基于amesim的高速電磁閥建模與仿真

基于amesim的高速電磁閥建模與仿真

高速電磁器是一種電-液轉(zhuǎn)換裝置它是電子控制的重要執(zhí)行單元，在航空氣電磁器電子控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。自20世紀(jì)70年代出版以來，國內(nèi)外許多制造商和公司都開發(fā)出了許多類型的高速電磁器。在能源和工業(yè)領(lǐng)域，高速電磁器的研究和應(yīng)用越來越受到重視。在過去10年中，國外對高速電磁器進(jìn)行了研究，并取得了一些成果。自20世紀(jì)80年代以來，我國對高速電磁閥的研究主要包括兩個方面：一是跟蹤國外研究，探索高速電磁器快速響應(yīng)的基本理論。另一方面，它是一種獨立或開發(fā)的高速電磁器采樣和相關(guān)驅(qū)動程序控制裝置。本文針對某型航空發(fā)動機(jī)用高速電磁閥的模型,利用AMESim的系統(tǒng)建模及仿真分析等功能,建立了該型高速電磁閥的AMESim數(shù)學(xué)模型［４－６］.在此基礎(chǔ)上對模型和實物的占空比-流量(文中的流量均為體積流量)特性及動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行分析比較［７－１０］.結(jié)果表明:所建立的高速電磁閥數(shù)學(xué)模型能夠在誤差允許范圍內(nèi)模擬高速電磁閥的工作.為今后高速電磁閥特性的研究和航空發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的仿真分析提供了有價值的參考.1高速電磁閥的工作原理和工作特點1.1開閉時間的運動作為一種快速響應(yīng)式開關(guān)閥,高速電磁閥是電子機(jī)構(gòu)與機(jī)械液壓機(jī)構(gòu)間的理想接口元件［１１－１２］,常應(yīng)用于機(jī)電液一體化系統(tǒng)中.高速電磁閥工作時主要有開和閉兩種狀態(tài).通過改變工作周期內(nèi)閥的開與閉時間比例,可實現(xiàn)對工作周期內(nèi)介質(zhì)通過量的控制.作為衡量電磁閥的重要指標(biāo),額定流量和動作時間直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性,電磁閥額定流量的增大及動作時間的加快會降低系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性.高速電磁閥的特點是:結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、體積小、動作準(zhǔn)確、內(nèi)泄漏小、抗污染能力強(qiáng)等［１３］.近年來,高速電磁閥在航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日趨廣泛.1.2高速電磁閥的開與閉靠高低電平來驅(qū)動在結(jié)構(gòu)上,高速電磁閥主要有擋板活門、活門彈簧、活門墊圈、鐵心彈簧、線圈組件、鐵心組件、殼體組件等組成［１４］,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.高速電磁閥的開與閉靠高低電平來驅(qū)動,在線圈組件7兩端施加驅(qū)動電流后,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,線圈中電流的變化會使周圍磁場產(chǎn)生變化,在磁場力的作用下,鐵心組件15克服鐵心彈簧5的彈力而向右運動,在活門彈簧3回復(fù)力的作用下,噴嘴擋板活門16向右運動,擋板活門打開.當(dāng)線圈組件7中的電流低于臨界值時,由于所受磁場力不足以克服鐵心彈簧力,鐵心組件15在鐵心彈簧力的作用下向左移動,擋板活門16關(guān)閉.1.3和控制精度的影響本文所研究的高速電磁閥驅(qū)動電流波形如圖2所示.從圖中可以看到,驅(qū)動電流波形為階梯波疊加三角顫振波的形式［１５］.階梯波形電流可以保證在不降低安全系數(shù)的條件下,大幅度降低電磁活門的功耗,并且溫升小,效率高;而三角顫振波減小了電磁活門的摩擦滯環(huán),對提高高速電磁閥的響應(yīng)速度和控制精度十分有益［１６］.典型驅(qū)動電流波形見圖2.圖2中電流的占空比可表示為s=T１/T×100%.I１為強(qiáng)激電流;I２為維持電流;ΔI１為強(qiáng)激顫振電流;ΔI２為維持顫振電流;N為振蕩次數(shù);τ１為吸合時間;τ２為釋放時間;fτ為顫振頻率;T為工作周期;T１為高電平時間.給高速電磁閥通電之前,閥門處于關(guān)閉狀態(tài).按圖2所示波形給電磁閥的線圈通電,在強(qiáng)激電流的作用下,電磁閥開啟,安全開啟之后電磁閥在維持電流的作用下處于開啟狀態(tài),當(dāng)驅(qū)動電流小于維持電流時,電磁力不足以克服鐵心彈簧力,電磁閥關(guān)閉,這樣就完成了一個周期的高速電磁閥工作過程.工作過程中,噴嘴擋板閥在控制信號的作用下持續(xù)進(jìn)行開、閉動作,其出口介質(zhì)的流量也呈現(xiàn)脈動狀態(tài),因此閥的流量為脈動的平均流量.流量的大小與驅(qū)動電流信號的占空比有關(guān),占空比越大,閥門打開的時間越長,流量也越大.驅(qū)動電流的頻率越高,受控介質(zhì)脈動量越小,流量越接近平均流量.2高速電磁閥仿真的數(shù)學(xué)模型分析AMESim軟件平臺中的物理模型參數(shù)的調(diào)整與設(shè)置需基于模型對象底層的數(shù)學(xué)模型,對高速電磁閥建模仿真之前,首先需要分析高速電磁閥的數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行物理模型搭建,可以合理高效地設(shè)置模型參數(shù),對物理模型進(jìn)行優(yōu)化及故障分析與檢測.本節(jié)將對高速電磁閥的核心部件及概念進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析.2.1心工作數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)中磁心的工作效果主要取決于形狀和材料,根據(jù)材料的不同,以磁通密度B及磁場強(qiáng)度H為變量建立磁心工作數(shù)學(xué)模型,如式(1).式(1)中μ０為真空磁導(dǎo)率,μ０=4π×10－７H/m;Mｓ為飽和磁化強(qiáng)度;ε為量化的主要作用參數(shù);a為形狀參數(shù).對于標(biāo)準(zhǔn)的高速電磁閥數(shù)學(xué)模型,主要作用參數(shù)ε通常設(shè)默認(rèn)值為0,根據(jù)高速電磁閥磁心材料的不同,常需通過查表計算來設(shè)置飽和磁化參數(shù)Mｓ與形狀參數(shù)a.2.2磁勢電壓的計算高速電磁閥工作過程中,渦流將造成磁通量的延遲和損失,渦流的影響不能忽略.渦流可看作一個單繞組的磁勢電壓源,磁勢電壓λ可用式(2)表示.式(2)中為磁通量;為磁通量變化率;λｅｄｄｙ為渦流磁勢電壓,Rｅｄｄｙ為渦流電阻.模型中參數(shù)Kｅｄｄｙ的設(shè)置用于反映渦流效應(yīng),其數(shù)值的大小依據(jù)式(3)進(jìn)行計算.式(3)中σ為材料的電導(dǎo)率;lｅ為有效渦流通路;Aｅ為橫截面.2.3氣隙模型參數(shù)設(shè)置在高速電磁閥建模過程中,氣隙是一個非常重要的設(shè)置參數(shù).不同形狀的氣隙模型的參數(shù)設(shè)置往往有較大不同,典型的氣隙模型主要有圓柱形與圓錐形兩種,數(shù)學(xué)模型見式(4)、式(5).圓柱形氣隙模型圓錐形氣隙模型式中d為圓柱(錐)直徑;x為氣隙寬度;β,γ為修正系數(shù);α為半錐角.3基于amesim模擬平臺的高速電磁閥建模和模擬3.1磁路部分用磁元件模型高速電磁閥涉及機(jī)、電、液多領(lǐng)域知識,很難建立起精確的數(shù)學(xué)模型,考慮到AMESim的特點,本文基于AMESim軟件平臺建立高速電磁閥的物理模型.高速電磁閥由電磁部分和噴嘴擋板閥部分組成,詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖見圖1.在分析高速電磁閥結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上,結(jié)合電磁庫中元件的特點,建立電磁部分的模型如圖3所示.其中電磁線圈用線圈模型1模擬,軛鐵用固定長度的磁性元件2模擬,軛鐵兩端的徑向磁路部分用徑向磁性元件模型3模擬,磁節(jié)點用模型4模擬,殼體組件用磁性元件模型5模擬,鐵心和徑向元件間的磁漏用磁漏模型6模擬,殼體組件和鐵心組件之間的磁漏用磁漏模型7模擬,鐵心組件用固定長度的磁性元件8模擬,零磁勢點用模型9模擬,工作氣隙用圓錐形氣隙模型10模擬,固定鐵心用磁性元件模型11模擬,非工作氣隙用圓柱形氣隙模型12模擬,調(diào)整桿用磁性元模型13模擬.軛鐵和調(diào)整桿之間的漏磁用磁漏模型14模擬,軛鐵和殼體組件之間的漏磁用磁漏模型15模擬.軛鐵和非工作氣隙之間、軛鐵和鐵心之間及徑向磁路和鐵心的空隙之間存在漏磁,因此軛鐵模型的建立采用了3個軸向磁元件串聯(lián)的形式,由磁路的基本原理可知,這樣不會改變主磁路［１７］.根據(jù)電磁活門的結(jié)構(gòu)和原理,高速電磁閥工作時,在電磁力的作用下,工作氣隙減小,帶動鐵心組件向右運動,進(jìn)而擋板活門打開,通往執(zhí)行活門上腔的油路增大.噴嘴擋板閥的模型如圖4所示.圖4中模塊1模擬活門彈簧,模塊2模擬擋板活門的質(zhì)量,模塊3模擬擋板活門,模塊4模擬擋板右側(cè)的容腔,模塊5模擬擋板右側(cè)與鐵心組件左側(cè)的剛性元件,模塊6模擬鐵心組件左側(cè)的油腔,模塊7模擬鐵心組件左側(cè)的泄漏,模型8模擬鐵心組件右側(cè)的彈簧腔,模塊9模擬鐵心組件質(zhì)量,模塊10模擬鐵心表面的油槽.圖中P表示定壓燃油,Ch表示容腔.3.2占空比不同時高速電磁閥的動態(tài)特性驅(qū)動信號的頻率保持為40Hz不變,運行參數(shù)設(shè)置:仿真時間為0.1s,采樣間隔為0.01ms.當(dāng)輸入驅(qū)動信號的占空比不同時,高速電磁閥閥心位移和驅(qū)動電流的波形如圖5所示.從仿真圖中可以看出:輸入占空比信號不同,驅(qū)動電流的高電平時間也就不同,但是強(qiáng)激電流時間基本保持不變,變化的只是維持電流的時間,這對于減少能量消耗是有意義的.3.3高速電磁閥模型的占空比-流量特性的驗證輸入一個占空比信號,就有一個電磁活門打開的時間與之對應(yīng),當(dāng)高速電磁閥前后壓差一定時,電磁活門的輸出流量的平均值隨占空比的變化而變化,也就是說一個占空比信號對應(yīng)一個高速電磁閥的平均流量,而系統(tǒng)對變頻控制的高速電磁閥的占空比-流量特性有一定的要求,對所建立的高速電磁閥數(shù)學(xué)模型的占空比-流量特性能否滿足要求進(jìn)行驗證.產(chǎn)品要求的占空比-流量特性及精度要求如表1所示.用MATLAB軟件畫出技術(shù)要求所規(guī)定的占空比-流量特性曲線及允許的誤差范圍,與系統(tǒng)建模仿真得到的占空比-流量特性做出比較.仿真曲線如圖6所示.從圖6可以看出本文建立高速電磁閥數(shù)學(xué)模型的占空比-流量特性在要求的范圍之內(nèi):在占空比為20%時,流量誤差在8%以內(nèi);占空比為50%時,流量誤差在5%以內(nèi);占空比為80%時,流量誤差在8%以內(nèi);占空比為100%時,流量誤差在8%以內(nèi).所建模型能夠比較準(zhǔn)確地仿真高速電磁閥的特性.4ames-im高速電磁閥模型建立的意義本文針