螺紋插裝閥的電磁力和磁力學(xué)原理

螺紋插裝閥的電磁力和磁力學(xué)原理

插入螺釘?shù)碾姳壤y包括電比回流閥、電比減壓閥、電比流量閥、電比節(jié)流閥和電比回流閥。本文介紹有關(guān)這些電比例閥的一些基礎(chǔ)知識(shí),具體實(shí)例可見參考文獻(xiàn)1組成和功能1.1突出的齒輪插裝閥電比例閥主要由電磁線圈、銜鐵套筒組件、閥體、閥芯、彈簧組成。電磁線圈一般都可以更換,用螺母固定。電磁線圈與電源接頭同電磁換向閥,這里就不再重復(fù)了。作為用戶,平時(shí)看到的螺紋插裝閥的銜鐵套筒組件,與閥體、閥芯、彈簧是一體的。但是,為了便于理解它們的功能,可以把銜鐵套筒組件獨(dú)立出來看。事實(shí)上,它們也常由專門廠商單獨(dú)生產(chǎn)。1.2電比例插裝閥的液動(dòng)力特性電比例閥的閥芯是被電磁力推動(dòng)的。在螺紋插裝閥中,電磁力是通過兩個(gè)部件產(chǎn)生的:電磁線圈和銜鐵套筒組件。電磁線圈在通入電流時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)。銜鐵套筒組件在磁場(chǎng)中產(chǎn)生推力(或拉力),通過推桿(拉桿)作用于閥芯。用在電比例溢流閥、電比例減壓閥中時(shí),電磁力直接和主閥或先導(dǎo)閥的進(jìn)口或出口的液壓力平衡,從而限壓。用在電比例節(jié)流閥和電比例換向節(jié)流閥中時(shí),用于控制通道開口。需要的輸出量是閥芯的位移。所以,還需要依賴彈簧,來把電磁力轉(zhuǎn)化為位移。閥芯停在彈簧力和電磁力平衡的位置(參見圖1)。在示意圖中,液動(dòng)力的影響未表達(dá)。用在電比例流量閥中時(shí),則兩種方式都可以。2鐵輪胎套筒的組成2.1比例型中的銅磁劑銜鐵套筒組件主要由套筒、銜鐵、和推桿等組成參見圖2。螺紋插裝閥中使用的銜鐵套筒組件都是所謂濕式的:推桿周圍沒有密封圈。因此,摩擦力較小。但是,由于壓力介質(zhì)可以進(jìn)入套筒內(nèi),套筒組件必須是耐壓的。其中,極靴、套筒、銜鐵都是用鐵磁性材料制造的,隔磁環(huán)是用抗磁性材料(如銅)制造的,可以強(qiáng)迫磁力線通過氣隙,產(chǎn)生磁吸引力。比例型銜鐵套筒組件與開關(guān)型的最大差別在于隔磁環(huán)形狀的不同。另外,比例型所要求的加工精度也更高,有些還有特殊鍍層,以減少套筒和銜鐵之間的摩擦力,從而減少由于摩擦力引起的機(jī)械性滯回。2.2特征性1電壓特性因?yàn)榇艌?chǎng)強(qiáng)度是正比于通過線圈的電流強(qiáng)度,所以,理論上來說,銜鐵套筒組件產(chǎn)生的力與電流成正比(參見圖3)。2最大磁力的確定由于其隔磁環(huán),也稱盆型極靴,是楔形的,大部分磁力線在這里是徑向地穿過套筒與銜鐵,形成閉合回路(參見圖4)。這部分的磁阻在銜鐵移動(dòng)時(shí),變化較小。因此,磁力隨工作氣隙(工作行程)的變化(參見圖5b),與開關(guān)型(參見圖5a)的不同,有一段平臺(tái)區(qū),約1~3mm不等。最大磁力一般約為70~120N。改變隔磁環(huán)的形狀,可以得到不同的行程力曲線(如圖6所示)。3行程力特性曲線不重合鐵磁材料在被磁化和去磁時(shí)有磁滯現(xiàn)象。因此,在加電和失電時(shí),在同樣的磁場(chǎng)強(qiáng)度下,銜鐵中的磁感應(yīng)強(qiáng)度是不同的(見圖7)。這個(gè)現(xiàn)象對(duì)電磁開關(guān)閥沒有嚴(yán)重問題。因?yàn)?開關(guān)型的,只是停留在兩個(gè)極限位置。對(duì)比例閥的特性就有相當(dāng)影響,因?yàn)楸壤偷男枰Ａ粼谌我庵虚g位置。這個(gè)磁滯現(xiàn)象,加上銜鐵在套筒內(nèi)移動(dòng)的摩擦力,就使得行程力特性曲線在閉合和開啟時(shí)不重合,電流力特性曲線在電流增大和減少時(shí)不重合(參見圖8)。圖9為一實(shí)測(cè)的行程力特性曲線。從中可以看出,比例閥的滯回小得多。4頻率的影響如果,在通過線圈的電流上加一適當(dāng)?shù)念澱裥盘?hào),頻率大約在70~350Hz之間,使銜鐵和閥芯在工作位置來回振動(dòng),可以減小磁滯和摩擦力,從而減少滯回(參見圖10)。5彈簧壓力閥的特點(diǎn)電比例閥通常都有一死區(qū)(cracking,deadband):當(dāng)輸入電磁線圈的電流小于一定值(Ia)銜鐵的磁滯;b)閥芯與閥套間的機(jī)械摩擦力;c)滑閥型的電比例閥,中位常有一些正覆蓋,以減少內(nèi)泄漏,也可以降低對(duì)彈簧自動(dòng)復(fù)位位置精度的要求,但同時(shí)也增加了死區(qū)。電比例壓力閥一般都是錐閥型的,沒有上述因素c的影響,死區(qū)就小些。螺紋插裝式的電比例閥的死區(qū)I3控制比例閥比例閥的閥芯,不像開關(guān)閥閥芯那樣只停留在幾個(gè)極端位置,而是必須停留在一些中間位置,或至少順從我們的意愿,緩慢地移動(dòng)。所以,控制比例閥就不像控制開關(guān)閥那么簡(jiǎn)單,需要一個(gè)控制器來適應(yīng)比例閥的特點(diǎn),彌補(bǔ)比例閥的缺陷。作為電比例閥的控制器放大器,一般要含有以下功能。3.1脈寬調(diào)制要控制銜鐵套筒組件輸出的力,需要控制輸入線圈的電流。理論上,這可以通過改變加在線圈上的直流電壓來達(dá)到。例如,使用一個(gè)電位器或晶體管,把電源電壓降低到所需的輸入電壓。但在電位器或晶體管里降低的這部分電壓就轉(zhuǎn)化成熱量。在電流很大時(shí),發(fā)熱很嚴(yán)重,效率很低。而且由于不能降低滯回,控制精度較差。因此,基本上不使用。使用脈寬調(diào)制(PWM-PulseWidthModulation)的方法可以解決這兩個(gè)問題。因此,現(xiàn)在無一不使用脈寬調(diào)制來控制電比例閥。脈寬調(diào)制:使用一個(gè)開關(guān)晶體管來給電磁線圈加一個(gè)電壓幅度恒定、加載時(shí)間可變的矩形波(見圖11)。這樣,晶體管本身在全開和全關(guān)時(shí)基本都不消耗功率,效率大大提高。普通脈寬調(diào)制的頻率在100~400Hz之間。逐漸增加脈寬,就可以使實(shí)際通過線圈的電流逐漸增加(參見圖12)。脈寬一般不需要用到100%。例如,一個(gè)用于24V的線圈,20℃時(shí)的直流電阻為20Ω。因此,100%時(shí)的電流可達(dá)1200mA。而設(shè)計(jì)的最大控制電流為750mA,也即在24V脈寬調(diào)制輸入時(shí),63%就夠了?？紤]到線圈的溫升導(dǎo)致線圈的電阻上升25%的話,脈寬也低于80%。順便提一下,脈寬調(diào)制,雖說是不連續(xù)信號(hào),但不應(yīng)歸入現(xiàn)在很時(shí)髦的所謂“數(shù)字閥”一類中去。脈寬調(diào)制是早在上世紀(jì)70年代就伴同電比例閥被應(yīng)用了。脈寬本身是一個(gè)模擬量,在信號(hào)產(chǎn)生和傳輸過程中收到的干擾信號(hào),也會(huì)同樣會(huì)被作為信號(hào)接受,轉(zhuǎn)化為電流。真正的數(shù)字信號(hào),只有邏輯意義上的0和1,低于0.3的都作為0處理,高于0.7的都被認(rèn)作1。這樣,幅度不超過±0.3的干擾就都被排除了。因此它有極大的抗干擾能力,從而獲得了極有價(jià)值的高可靠性。能達(dá)到這樣性能的液壓閥才配稱“數(shù)字閥”。不能把可以和計(jì)算機(jī)相連的閥,都稱為數(shù)字閥;也不能把“可以和計(jì)算機(jī)之間相連”作為數(shù)字閥的一個(gè)優(yōu)越處。因?yàn)?現(xiàn)在,計(jì)算機(jī)(工控機(jī))和任何電控閥都能相連,也都需要功率放大器。對(duì)今天的電子技術(shù)來說,數(shù)模轉(zhuǎn)換,再功率放大,或轉(zhuǎn)換到脈寬調(diào)制,都是易如反掌。3.2脈寬調(diào)制的頻率與物體的慣性會(huì)減緩物體運(yùn)動(dòng)速度的變化類似,電磁線圈的電感也會(huì)減緩線圈中的電流變化,使通過線圈的電流遲于電壓工作周期。電壓波形是完整的矩形,而電流波形,由于電感的影響,其上升和下降過程都是漸變的(見圖13)。如果脈寬調(diào)制的頻率在400Hz以下,迭加形成的電流波形就會(huì)有伴生顫振(見圖14)。這,可以顯著地減少比例閥的滯回(見圖15)。低頻脈寬調(diào)制伴生顫振的頻率就是脈寬信號(hào)的頻率,幅度則依賴于脈寬信號(hào)的脈寬。在脈寬為50%時(shí),伴生顫振的幅度最大。在脈寬為0或100%時(shí),伴生顫振的幅度為零,就難以取得消除滯回的效果。所以,PWM的脈寬一般也都限定在15%到85%之間(見圖15)。3.3基本不再伴生顫振如果脈寬調(diào)制的頻率高達(dá)5000Hz以上,迭加形成的電流波形就基本上不再有伴生顫振了(見圖16)。在這個(gè)高頻脈寬調(diào)制電流波形上,再迭加一個(gè)不受脈寬調(diào)制幅度頻率影響的顫振信號(hào)(見圖17),其頻率和幅度可以根據(jù)所控制的比例閥的需要設(shè)置,就可以達(dá)到最佳效果。3.4電流檢測(cè)裝置的選擇a如果給電磁線圈加恒定的電壓U(見圖18a),則隨著時(shí)間t,線圈溫度T逐漸增加,電阻也會(huì)逐漸增加,通過線圈的電流i會(huì)逐漸降低,銜鐵套筒組件可輸出的力F也會(huì)逐漸降低。這顯然不是比例閥所希望的。如果在控制器的輸出端加一輸出電流檢測(cè)裝置,通常是串聯(lián)一個(gè)高精度的電阻。把通過的電流以電壓的形式反饋給控制器。隔幾秒鐘檢測(cè)一次,相應(yīng)自動(dòng)調(diào)整輸出脈寬調(diào)制信號(hào)的脈寬,就可以實(shí)現(xiàn)恒電流輸出(見圖18b)。3.5消除死區(qū)銜鐵套筒組件輸出的力,相對(duì)輸入電流都有一個(gè)死區(qū)。因此,控制放大器一般都有預(yù)設(shè)死區(qū)校正?？梢灶A(yù)設(shè)一個(gè)最小輸出電流I3.6帶單獨(dú)電位器的控制器根據(jù)輸入的指令信號(hào),控制放大器向電比例閥提供相應(yīng)的脈寬調(diào)制功率輸出。輸入的指令信號(hào),通常是電壓,0~5V或0~10V,電流通常只有幾個(gè)mA,功率很小。所謂放大器,即由此得名。為了使一個(gè)控制放大器可以用于不同的電比例閥,這個(gè)功率放大倍數(shù)必須是可調(diào)的。通常使用一個(gè)電位器調(diào)整。這也決定了提供給閥的最大電流,所以,增益調(diào)整也被稱為I有了I3.7輸出電壓檢測(cè)為避免輸入信號(hào)線上的干擾電壓被當(dāng)作指令信號(hào)而引起誤動(dòng)作,有些控制放大器上設(shè)有使能信號(hào)線:只有當(dāng)這根輸入線上有一定電壓時(shí),才放大輸出信號(hào)線上的電壓。如果使能信號(hào)線上的電壓消失,控制器立即切斷輸出電壓,使比例閥可以在彈簧的作用下回到中位,或安全位。有些控制器中設(shè)有急?；芈?可以通過急停按鈕切斷電源。但要注意,控制器中一般都有一個(gè)穩(wěn)定輸入電壓用的大電容,這里面儲(chǔ)存的電量還可能使輸出電流延遲一段時(shí)間才停止。所以更為可靠的急停措施是同時(shí)斷開輸出端。3.8電比例節(jié)流閥自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用固定斜坡:即使輸入信號(hào)為階躍信號(hào),輸出電流仍按一預(yù)設(shè)的斜坡逐漸增加和減少(見圖20),以減少?zèng)_擊。有些控制器只有一個(gè)預(yù)設(shè)斜坡調(diào)節(jié)。有些,則有兩個(gè)甚至4個(gè),信號(hào)上升下降可以分別設(shè)置不同的斜坡。由于目前大多數(shù)螺紋插裝式的電比例節(jié)流閥都不帶位移傳感器,閥芯很難長(zhǎng)時(shí)間精確地保持在某一給定位置。所以,電比例節(jié)流閥更多地是用于斜坡控制:逐漸開啟,逐漸關(guān)閉。3.9實(shí)際輸入信號(hào)范圍這是為了察覺輸入信號(hào)的不正?！斎刖€斷路,或與工作電壓短接。例如,控制器可接受的輸入信號(hào)范圍為0~5V,而實(shí)際的輸入信號(hào)范圍設(shè)計(jì)為0.3~4.7V。這樣,當(dāng)輸入信號(hào)低于0.3V,或高于4.7V時(shí),控制器就認(rèn)為輸入不正常,報(bào)警,停止工作。3.10首字段1采用din33650、din33g、k病毒以及ug/功率接頭感謝微電子技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步,以上那些功能(見圖21)有可能都集成在一個(gè)接頭里。很多公司都推出了采用DIN43650形式(見圖22)的集成接頭,也稱功率接頭(Powerplug)。這樣,電比例閥在出廠時(shí),成套相配的接頭已經(jīng)相應(yīng)調(diào)節(jié)到能使這個(gè)閥工作在相對(duì)最佳狀態(tài)。2緩加載接頭鑒于在很多場(chǎng)合,如果換向閥切換過快,會(huì)引起沖擊。Parker公司推出了XPRO804型緩啟動(dòng)接頭見圖23)。此接頭利用脈寬調(diào)制技術(shù),在得電的最初1s內(nèi),電流緩慢增加,這樣電磁力也相應(yīng)緩慢增加,以此減慢切換速度。3.11功率放大器的運(yùn)用迄今為止,大多數(shù)用于螺紋插裝比例閥的控制器是模擬型的。但自上世紀(jì)末以來,也逐步出現(xiàn)了數(shù)字型控制器。它可通過串行接口,或直接與主控計(jì)算機(jī)相連,或通過區(qū)域控制總線(CAN),或通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)輸入數(shù)值,調(diào)整改變,有很大的靈活性。圖24示意了目前常見的一些模式。圖中,C是主控制器——可編程控制器PLC、或單片機(jī)、或工控機(jī),E代表電磁線圈。模式1。比較傳統(tǒng)的。功率放大器A是模擬型的,做成單獨(dú)控制板,或集成接頭式的。主控制器C發(fā)模擬電壓信號(hào)給功率放大器A。功率放大器A產(chǎn)生相應(yīng)的PWM,輸給電磁線圈。模擬信號(hào)電壓較低,很容易受到周圍環(huán)境的干擾,傳輸距離一般不超過模式2。功率放大器D是數(shù)字型的,做成單獨(dú)控制板,或集成接頭式的。它可以接受數(shù)字型的指令,調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)?？梢越邮苣M電壓或數(shù)字型的輸入信號(hào)。輸出PWM給電磁線圈?？垢蓴_能力較強(qiáng)。模式3。功率放大器