比例电磁铁输出特性
一种比例电磁铁控制电路的设计
第4期2011年4月工矿自动化Industry and M ine A ut omatio nNo.4 Apr.2011文章编号:1671-251X(2011)04-0074-03一种比例电磁铁控制电路的设计赵江辉, 王淑红(太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原 030024)摘要:采用AT89S51单片机设计了一种比例电磁铁控制电路。
该电路首先由AD 转换电路将采集到的模拟量信号转换为数字量后输入AT89S51进行处理,AT 89S51输出的PWM 信号经功率转换电路处理后作用于比例电磁铁,从而控制比例电磁铁动作。
调试运行结果验证了该电路的有效性。
关键词:比例阀;比例电磁铁;单片机控制;压力传感器 中图分类号:TD679 文献标识码:BDesign of a Cont rol Circuit of Proport ional SolenoidZH AO Jiang hui, WA NG Shu hong(College of E lectr ical and Pow er Engineering of T aiyuan University of T echnolo gy,Taiyuan 030024,China)Abstract :T he paper introduced a design o f co ntro l circuit o f pr opo rtio nal so lenoid based on AT89S52sing le chip micr ocom puter.T he circuit uses ADC circuit to conv er t collected analog signals into dig ital sig nals for further pr ocession by AT89S51,and PWM sig nal output by AT 89S51to make propo rtio nal solenoid act after processio n of po w er conversio n circuit.The debug ging and running results show ed validity of the circuit.Key words :proportional valve,proportional so lenoid,co ntrol by single chip microcomputer,pressur e senso r 收稿日期:2010-12-20基金项目:山西省自然科学基金资助项目(2008012005-1)作者简介:赵江辉(1986-),男,山西吕梁人,硕士研究生,研究方向为电机与电器。
比例电磁铁
比例电磁铁的结构
它的工作范围较窄， 仅适用于行程较小 的电液比例压力阀。 工作特性是上图的
曲线3
增加了轭铁1, 减少了漏磁通， 稳
住了螺管力， 因而工作特性 曲线如上图的 曲线3。
锥底结构螺管电磁铁 1-轭铁 2-外壳 3-线圈 4-锥底止座
比例电磁铁的结构
电磁 吸力
盆底止座结构的比例电磁铁 1-衔铁 2-上轭铁 3-底面 4-隔磁环 5-锥面
普通电磁铁与比例电磁铁的静态吸力特性。静态吸力特性 就是在稳态过程中得到的吸力特性。
静态吸力特性只是衔铁无限缓慢移动时的一种特例。
2-比例电磁铁 可以看出：比例电磁铁的 输出电磁力在整个工作行程
内基本上保持恒定。
比例电磁铁在不同输入电流下的力—位移特性曲线， 可见电磁力与输入电流之间的关系是线性关系。
在其工作行程内的任何位置上，电磁力只取决于输入电流。
普通电磁铁的结构
电磁铁在吸合过程中，产生两个磁通：主磁通 和漏磁通L 。衔铁受到的吸力由两部
分构成：主磁通产生端面力，漏磁通产生螺管力。这两个力的方向是一致的（向左）
F螺管力 F端面力
衔铁运动时， 主气隙是不断 减小的，因而 主磁通逐渐增 加，而漏磁通 就不断减小， 也即是螺管力 与端面力之比 不断变化，在 处，漏磁通与 主磁通相比， 其值很小，螺 管力趋于零。
最大输出力为65～80N有效 行程。
力控制型比例电磁铁及其电器控制 1-比例电磁铁 2-给定电位计 3-比例电控器
在用作位置输出控制时 行程为3～5mm。
比例电磁铁的维护
比例电磁铁多数为湿式，也有干式比例电 磁铁，不同厂家的湿式比例电磁铁中耐油 压的程度也不尽相同，多数为耐35 MPa的 静压。
比例电磁铁概述
比例电磁铁概述比例电磁铁作为电液比例控制元件的电一机械转换器件，其功能是将比例控制放大器输给的电流信号转换成力或位移。
比例电磁铁推力大、结构简单，对油质要求不高，维护方便，成本低廉，衔铁腔可做成耐高压结构，是电液比例控制技术中应用最广泛的电一机械转换器。
比例电磁铁的特性及工作可靠性，对电液比例控制系统和元件具有十分重要的影响，是电液比例控制技术关键部件之一。
电液比例控制技术对比例电磁铁提出了一定的要求，主要有:1)水平的位移一力特性，即在比例电磁铁有效工作行程内，当线圈电流一定时，其输出力保持恒定。
2)稳态电流一力特性具有良好的线性度，较小的死区及滞回。
3)阶跃响应快，频响高。
比例电磁铁的结构和工作原理虽然目前国内外市场中比例电磁铁的品种繁多，但其基本的结构和原理大体相同。
图1所示即为一典型的耐高压比例电磁铁的基本结构。
图1 比例电磁铁结构图图2比例电磁铁力-位移特性图由图1可知，典型的耐高压比例电磁铁主要由导套、衔铁、外壳、极靴、线圈、推杆等组成。
导套前后两段为导磁材料，中间则用一段非导磁材料(隔磁环)焊接。
导套具有足够的耐压强度(约可承受35MPa的静压力)。
导套前段和极靴组合，形成带锥型端部的盆型极靴，其相对尺寸决定了比例电磁铁稳态特性曲线的形状。
导套和壳体之间配置同心螺线管式控制线圈。
衔铁的前端装有推杆，用以输出力或位移;后端装有弹簧和调节螺钉组成的调零机构，可以在一定范围内对比例电磁铁特性曲线进行调整。
比例电磁铁一般为湿式直流控制，与普通直流电磁铁相比，由于结构上的特殊设计，使之形成特殊的磁路，从而使它获得基本的吸力特性，即水平的位移一力特性，与普通直流电磁铁的吸力特性有着本质区别。
比例电磁铁的磁路，在工作气隙附近被分成两部分Φ1和Φ2，如图３(a)所示。
其中，一条磁路中Φ1由前端盖盆型极靴底部，沿轴向工作气隙，进入衔铁，穿过导套后段和导磁外壳回到前端盖极靴，产生轴向推力(端面力)F1;而另一磁路Φ2经盆型极靴锥形周边(导套前段)，径向穿过工作气隙进入衔铁，而后与Φ1汇合，产生轴向附加力F2。
沥青混凝土摊铺机自动调平电控系统
由于高频电磁间接受的是开关信号其开口量即流量大小与开关信号的脉宽长度有关而脉冲信号的大小对它影响很小且高频电磁阀只要打开就基本是全开口不像比例电磁阀那样在零开口附近工作容易堵塞卡死因此相对连续模拟量控制的比例电磁阀来说其抗干扰能力强可靠特别是对油液清洁度要求比比例电磁阀低而且适用的温度范围广对环境要求低
后借助于电子与液压元件来实现调节 。 有两种 ， 即改变脉冲宽度和改变脉冲频率。当偏差值小 ， 位于死 区 在上述 的各种调节方 式中 ， 目前 电一液 式应用得最广泛 。根 内时 ， 系统不起调节作 用。 据调节原理不 同、 液式 自动调平系统又分为开关式 、 电一 比例式和 当偏差越过死区而进入脉冲区时 ， 制器便以宽度或频率与 控
要求 。在实际应用 中， 通常是根据道路不 平度 的变化随时调节两 可看 出， 这种调平系统的性 能不是很理想 ， 所以 目前甩得很少。 大臂牵 引点的垂直 高度 ， 以弥补浮动熨平板 的不足 ， 使摊铺 的路 ２ 比例式 自动调 平系统 面平整度 符合技术要求 ， 而不受路基不平度 影响 ， 这就是熨 平板 这种系统的特点是 ： 根据偏差信 号的大小 以相应 的快慢速度
比例换向阀工作原理
比例换向阀工作原理
比例换向阀是一种常用于液压系统中的控制元件，它能够根据输入信号的大小来调节液压系统中的流量和压力。
该阀的工作原理主要基于比例调节的原理。
比例换向阀主要由阀体、阀芯、电磁铁和弹簧等部件组成。
当电磁铁通电时，产生磁场，吸引阀芯与弹簧分离，并打开阀门；当电磁铁断电时，磁场消失，弹簧将阀芯复位，并关闭阀门。
在正常工作状态下，电磁铁会周期性地通电和断电，从而实现对阀门的控制。
当输入信号（通常为电压或电流信号）的大小改变时，阀芯的位置也会相应地改变，这会影响阀门的开度，从而调节液体的流量和压力。
比例换向阀的工作原理可以简单概括为：输入信号-->电磁铁
通电和断电-->阀芯位置改变-->阀门开度改变-->流量和压力调节。
总结起来，比例换向阀通过控制阀芯的位置来调节液压系统中的流量和压力，使其按照输入信号的比例进行变化。
这种阀门具有响应速度快、调节精度高的特点，广泛应用于各种工业设备和机械系统中。
单向比例电磁铁
单向比例电磁铁典型的耐高压单向比例电磁铁结构原理图如图1所示，它主要由推杆1、衔铁7、导向套10、壳体11、轭铁13等部分组成。
导向套10前后两段为导磁材料（工业纯铁），导向套前段有特殊设计的锥形盆口。
两段之间用非导磁材料（隔磁环9）焊接成整体。
筒状结构的导向套具有足够的耐压强度，可承受35MPa的液压力。
壳体11与导向套10之间配置同心螺线管式控制线圈3。
衔铁7前端所装的推杆1用以输出力或位移，后端所装的调节螺钉5和弹簧6组成调零机构。
衔铁支撑在轴承上，以减小粘滞摩擦力。
比例电磁铁通常为湿式直流控制（内腔要充入液压油），使其成为衔铁移动的一个阻尼器，以保证比例组件具有足够的动态稳定性。
工作时，线圈通电后形成的磁路经壳体、导向套、衔铁后分为两路，一路由导向套前端到轭铁而产生斜面吸力，另一路直接由衔铁断面到轭铁而产生表面吸力，二者的合成力即为比例电磁铁的输出力（见图2）。
由图2可以看到，比例电磁铁在整个行程区内，可以分为吸合区I、有效行程区II和空行程区III三个区段：在吸合区I，工作气隙接近于零，输出力急剧上升，由于这一区段不能正常工作，因此结构上用加不导磁的限位片（图1中的12）的方法将其排除，使衔铁不能移动到该区段内；在空行程区III工作气隙较大，电磁铁输出力明显下降，这一区段虽然也不能正常工作，但有时是需要的，例如用于直接控制式比例方向阀的两个比例电磁铁中，当通电的比例电磁铁工作在工作行程区时，另一端不通电的比例电磁铁则处于空行程区III；在有效行程区（工作行程区）II，比例电磁铁具有基本水平的位移动特性，工作区的长度与电磁铁的类型等有关。
比例电磁铁具有与位移无关的水平的位移－力特性，一定的控制电流对应一定的输出力，即输出力与输入电流成比例（见图3），改变电流即可成比例改变输出力。
由图3可看到，当电磁铁输入电流往复变化时，相同电流对应的吸力不同，一般将相同电流对应的往复输入电流差的最大值与额定电流的百分比称为滞环。
比例电磁阀工作原理
比例电磁阀工作原理 电液比例阀是阀内比例电磁铁输入电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并 以此完成与输入电压成比例压力、流量输出元件。阀芯位移也可以以机械、液压或电形式进行反馈。电液 比例阀具有形式种类多样、容易组成使用电气及计算机控制各种电液系统、控制精度高、安装使用灵活以 及抗污染能力强等多方面优点，应用领域日益拓宽。近年研发生产插装式比例阀和比例多路阀充分考虑到 工程机械使用特点，具有先导控制、负载传感和压力补偿等功能。它出现对移动式液压机械整体技术水平 提升具有重要意义。特别是电控先导操作、无线遥控和有线遥控操作等方面展现了其良好应用前景。 2 工程机械电液比例阀种类和形式 电液比例阀包括比例流量阀、比例压力阀、比例换向阀。工程机械液压操作特点，以结构形式划分电 液比例阀主要有两类：一类是螺旋插装式比例阀（screwin cartridge proportional valve），另一类是 滑阀式比例阀（spool proportional valve）。 螺旋插装式比例阀是螺纹将电磁比例插装件固定油路集成块上元件，螺旋插装阀具有应用灵活、节省 管路和成本低廉等特点，近年来工程机械上应用越来越广泛。常用螺旋插装式比例阀有二通、三通、四通 和多通等形式，二通式比例阀主比例节流阀，它常它元件一起构成复合阀，对流量、压力进行控制；三通 式比例阀主比例减压阀，也是移动式机械液压系统中应用较多比例阀，它主对液动操作多路阀先导油路进 行操作。利用三通式比例减压阀可以代替传统手动减压式先导阀，它比手动先导阀具有更多灵活性和更高 控制精度。可以制成如图 1 所示比例伺服控制手动多路阀，不同输入信号，减压阀使输出活塞具有不同压 力或流量进而实现对多路阀阀芯位移进行比例控制。四通或多通螺旋插装式比例阀可以对工作装置实现单 独控制。 滑阀式比例阀又称分配阀，是移动式机械液压系统最基本元件之一，是能实现方向与流量调节复合阀。 电液滑阀式比例多路阀是比较理想电液转换控制元件，它保留了手动多路阀基本功能，还增加了位置电反 馈比例伺服操作和负载传感等先进控制手段。它是工程机械分配阀更新换代产品。 出于制造成本考虑和工程机械控制精度要求不高特点，一般比例多路阀内不配置位移感应传感器，具 有电子检测和纠错功能。，阀芯位移量容易受负载变化引起压力波动影响，操作过程中要靠视觉观察来保 证作业完成。电控、遥控操作时更应注意外界干涉影响。近来，电子技术发展，人们越来越多采用内装差 动变压器（ＬＤＶＴ）等位移传感器构成阀芯位置移动检测，实现阀芯位移闭环控制。这种由电磁比例阀、 位置反馈传感器、驱动放大器和其它电子电路组成高度集成比例阀，具有一定校正功能，可以有效克服一 般比例阀缺点，使控制精度到较大提高。 3 电液比例多路阀负载传感与压力补偿技术 节约能量、降低油温和提高控制精度，同时也使同步动作几个执行元件运动时互不干扰，现较先进工 程机械都采用了负载传感与压力补偿技术。负载传感与压力补偿是一个很相似概念，都是利用负载变化引 起压力变化去调节泵或阀压力与流量以适应系统工作需求。负载传感对定量泵系统来讲是将负载压力负载 感应油路引至远程调压溢流阀上，当负载较小时，溢流阀调定压力也较小；负载较大，调定压力也较大， 但也始终存一定溢流损失。变量泵系统是将负载传感油路引入到泵变量机构，使泵输出压力随负载压力升 高而升高（始终为较小固定压差），使泵输出流量与系统实际需要流量相等，无溢流损失，实现了节能。 压力补偿是提高阀控制性能而采取一种保证措施。将阀口后负载压力引入压力补偿阀，压力补偿阀对 阀口前压力进行调整使阀口前后压差为常值，这样节流口流量调节特性流经阀口流量大小就只与该阀口开 度有关，而不受负载压力影响。 4 工程机械电液比例阀先导控制与遥控 电液比例阀和其它专用器件技术进步使工程车辆挡位、转向、制动和工作装置等各种系统电气控制成 为现实。一般需要位移输出机构可采用类似于图 1 比例伺服控制手动多路阀驱动器完成。电气操作具有响 应快、布线灵活、可实现集成控制和与计算机接口容易等优点，现代工程机械液压阀已越来越多采用电控 先导控制电液比例阀（或电液开关阀）代替手动直接操作或液压先导控制多路阀。采用电液比例阀（或电 液开关阀）另一个显著优点是工程车辆上可以大大减少操作手柄个数，这使驾驶室布置简洁，能够有效降 低操作复杂性，对提高作业质量和效率都具有重要实际意义。图 2 是 TECNORD 公司 JMF 型控制摇杆（j oystick），利用一个摇杆就可以对如图 2 中多片电液比例阀和开关阀进行有效控制。该摇杆 X 轴和 Y 轴 方向都可以实现比例控制或开关控制，应用十分方便。 数字式无线通讯技术迅速发展，出现了性能稳定、工作可靠、适用于工程机械无线遥控系统，布置移 动机械上遥控接收装置可以将接收到无线电信号转换为控制电液比例阀比例信号和控制电液开关阀开关信 号，以及控制其它装置相应信号，使原来手动操作各个元件都能接受遥控电信号指令并进行相应动作，此 时工程机械实际上已成为遥控型工程机械。 无线遥控发射与接收系统已成功应用于多种工程机械遥控改造。从安全角度考虑，它发射每条数字数 据指令都具有一组特别系统址码，这种址码厂家只使用一次。每个接收机只对有相同址码发射信号有反应， 其它无线信号是同频率信号会对接收装置产生影响。加上其它安全措施采用使系统可靠性到了充分保障。 装载机、凿岩机、混凝土泵车、高空作业车和桥梁检修车等多种移动式机械遥控改造中获成功。工业遥控 装置与电液比例阀相益彰，电液比例阀为工程机械遥控化提供了可行接口，遥控装置又使电液比例阀以发 挥更大作用。 5 电液比例阀工程机械上应用实例 某型汽车起重机液压系统简图，图中仅画出了与电液比例阀有关部分。该机采用了 3 片 TECNORD TDV－4/3 LM－LS/PC 型比例多路阀，负载传感油路中 3 个梭阀将 3 个工作负载中最大压力选出来送至 远程调压溢流阀远控口，调整溢流阀溢流压力，使液压泵输出压力恰好符合系统负载需要即可，达到一定 节能目。压力补偿油路使每一片阀流量仅与该阀开度有关，而所承受负载无关，它阀片所承受负载也没有 关系，达到任一负载下均可随意控制负载速度目。 某推土机推土铲手动与电液比例先导控制实例。当二位三通电磁阀不通电时，先导压力与手动减压式 先导阀相通，梭阀选择来自手动先导阀压力对液动换向阀进行控制；当二位三通电磁阀通电时，先导控制 压力油通向三通比例减压式先导阀，梭阀对液动换向阀进行控制。 6 小结 以上简要介绍了电液比例阀工作原理和结构形式、工作特点，对比例阀负载感应和压力补偿原理进行 了分析研究。对电液比例阀不同应用，特别是工程机械先导控制和遥控方面应用进行了论述。电液比例阀 对简化工程机械操作、提高效率和作业精度以及实现智能化作业都有着极其重要意义，其性能进一步提高 和应用范பைடு நூலகம்日益拓宽必将使工程机械产品技术水平到较大程度提高。
比例电磁铁行程力特性仿真与实验研究
量磁位函数给出, 有以下形式
标量磁位 # 1: A = A 0
(2)
第二类边界条件为: 满足物理量 u 在边界 # 上
的法向导数
5 5
u n
=
f
2 (x , y )
对于平面稳定电磁场问题, 第二类边界条件用
标量磁位函数给出, 有以下形式
标量磁位 #
2:
5A 5n
=
-
Bn
Λ
(3)
式中 B n ——磁通密度矢量的法向分量
107
准的几何锥形盆口。对比直线形状, 采用内凹型和外 凸型两种曲线构成盆口 (图 9)。采用内凹曲线, 衔铁 的位移力特性最佳; 曲线外凸, 水平特性段尾部上 翘, 电磁铁的水平力特性变差; 直线则介于两者之间 (图 10)。 内凹曲线提供的导磁面积比较狭窄, 磁通 绝大多数集中在曲线的前端, 即导套的底部, 此时磁 通分量 5 2 较小, 轴向附加力 F 2 也相应较小; 曲线外 凸时, 隔磁环处的导磁面积加大, 磁通更多向导套前 端集中, 径向磁通分量 5 2 得到明显加强, 使得主气 隙磁通 5 1 受到较大的削弱, 衔铁轴向推力相应出现 下跌。因此, 内凹型隔磁曲线相对于直线型和外凹型 隔磁曲线而言, 能够更好地补偿主工作气隙轴向力 的幅值变化, 因而也就能够获得更好的行程力特性。
长时, 磁路通过衔铁、极靴、壳体即形成闭合; 可见因
衔铁长度变短而引入的后端非工作气隙导致整个磁
路磁阻变大, 引起磁力大幅度减小。 衔铁作为电磁铁的重要组成部分, 是其唯一的
可动工作部件。 减少长度降低质量可缩短其动作时
间, 但电磁铁的推力减小。过长的衔铁长度并不能增 加轴向推力, 可以选取图 6 的B 点即曲线进入饱和 的起始点作为衔铁的设计长度, 既有足够大的轴向
电液比例阀详细资料区
电液比例阀详细资料区前言现代工业的不断发展对液压阀在自动化、精度、响应速度方面提出了愈来愈高的要求，传统的开关型或定值控制型液压阀已不能满足要求，电液伺服阀因此而发展起来，其具有控制灵活、精度高、快速性好等优点。
而电液比例阀是在电液伺服技术的基础上，对伺服阀进行简化而发展起来的。
电液比例阀与伺服阀相比虽在性能方面还有一定差距, 但其抗污染能力强，结构简单，形式多样，制造和维护成本都比伺服阀低，因此在液压设备的液压控制系统应用越来越广泛。
今天，一个国家的电液比例技术发展程度将从一个侧面反映该国的液压工业技术水平，因此各发达国家都非常重视发展电液比例技术。
我国在电液比例技术方面，目前已有几十种品种、规格的产品，年生产规模不断扩大，但总的看，我国电液比例技术与国际水平比有较大差距，主要表现在：缺乏主导系列产品，现有产品型号规格杂乱，品种规格不全，并缺乏足够的工业性试验研究，性能水平较低，质量不稳定，可靠性较差，以及存在二次配套件的问题等，都有碍于该项技术进一步地扩大应用，急待尽快提高。
电液比例阀概述电液比例阀是以传统的工业用液压控制阀为基础，采用模拟式电气-机械转换装置将电信号转换为位移信号，连续地控制液压系统中工作介质的压力、方向或流量的一种液压元件。
此种阀工作时，阀内电气-机械转换装置根据输入的电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力、流量输出。
阀芯位移可以以机械、液压或电的形式进行反馈。
当前，电液比例阀在工业生产中获得了广泛的应用。
电液比例阀的特点与分类比例阀把电的快速性、灵活性等优点与液压传动力量大的优点结合起来，能连续地、按比例地控制液压系统中执行元件运动的力、速度和方向，简化了系统，减少了元件的使用量，并能防止压力或速度变换时的冲击现象。
比例阀主要用在没有反馈的回路中，对有些场合，如进行位置控制或需要提高系统的性能时，电液比例阀也可作为信号转换与放大元件组成闭环控制系统。
比例放大器驱动电路特性分析及控制器设计
比例放大器驱动电路特性分析及控制器设计徐兵;苏琦;张军辉;陆振宇【摘要】由于"反接卸荷"式驱动电路电流的非线性特性,当采用传统比例积分控制器进行电磁铁电流闭环控制时存在零位滞后现象,为了解决这一问题,建立"反接卸荷"式驱动电路的非线性数学模型.通过实验验证了该模型的有效性,分析非线性对电流控制器的设计影响.基于分析结论,提出新型的电流控制器设计方案.该方案的主要特征是通过采用死区跨越和抗饱和控制思路,使控制器快速跨越驱动电路的非线性区域.试验结果表明,该控制器能够有效地消除零位滞后现象.%The lager tracking error will appear when tracking a reference input near zero by the classical proportion-integrated controller because the current character of the inverse discharging drive circuit is nonlinear.A mathematical model was proposed to carefully describe the piecewise nonlinearities in the inverse discharging type drive circuit in order to solve the problem.A test setup was built for the model validation.A novel current controller was designed based on the analysis results.The innovation of this controller includes the dead zone compensation and the anti-wind up design, which is proposed to quickly skip the nonlinear part of the drive circuit.The experimental results show that the controller can effectively eliminate the zero lag.【期刊名称】《浙江大学学报（工学版）》【年(卷),期】2017(051)004【总页数】7页(P800-806)【关键词】比例放大器;反接卸荷式驱动电路;非线性分析;电流控制器【作者】徐兵;苏琦;张军辉;陆振宇【作者单位】浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州 310027;浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州 310027;浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州 310027;浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州 310027【正文语种】中文【中图分类】TH137比例放大器是电液比例阀的核心控制元件,而在比例放大器中,驱动电路是连接电流控制器与比例电磁铁等电-机械转换器的功率放大接口,输入-输出特性直接决定了比例电磁铁驱动电流控制器的设计,进而影响比例电磁铁的比例控制性能[1-2].常见的比例电磁铁驱动电路主要有两种结构类型：单管驱动式和“反接卸荷”式.“反接卸荷”式具有更快的电流衰减速度,越来越多的设计方案采用这种驱动电路结构[3-6]．对于驱动电路的建模分析,在以往的比例阀建模研究中,通常将驱动电路等效为理想的比例环节,即输入指令(占空比)与电磁铁电流/电压成比例关系[7-9].实际上,比例电磁铁的驱动电路往往采用PWM(脉宽调制)驱动方式,电磁铁两端的电压不是恒定值,输入-输出特性与驱动电路形式相关.近年来,有些学者考虑了PWM驱动电路在建模分析中的重要性,一般将驱动电路等效为幅值放大的方波输入输出模型[10].对于单管驱动方式,输出电压波形不存在反向电压,在高频PWM驱动方式下,电磁铁两端的电压近似与占空比成正比,采用该方法具有良好的适用性.对于“反接卸荷”式驱动电路,存在反向“卸荷”过程引起的反向电压,驱动电路的输出电压波形与电磁铁电流相耦合,而且存在占空比“偏移”和电压波形失真等多种非线性现象．驱动电路的特性影响着电流控制器的设计,目前最常用的方法是比例-积分(PI)控制器及其变种[11-12].该方法对于单管驱动式驱动电路具有良好的控制效果,但对于“反接卸荷”式驱动电路,由于固有的输入占空比-稳态电流的非线性特征,采用该方法会引起零位附近电流跟随偏差．本文介绍一种适用于数字式控制器的“反接卸荷”式驱动电路设计方案,并建立该驱动电路的输入-输出数学模型.通过建模分析非线性现象产生的原因及主要影响因素.基于该非线性特性分析,设计改进了电流控制器,通过对比试验验证了该设计方法的有效性．传统“反接卸荷”式驱动电路的主回路拓扑原理如图1所示.基本原理是在输入PWM的控制下,两个三极管同时动作,当输入PWM信号为高电平时,两个三极管同时打开,电磁铁两端的电压为供电电压；当输入PWM信号为低电平时,两个三极管同时关闭,由于电磁铁的电感续流效应,电磁铁两端的电压反接至电源电压,加速了线圈的电流衰减速度．为了满足数字式控制器设计的需要,设计改进型“反接卸荷”式驱动电路,如图2所示.与传统的“反接卸荷”式驱动电路相比,增加了光耦用于隔离数字量输入与模拟驱动级,提高控制器的抗干扰性能；增加分压电阻R1和R2(R1=R2),实现开关管MOSFET-P和MOSFET-N的同步启闭；增加电流采样电阻R0,用于采集电磁铁电流．为了分析该驱动电路的输入输出特性,需要建立驱动电路的数学模型,并基于该模型对比例驱动电路的输入-输出特性进行分析.为了简化分析流程,对比例电磁铁进行如下简化,简化后的驱动电路及充电和卸荷过程如图3所示．1)考虑到分析驱动电路的稳态输入输出特性,忽略电磁铁的非线性电感,将比例电磁铁等效为定值电阻R和电感L的串联模型.2)假设光耦具有非对称延时,即以输入的PWM信号上升沿与下降沿为参考,光耦的上升沿开启延时比下降沿关闭延时长td.3)在电磁铁充电回路和卸荷回路中,除了电磁铁线圈内阻以外,还有电流传感器采样电阻、三极管和二极管导通电阻、电源内阻等电阻.充电和卸荷回路的电阻差异主要是三极管和二极管的导通电阻,这两者通常都非常小(差异小于0.1 Ω),因此假设充电回路和卸荷回路中这些电阻的总值相等,均为R0.首先,考虑到光耦隔离存在不对称开关延时td,此时电磁铁两端的输出占空比D与输入PWM信号的占空比Dc的关系可以表示为式中：fp为PWM信号频率.注意到D为[0, 1],若fptd>1,则无论Dc取何值,D都为1,此时驱动电路将失去比例控制功能,因此fp存在最大频率1/ td．当电磁铁两端的输入PWM波周期为T,占空比为D时,电磁铁两端的电压和电流随周期而变化,定义一个占空比周期内的平均电流如下.在一个PWM周期内,若初始电流为i0,则在不同的占空比下,电磁铁两端的电压和电流存在以下两种情况.1)若卸荷时间t0≤(1-D)T,则电流在高电平作用下上升至imax,在低电平作用下衰减至0,最后保持至周期结束,波形如图4所示.为了便于表达,令Imax=U/(R+R0),R-L电路的时间常数τ=L/(R+R0),A=exp (-DT/τ),B=exp (-(1-D)T/τ),在此情况下,根据式(2)可知,一个周期内的平均电流为2)若卸荷时间t0>(1-D)T,则电流上升后衰减至非零值,并将在下一个PWM波周期中继续上升,如图5所示．定义第k个周期的初始电流为i1(k),峰值电流为imax(k),结束电流为i2(k),平均电流为iav(k),可以按式(2)、(4)进行计算,当初始电流为i0时,根据式(7)可知,一个周期内的平均电流为iav(k)=.最终达到稳定时,前、后两个周期的始末电流相同,此时,当初始电流为零时,将上述两种情况的分界点处的占空比定义转折占空比D0.令i0= imin=0,则根据式(7),可得最后,根据式(1)计算得到输入转折占空比：.综上所述,在初始电流为零的情况下,不同输入占空比下的电磁铁稳态平均电流为由式(9)、(10)可知,电磁铁的稳态输出电流不但与输入占空比和频率有关,而且与驱动电路的结构参数(光耦延时时间td、驱动电路电阻R0)、供电电源(电压U及电源内阻)、电磁铁的参数(线圈电阻R和等效电感L)有关,但这些参数中比较容易调节的参数只有输入占空比和PWM波频率.为了验证上述驱动电路仿真模型的准确性,根据设计方案设计了驱动电路样机(包含在数字式比例控制器中)和如下实验装置,如图6所示.直流稳压电源用于提供24 V直流供电,示波器用于测量并记录驱动电路的输入输出电压波形.14位精度的NI数据采集卡用于采集输占空比指令电压以及电磁铁中的电流信号,采样频率为10 kHz,比例电磁铁型号为GP37．对比试验包括不同输入占空比下的电磁铁两端电压、电流测试以及不同PWM驱动频率下的稳态电流试验,并与仿真结果进行对比.主要的仿真参数如表1所示．在驱动电路输入端输入相同频率、不同占空比的PWM驱动电压,驱动电路的输入、输出电压波形分别如图7、8所示.其中,输入信号为峰值为3.3 V、频率为2 kHz、占空比为45%和55%的方波.电磁铁电流通过测量采样电阻两端的电压来间接测量．从图7、8可以看出,在两种占空比下,电压和电流的仿真结果都与实验结果比较吻合.此外,可以看出,电磁铁两端的电压波形并非规则的方波,不规则之处主要体现在以下三方面.1)占空比偏移.输出波形的占空比比输入波形偏大,进一步分析可知,引起该现象的主要因素是相于对PWM信号的上升沿与下降沿,光耦芯片存在很小的开启延时(约为1 μs)和较大的关闭延时(约为26 μs).引起不对称的开关时间的原因是光耦芯片的原理类似于光电二极管,输入端输入一定电流后能够立即发光,引起输出端导通；输入端断流后,输出端的电流逐步衰减为零,存在一定的衰减时间.光耦的关闭延时,引起了分压电阻两端的电压(栅源极电压)的缓慢降低,也引起了三极管的关闭延时．2)峰谷值不对称.输出波形的峰值电压为24.5 V,而谷值电压为-27.5 V,并非理想的±24 V电压.产生该现象的原因是开启和关闭回路存在电磁铁之外的电阻,主要包括三极管的导通电阻、二极管的正向导通电阻和采样电阻的电阻.一般来说,这些电阻都比较小(0.5 Ω),但是当电磁铁的内阻较小(3 Ω) 时,相对影响不可忽略．3)小占空比波形失真.如图7所示,当占空比为45%时,负向波形出现失真.结合对占空比小于占空比时的电压分析可知,产生该现象的原因是当占空比较小时,充电时间短,卸荷过程长,当电磁铁中的电流卸荷至零时,卸荷二极管截止,此时电磁铁两端的电压无法维持在-27.5V,逐渐衰减至0．在驱动电路输入端输入不同频率,不同占空比的PWM驱动电压,测量比例电磁铁中的稳态电流,可以得到不同PWM驱动频率、不同占空比下的稳态电流关系曲线,如图9所示．从图9可以看出,仿真模型的稳态电流与实验测得的结果比较吻合,进一步分析可以得到如下结论.1)在同一PWM频率下,电磁铁的输入占空比和输出电流稳态特性呈现明显的多段非线性.当占空比小于Dc0时,电流非常小,而且电流与占空比不成比例.当占空比大于Dc0时,电流与占空比的关系呈现很好的比例特性.当输入占空比为[50%+Dc0,100%]时,电流出现饱和,原因是占空比偏移致使电磁铁两端实际占空比达到100%.在1～5 kHz下,理论上的占空比的线性调节范围近似为[Dc0, 50%+ Dc0]．2)在不同的频率下,根据转折占空比的计算公式可知,在102～104 Hz的频率范围内转折占空比及导数的关系如图10所示.可以看出,Dc0随着频率的增大而减小,若不考虑光耦延时,转折占空比随着频率增大无限接近50%；当频率为1～5 kHz时,转折占空比非常接近50%.选择高频PWM驱动能够有效减小转折转空比的影响.当考虑光耦延时后,随着频率的增大,转折占空比显著降低.从图9及式(9)可以看出,平移量近似等于频率与延时时间的乘积．3)由于比例电磁铁的电流工作范围为0～3 A,对于不同的PWM频率,从图9可以看出,实际控制占空比的调节范围为[Dc0, Dc0+30%],调节范围只有整个控制范围的30%．综上分析可知,理论模型能够较准确地反映“反接卸荷”式驱动电路的主要非线性特征.此外,“反接卸荷”式驱动电路显著提高了电磁铁中电流的衰减速度,但占空比调节范围缩小了,并且出现转折占空比.通过合理地选择PWM驱动频率,可以减小转折占空比对驱动性能的影响.下一节继续研究转折占空比对电流控制性能的影响．为了提高比例电磁铁电流控制响应速度,通常采用电流反馈闭环来消除输入占空比和电磁铁电流环节的干扰.典型的闭环控制方法是比例-积分(PI)反馈控制,然而在实际电流闭环性能测试中发现,PI控制器存在零位响应滞后的问题.直接采用PI控制器设计电流闭环控制器,输入正弦跟随信号,响应情况如图11所示．从图11可以看出,当控制指令经过零位时,电流跟随会产生较大的滞后.产生该现象的原因分析如下.若要使电磁铁的电流从零开始上升,PI控制器的输出控制占空比从0开始递增；由于控制占空比和电磁铁电流之间存在多段非线性,在小占空比下电流上升较慢,从而导致电流跟踪响应延时,该延时会对比例阀的换向产生显著影响．针对提出的电流闭环PI调节过零位滞后的问题及初步分析,可以采用带初值的PI 控制器来改进设计.思路是在PI控制器过零位时,在初值的作用下迅速跨越非线性调节区域,以便充分利用驱动电路的线性部分.考虑到比例积分控制器的抗积分饱和问题,一般可以采用积分分离PI控制器等条件积分(conditional integration)法来改善[13-14],但条件积分法采用非线性控制结构,控制鲁棒性较差且积分限制条件难以选取.为了解决这两个问题,提出的电流控制器结构如图12所示．根据图12,可得实际控制占空比输出方程：式中：ir为控制电流输入指令；im为测量电流；kp和ki分别为比例系数和积分系数；Dc0为转折占空比；D为经过饱和环节后的计算占空比；α为转折占空比补偿系数；β为抗积分饱和系数,取为常数0.5.α和D按下式计算：实际上,当计算占空比为[Dc0,Dc0+50%]时,D=Dc,控制器为带初值的PI控制器：为了验证新型电流控制器的电流闭环控制性能,分别在不同的PWM驱动频率以及不同的转折占空比下,验证电流控制器的正弦输入信号跟随性能,试验结果分别如图13、14所示．从图13可以看出,在2 kHz下,转折占空比约为45%,采用该初值后,与无初值相比,滞后显著减小；采用偏大的初值(55%),会引起较大的负跟踪误差,说明PI控制器的初值等于转折占空比时的补偿效果较好．如图14所示,在5 kHz下,转折占空比约为25%,可以看出,采用25%进行补偿,具有比较理想的补偿效果．(1) 本文建立“反接卸荷”式驱动电路的分线性数学模型,重点描述占空比偏移、峰谷值不对称、小占空比下波形失真三方面的主要非线性特征.从仿真和试验结果来看,“反接卸荷”式驱动电路稳态电流具有典型的分段非线性特性,分段分界点的表征参数是转折占空比,该数值主要受到光耦启闭延时时间及PWM驱动频率的影响.光耦启闭的延时时间越长,稳态电流-占空比特性曲线左移越多,但不影响电流的线性调节范围.总的来说,具有更快的电流衰减速度,但线性调节范围减小.在进行电流控制器设计时,需要考虑避开非线性区域．(2) 基于对驱动电流的建模分析,本文提出改进型电流控制器.主要思路是使驱动电流跨越非线性段,进行线性调节范围,从而发挥PI线性控制器的控制性能,主要包括低占空比段的快速跨越以及高占空比饱和段的抗饱和积分器设计.试验结果表明,采用新型控制器后,可以有效地消除零位启动滞后,同时具有良好的正弦输入跟随性能．【相关文献】[1] 吴根茂.新编实用电液比例技术[M].杭州：浙江大学出版社,2006: 52-56．[2] CANUTO E, ACUNA B W, AGOSTANI M, et al. 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