圈套在隔磁管外面。不通電時(shí),推桿在回位彈簧的作用下處于常開狀態(tài);通電后,推桿在電磁力的作用下關(guān)閉,切斷了制動(dòng)主缸與輪缸之間的壓力傳送。電磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程可以由電磁線圈的微分方程式來(lái)表示:{U=Ri+dψdt?Ud,L=ψi.(1){U=Ri+dψdt-Ud,L=ψi.(1)其中:U為電磁線圈驅(qū)動(dòng)電壓,R為線圈回路的電阻,i為線圈電流,ψ為磁鏈,L為線圈電感,Ud為泄流二極管壓降。對(duì)式(1)中的第二個(gè)方程進(jìn)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)同時(shí)由閥芯的動(dòng)力學(xué)方程可得其中:v為閥芯移動(dòng)速度,m為閥芯和動(dòng)鐵的質(zhì)量,Fm為電磁力(它是閥芯位移x和線圈電流i的函數(shù)),K為回位彈簧剛度,Fp為閥芯組件所受液動(dòng)力,b為速度阻尼系數(shù),x為閥芯位移,G0為彈簧預(yù)緊量,Ff為摩擦力。式(3)和(4)即為電磁閥仿真的基本方程。2數(shù)值模型的建立在Simulink中,建立如圖3所示的仿真模型。模型由式(3)和(4)搭建,其中有一個(gè)切換量:加速度的切換。由于方程中沒(méi)有支持力,因此在仿真模型中必須進(jìn)行支持力的修正,即在推桿沒(méi)有正的加速度時(shí),一律設(shè)為0,當(dāng)有正的加速度時(shí)才可以進(jìn)行積分。模型中一些參數(shù)是需要設(shè)定的:運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為m,包括動(dòng)鐵和閥芯質(zhì)量,經(jīng)過(guò)計(jì)算為4.07g;彈簧剛度K為700N/m;預(yù)緊量G0為2.2mm;速度阻尼系數(shù)b由動(dòng)量定理計(jì)算出為0.034;電阻R經(jīng)計(jì)算約為5Ω;線圈匝數(shù)為340匝;閥口開度為90°;摩擦阻力Ff目前沒(méi)有辦法測(cè)定,考慮到在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)鐵與隔磁管、閥芯與閥體間壓力很小,并且周圍被油液包圍,因此Ff也很小,估計(jì)數(shù)值為0.01N。模型中的電磁場(chǎng)和流場(chǎng)的相關(guān)參數(shù)通過(guò)ANSYS有限元分析計(jì)算得到的,在Simulink仿真中用于查表,表的生成要先經(jīng)過(guò)密網(wǎng)格擬和,盡量減小誤差。?L?x?L?x和?L?i?L?i兩項(xiàng)也是x和i的函數(shù),在Matlab中通過(guò)數(shù)值計(jì)算生成。3占空比對(duì)高速開關(guān)閥芯懸浮的影響當(dāng)PWM的調(diào)制頻率為4kHz,占空比分別為20%、40%、60%、80%時(shí),電磁力響應(yīng)曲線、電流響應(yīng)曲線和閥芯位移曲線如圖4—6所示。當(dāng)占空比在20%的時(shí)候,由于電流強(qiáng)度不夠,不足0.5A,電磁力尚不足以克服液動(dòng)力、彈簧力等,因此閥芯位移始終為0,沒(méi)有動(dòng)作。當(dāng)占空比在40%左右時(shí),電流穩(wěn)定在0.9A,電磁力穩(wěn)定在8N附近,這時(shí)式(4)中的所有力保持一個(gè)平衡狀態(tài),因此閥芯位移也保持在開度22.04%的位置,這樣一來(lái),也就實(shí)現(xiàn)了高速開關(guān)閥除了開或關(guān)以外的第三種狀態(tài),即中間比例位置。當(dāng)占空比在60%時(shí),由于電流強(qiáng)度較大,穩(wěn)定在1.35A,而電磁力已接近25N,已經(jīng)大于其他力,因此閥芯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為直接從開到閉的狀態(tài),但由于電磁力不能完全使得閥芯運(yùn)動(dòng)到極限位置,因此在閥芯極限位置,由于電磁力的波動(dòng),使得閥芯在極限位置附近波動(dòng)。當(dāng)占空比在80%時(shí),由于電流強(qiáng)度較大,達(dá)到1.75A,電磁力達(dá)到了34N,已經(jīng)遠(yuǎn)大于其他力,因此閥芯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為直接從開到閉的狀態(tài),不存在中間位置的狀態(tài)。由此可見(jiàn),在4kHz的PWM控制頻率下,占空比為40%左右時(shí),高速開關(guān)閥的閥芯位置可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定在一定開度下的狀態(tài),這就為實(shí)現(xiàn)比例開關(guān)功能提供了基礎(chǔ)。為了進(jìn)一步分析,將占空比在40%左右進(jìn)行細(xì)微調(diào)整,可得不同占空比對(duì)應(yīng)的不同閥芯開度:當(dāng)PWM控制的占空比分別為36%、40%、44%、48%時(shí),閥芯懸浮位置分別為開度27.45%、22.04%、15.20%、5.89%。由圖7可得,當(dāng)占空比在36%～50%之間時(shí),都可以保證高速開關(guān)閥的閥芯在某一位置懸浮,從而為實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)閥的比例開關(guān)功能提供了保證。具體而言,對(duì)某一確定的占空比,其電流和電磁力都穩(wěn)定在某一確定值附近,根據(jù)式(4),在某一確定的位置的彈簧力、阻尼力、摩擦力基本不變,為保證閥芯位移不變,液動(dòng)力必須隨電磁力的波動(dòng)而隨之變化,從而保證閥芯受力不變。而根據(jù)ANSYS的分析表明:只有當(dāng)閥芯開口在70μm以下時(shí),由于小孔節(jié)流作用的影響,才會(huì)導(dǎo)致較大的液動(dòng)力變化。而此時(shí)的懸浮位置為開度68.18%,因此只有當(dāng)閥芯開度在68.18%以上時(shí)才有可能導(dǎo)致閥芯懸浮。其次,高速開關(guān)閥對(duì)制動(dòng)壓力的控制只有在開口為70μm以下時(shí),才會(huì)起到節(jié)流控制的作用,從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)壓力的精細(xì)調(diào)節(jié)。4gm占空比控制的特性不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于不同占空比下的比例開關(guān)功能的影響也是本文分析的一個(gè)重點(diǎn)。在Simulink模型中分別改變線圈電阻、彈簧剛度、閥芯質(zhì)量、線圈匝數(shù)、閥座開口角度和PWM調(diào)制頻率,結(jié)果如下:1)線圈電阻變?yōu)?.6Ω,其他參數(shù)不變,能實(shí)現(xiàn)比例開關(guān)功能的占空比范圍為65%～67%,相比之前的36%～50%,控制范圍有所減小。這是由于線圈電阻增大時(shí),為達(dá)到相同的電磁力必須保證相同的電流強(qiáng)度,因此占空比控制的值必須提高;同時(shí)由于電阻的增大,其倒數(shù)減小。因此PWM占空比能夠控制的平均值提高,但范圍減小。2)彈簧剛度變?yōu)?720N/m,其他參數(shù)不變,能實(shí)現(xiàn)比例開關(guān)功能的占空比范圍為45%～52%,相比之前的36%～50%,控制范圍有所減小。這是由于彈簧剛度越大,彈簧力的作用越大,閥芯平衡時(shí)的電磁力也要求更大,這樣一來(lái)導(dǎo)致PWM占空比控制的值必須增大,但同時(shí)其范圍反而減小。3)閥芯質(zhì)量變?yōu)?g,其他參數(shù)不變,能實(shí)現(xiàn)比例開關(guān)功能的占空比范圍為36%～50%,相比之前的36%～50%,控制范圍不變。這是由于在閥芯平衡位置,各個(gè)力的平衡關(guān)系不會(huì)根據(jù)閥芯質(zhì)量而改變。因此閥芯質(zhì)量對(duì)PWM占空比控制的比例功能不存在影響。4)線圈匝數(shù)變?yōu)?80匝,其他參數(shù)不變,能實(shí)現(xiàn)比例開關(guān)功能的占空比范圍為65%～67%,相比之前的36%～50%,控制范圍有所減小。這是由于對(duì)線圈匝數(shù)而言,匝數(shù)的增加意味著電磁力剛度的減小。因此PWM占空比控制的值提高了,但范圍明顯下降。5)閥座角度變?yōu)?0°,其他參數(shù)不變,能實(shí)現(xiàn)比例開關(guān)功能的占空比范圍為32%～57%,相比之前的36%～50%,控制范圍有所增大。這是由于閥座角度主要影響液動(dòng)力的值,角度越小開口越小,節(jié)流作用越明顯,液動(dòng)力剛度也越大。因此PWM占空比控制的范圍也擴(kuò)大,但值的變化不大。6)PWM調(diào)制頻率變?yōu)?kHz,其他參數(shù)不變,能實(shí)現(xiàn)比例開關(guān)功能的占空比范圍為36%～50%,相比之前的36%～50%,控制范圍不變。這是由于對(duì)PWM控制而言,在高頻范圍內(nèi),調(diào)制頻率的大小對(duì)閥芯平衡不存在影響。因此在高頻范圍內(nèi),PWM調(diào)制頻率的大小對(duì)高速開關(guān)閥的比例開關(guān)不存在影響。5高頻dm控制下的高速開關(guān)閥/紅色閥組成中,插裝閥在壓力控制的部分中起著不可比隨著汽車主動(dòng)安全技術(shù)的不斷進(jìn)步,電液控制技術(shù)在汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)上的應(yīng)用越來(lái)越多,高速開關(guān)電磁閥作為一種性能優(yōu)異的電液控制元件,不僅響應(yīng)時(shí)間快,而且成本是伺服閥和比例閥的1/10左右,深入研究它的特性對(duì)于提高汽車安全控制系統(tǒng)的性能有很大幫助。尤其是通過(guò)對(duì)高頻PWM控制的高速開關(guān)電磁閥的比例開關(guān)功能的研究,進(jìn)一步拓寬了高速開關(guān)閥的功能應(yīng)用范圍,為系統(tǒng)的精密控制起到了關(guān)鍵性的作用。這一作用體現(xiàn)在如下2點(diǎn):1)高頻PWM控制下的高速開關(guān)閥和