王志文，车 鑫，张文源

（1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州730050；2.兰州理工大学 温州研究生分院，浙江温州325105；3.浙江工正集团有限公司 浙江 温州325105）

供墨系统中电动阀用超级电容能量源建模

王志文1，2，车 鑫1，张文源3

（1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州730050；2.兰州理工大学 温州研究生分院，浙江温州325105；3.浙江工正集团有限公司 浙江 温州325105）

喷绘机供墨系统中使用的控制阀主要为电磁阀。但在一些特殊的状况下，电磁阀的性能很难满足使用要求。针对这一问题，本文通过采用电动阀替代电磁阀的方法进行解决，而在电动阀的应用中超级电容起到至关重要的作用，它可以在系统意外掉电时帮助电动阀自动复位。本文在分析超级电容结构的基础上，结合其自身特性建立数学模型，并利用MATLAB/Simulink进行模型仿真研究。仿真结果表明，1 F/5.5 V超级电容在系统意外掉电时能够维持电动阀正常工作2～3 s左右，完全可以满足系统的使用要求。

电动阀；控制系统；超级电容；MATLAB/Simulink

现在，越来越多的大型展览，室外宣传广告，为了引人注意，需要制作出大量精美的彩色印刷制品。由于喷绘机喷绘速度快、质量高，且经济性好，又可应用于多种承印物，所以国内市场喷绘机的需求量越来越大，这就促进了我国喷绘行业的快速发展[1]。

喷绘机的连续可靠运行必须基于喷头与供墨系统的良好配合[2]。一个完整的供墨系统由主墨盒、墨泵、过滤器、副墨盒、电磁阀与喷头等组成[3-4]。

供墨系统中的电磁阀主要用来控制墨水与空气的通断，目前在喷绘机中使用多为直动式电磁阀。这种阀门直接以电磁能为动力，通电时，线圈产生电磁力使阀芯克服弹簧力上移，阀门打开；断电时，电磁力消失，阀芯靠弹簧力复位，阀门关闭[5]。

但这种电磁阀要保持工作状态就必须通电，长时间持续通电就会造成阀体发热严重；而过高的温度会使墨水的粘稠度下降，从而打破了墨水原有状态，致使在喷画过程中出现经常断线甚至喷出来的画面虚散等现象[6-7]。为了解决电磁阀使用发热的问题，本文研究在供墨系统中应用一种电动阀，来替代直动式电磁阀。

1 电动阀的应用

1.1 电动阀的结构与工作原理

文中研究应用的电动阀如图1所示，其结构可分为上下两部分，上半部分为电动执行器，即电机作为阀门的驱动装置；下半部分为阀体，阀体结构采用膜片阀结构。阀门工作时，电机运行带动偏心轮转动，阀体中的膜片随着偏心轮的转动而上升或下降，通过膜片的升降来实现进水孔与出水孔之间的通断[8]。

图1 电动阀剖面结构图

相比电磁阀，这种电动阀仅在完成全开或全关的过程中处于工作状态，通电时间短，因此它具有低功耗、小温升等特点，实际应用中不会出现因发热而影响供墨系统性能的情况。

1.2 阀门控制系统

文中以STC12C5616AD单片机为电动阀控制电路的核心芯片，采用H桥电路来驱动电动阀电机的运行。

图2 控制系统总体结构图

电动阀的控制系统如上图所示，单片机通过通讯模块来完成上位机与单片机的总线通讯，实现现场总线式的工业网络控制；阀门工作时，控制系统通过对电机驱动电路发送相应的指令，驱动阀门电机的运行，进而控制阀门的开/关；系统掉电时，可由掉电检测电路检测到，系统利用超级电容中储存的能量完成电动阀的复位动作[9]。拨码开关定义阀门的地址码和复位状态（常开/常闭）。

超级电容在本系统中发挥着重要的作用，它的性能直接关系到电动阀能否在供墨系统中成功应用。

2 超级电容

超级电容是近年来发展起来的一种新型储能单元，以其独特的优点在多个领域内已得到广泛的应用。相比电化学蓄电池，超级电容的优势在于内阻小，容量大，使用寿命长，充放电的效率高，可以保持在90%以上，能够在大电流的情况下有效工作[10-11]。

2.1 超级电容的特征

超级电容可以等效为一个理想电容器C和一个较大阻值的电阻Ri（等效内阻）串联。

图3 超级电容等效电路图

1）功率特性

令充电时的电流和功率为负值；放电时的电流和功率为正值。则超级电容充放电功率

式中 I——充放电电流；

U——电容器电压；

UR——等效内阻电压；

Uo——超级电容端电压。

2）容量特性

超级电容容量C与工作温度T和工作电流I有关，即

具体数值可以通过超级电容容量定义计算：

假设某时刻超级电容储存的电量为Q（t），则下一刻储存的电量

3）工作电压与荷电状态

假设某时刻超级电容工作电压为U（t），下一时刻工作电压U（t+1），则有

荷电状态SOC反映了在允许的工作电压范围内超级电容储存电量的程度，其定义如下：

式中

Ur——超级电容工作时的实际电压；

Umax——超级电容的上限电压，电容电压达到此值则停止充电；

Umin——超级电容的下限电压，电容电压达到此值则停止放电。

4）等效内阻

超级电容的等效内阻主要由电极内阻、溶液内阻和接触电阻组成。

它与工作电流和工作温度有关，即：

具体函数可以通过恒流充电法测得：

式中ΔU——充放电时电容电压的压差。

5）效率

超级电容的效率定义为充放电过程放电与充电的能量比：

相应的，定义充电效率和放电效率分别为：

式中，下标c表示充电，下标d表示放电[12-13]。

2.2 数学模型

超级电容效率：

2.3 超级电容的simulink模型与仿真

根据上面的数学模型，以实际应用的超级电容数据建立其MATLAB/Simulink模型。如图4所示，此模型以充放电功率和温度为输入量，电压、电流和值为输出量。对该模型进行等功率充放电仿真。假定工作温度恒定在30℃，超级电容的电压上限为5 V，电压下限为2.5 V，电容初始荷电状态值为0.83。

图4 超级电容的Simulink仿真模型

图5 等功率充放电曲线

超级电容放电时，电压由初始的5 V开始下降，下降到4.5 V以后，系统电压低于了单片机的工作电压，超级电容释放的能量将不再发挥作用，但其放电过程仍会继续，直至电压下降到2.5 V左右；充电时，电压逐渐上升，最终达到5 V左右，整个过程电压变化近似呈线性关系。由于超级电容是等功率充放电，所以电流的变化规律与电压相反，如图7所示，放电时，电流逐渐增大，充电时，电流逐渐减小，整个变化过程，近似呈线性关系。超级电容的值随着放电下降，随着充电上升，如图8所示，放电时由初始的0.83下降到0.25左右，充电时由于超级电容内阻存在阻耗，最终的值只能达到0.8左右，略低于初始值0.83，值的变化规律也近似呈线性关系[14-17]。

图6 电压变化曲线

图7 电流变化曲线

图8 SOC值变化曲线

3 结 论

超级电容是一种非常具有应用前景的新型能量源，文中对电动阀应用过程中涉及到的超级电容在结构特性上进行了分析与研究，并通过MATLAB/ Simulink建模与仿真，测试了超级电容充放电时的性能，为电动阀在供墨系统中的成功应用提供了技术参数方面的支持。

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Modeling of ultracapacitor energy storage used in motorized valve of ink supply system

WANG Zhi-wen1，2，CHE Xin1，ZHANG Wen-yuan3
（1.Academy of Electrical Engineering and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.Lanzhou University of Technology，Graduate Wenzhou Branch，Wenzhou 325105，China；3.Zhejiang Gongzheng Group Co.Ltd，Wenzhou 325105，China）

The solenoid valve is mainly control valve that it is used in ink supply system of inkjet printer. However，it is difficult to meet requirements for performance of solenoid valves in some special situations.To solve this problem，it replaces the solenoid valve with the motorized valve in this paper，and ultracapacitor is an vital role in the application of motorized valve，it enables motorized valve to reset automatically in case of the occurrence of power loss.Based on the analysis to the structure and features of ultracapacitor，the mathematic model of ultracapacitor is built，and a simulation model is set up by MATLAB/Simulink for a research.Simulation results show that ultracapacitor of 1F/5.5V can maintain the motorized valve work about 2～3 s during power failures，it can fully meet the requirements of the system.

motorized valve；control system；ultracapacitor；MATLAB/Simulink

TN6

：A

：1674－6236（2017）03-0149-04

2016-01-16稿件编号：201601123

王志文（1976—），男，甘肃武威人，博士，教授。研究方向：控制理论与工程。