郭大勇，司国雷，陈君辉，王嘉磊

(四川航天烽火伺服控制技术有限公司，四川成都 611130)

0 前言

气动电磁阀是一种典型的高速开关阀，具有响应迅速、绿色无污染、控制方便等优点，广泛应用于食品工业、能源水利、航空航天等领域。动态特性是电磁阀一项重要技术指标，如何提高电磁阀动态特性一直是研究的热点。

目前国内外对提高电磁阀动态特性的研究主要集中在3个方面：(1)在控制系统中增加位移反馈环节，通过闭环控制提高电磁阀的动态特性；(2)对电磁阀的驱动信号进行优化，提高动态特性；(3)通过建立动力学模型和流场模型，优化阀内部结构，提高电磁阀的动态特性。

BREIDIF等[1]为了改善电磁阀的动态特性，提出一种峰值保持和反向电压驱动方式，通过检测阀芯两端的压差计算电磁阀转换时间和延迟时间，从而确定最佳电压峰值和反向电压大小。GAMBLE、VAUGHAN[2]提出一种非线性滑模控制器，通过状态反馈及PID控制，利用滑模控制器较强的闭环响应特性，提高了电磁阀的动态特性。BOZA[3]根据电磁阀的非线性动力学模型，设计了不同的闭环控制器，通过试验发现，不同的电磁阀和控制器组合，动态特性优于传统开环状态下的电磁阀。孟飞等人[4]通过对电磁阀中电场、磁场、机械和流体四部分耦合仿真分析，得到了电磁阀内部参数的变化特性，最终对电磁阀结构进行了优化，提高了电磁阀动态特性。张晋等人[5]通过研究电磁阀在高压情况下流量及阀芯受力情况，建立了理想模型，通过流体仿真优化了电磁阀结构，提高了响应速度。蒋焕煜等[6]为了提高电磁阀的响应时间，引入响应面法优化脉宽控制参数，以响应时间为响应值，获取相应的二次多项式模型，通过仿真验证，获取最佳参数值，提高了电磁阀响应速度。

上述方法在一定程度上都可以提高电磁阀的动态特性。其实影响电磁阀动态特性的因素很多，最根本的原因是由阀的固有特性决定的。在电磁阀设计中，由于考虑温升和功耗影响，启动电压一般都不大，这就造成电磁阀的打开时间普遍比较长；在电磁阀关闭过程中，由于阀芯涡流的影响，稳态磁通降低到释放磁通需要较长的时间，从而导致关闭时间延长。通过建立气动电磁阀AMESim仿真模型，分析在不同控制方式下气动电磁阀的动态特性，并不断优化改进，最终提高气动电磁阀的动态特性。

1 气动电磁阀结构及工作原理

气动电磁阀结构如图1所示，主要包括端盖、线圈组件、外壳、复位弹簧和阀芯组件。当电磁阀通电时，随着电磁力不断增加，当电磁力大于弹簧力和气压力之和时，气动电磁阀打开；当电磁阀断电时，随着电磁力降低，当电磁力小于弹簧力时，电磁阀关闭。其中电磁阀的结构参数如表1所示。

表1 气动电磁阀结构参数

图1 气动电磁阀结构

2 气动电磁阀建模及仿真

根据图1所示气动电磁阀结构，建立AMESim仿真模型如图2所示。

图2 气动电磁阀AMESim仿真模型

在图2所示的仿真模型中，电磁部分需要通过Ansoft仿真得到，这样将提高整个系统的仿真精度。其Ansoft仿真模型如图3所示。为了得到电磁力和电感随阀芯位移和安匝数变化情况，工作气隙从0 mm到0.8 mm，每0.1 mm计算一次，安匝数从0到742安·匝，每50安·匝计算一次，总共需进行9×16次运算。图4为电磁力和电感随工作气隙和安匝数的变化情况。

图3 气动电磁阀Ansoft仿真模型

图4 电磁力(a)、电感(b)随阀芯位移、安匝数变化情况

3 气动电磁阀动态响应曲线

在PWM方波控制信号下，电磁阀的动态特性响应曲线如图5所示。

图5 PWM控制下电磁阀各参数动态响应曲线

在图5中：T为PWM控制周期；tp为脉宽控制时间；ton为电磁阀打开时间；toff为电磁阀关闭时间；I1为电磁阀开启触动电流；I2为电磁阀开启电流；I3为稳态电流；I4为关闭初始电流；I5为关闭电流；t1为开启滞后时间；t2为开启运动时间；t3为关闭滞后时间；t4为关闭运动时间；tp/T表示占空比大小。

4 气动电磁阀动态特性仿真分析

4.1 单电压控制气动电磁阀动态特性

气动电磁阀的动态特性仿真模型如图2所示，其中参数设置如表1所示。给气动电磁阀输入控制电压为12 V、频率10 Hz、占空比为30%的PWM方波信号，得到气动电磁阀动态特性变化曲线如图6所示。

图6 12 V单电压控制电磁阀动态特性曲线

从图6可以看出：气动电磁阀打开时间为16 ms，开启滞后时间为12 ms，开启运动时间为4 ms；气动电磁阀关闭时间为61 ms，关闭滞后时间为54 ms，关闭运动时间为7 ms；开启触动电流为0.029 A，开启电流为0.038 A，稳态电流0.17 A，关闭初始电流为0.026 A，关闭电流为0.024 A。

当给气动电磁阀的输入控制电压24 V、频率10 Hz、占空比为30%的PWM方波信号，得到气动电磁阀的动态特性变化曲线如图7所示。

图7 24 V单电压控制电磁阀动态特性曲线

从图7可以看出：气动电磁阀打开时间为9 ms，开启滞后时间为5 ms，开启运动时间为4 ms；气动电磁阀关闭时间为66 ms，关闭滞后时间为59 ms，关闭运动时间为7 ms；开启触动电流为0.029 A，开启电流为0.047 A，稳态电流为0.37 A，关闭初始电流为0.026 A，关闭电流为0.024 A。

对比图6和图7可以看出：当控制电压增大，气动电磁阀的开启触动电流和关闭初始电流基本不变，因此控制电压越大，电流上升到开启触动电流的时间越短，开启滞后时间越短，从而缩短电磁阀打开时间；但控制电压越大，稳态电流越大，从稳态电流下降至关闭初始电流的时间越长，从而导致关闭滞后时间延长，使电磁阀关闭时间变长。

4.2 双电压控制气动电磁阀动态特性

从第4.1节的仿真结果中可以看出，提高控制电压虽然能够缩短打开时间，但由于稳态电流增大，导致关闭时间延长。由此，优化气动电磁阀动态特性的方法之一是：降低稳态电流。事实上，在气动电磁阀吸合后，由于气隙磁阻很小，这时只需要很小的电磁力便可以使阀芯维持在吸合状态，不需要持续供给高电压[7-8]。因此，在阀芯吸合后可以改为低电压维持阀芯吸合状态，这样可以降低稳态电流，缩短电磁阀的关闭滞后时间，从而提高电磁阀的响应特性。维持电压需大于线圈等效电阻与关闭电流的乘积，取4 V。

从图7可以看出，当控制电压为24 V、频率10 Hz、占空比30%时，气动电磁阀的打开时间为9 ms。因此在双电压控制中设置24 V作用时间为9 ms、4 V作用时间为21 ms，以0.3 s内实现3次完全启闭作为判断标准，得到气动电磁阀动态特性曲线如图8所示。

从图8可以看出：气动电磁阀的打开时间为9 ms，开启滞后时间为5 ms，开启运动时间为4 ms；气动电磁阀关闭时间为48 ms，关闭滞后时间为41 ms，关闭运动时间为7 ms；开启触动电流为0.029 A，开启电流为0.047 A，稳态电流为0.062 A，关闭初始电流为0.026 A，关闭电流为0.024 A。

4.3 三电压控制气动电磁阀动态特性

对比图7和图8可以看出：采用双电压控制方式后，可以有效降低气动电磁阀关闭滞后时间，从而缩短电磁阀的关闭时间，但降低的幅度并不大。原因在于：不论哪种控制方式，电磁阀在关闭时线圈中的磁通都有一个缓慢变化的过程，从而在铁心中产生涡流，阻碍了阀芯的运动。因此要想在短时间内降低电磁阀的关闭滞后时间，必须加快阀芯的释放速度，减小涡流的影响。常用的加快阀芯释放速度的方法有：增大弹簧反作用力、采用具有高电阻率的软磁合金材料、减小动铁心质量等，但效果都不明显，本质原因在于电流的释放时间得不到降低。此研究通过在电磁阀关闭时，采用反向电压快速卸荷的方法，使电流快速降低至关闭电流，从而有效降低电磁阀关闭滞后时间。

在第4.2节的基础上增加反向卸荷电压，因此气动电磁阀的控制方式变为在气动电磁阀打开时采用24 V高电压驱动，使电流迅速上升至开启触动电流，缩短电磁阀打开时间；在电磁阀打开后采用4 V低电压保持，降低稳态电流，降低关闭滞后时间，在电磁阀关闭时采用-12 V负电压卸荷，使电流快速降低至关闭电流，降低关闭滞后时间，缩短关闭时间。在三电压控制中，设置24 V频率为10 Hz、占空比30%、作用时间为9 ms，4 V作用时间16 ms，-12 V作用时间18 ms，得到气动电磁阀的动态特性曲线如图9所示。

图9 三电压控制电磁阀动态特性曲线

从图9可以看出：气动电磁阀的打开时间为9 ms，开启滞后时间为5 ms，开启运动时间为4 ms；气动电磁阀关闭时间为11 ms，关闭滞后时间为7 ms，关闭运动时间为4 ms；开启触动电流为0.029 A，开启电流为0.047 A，关闭初始电流为0.026 A，关闭电流为0.019 A。

对比图8和图9可以看出：采用三电压控制方式，气动电磁阀的关闭时间由48 ms降低到11 ms，关闭滞后时间由41 ms降低到7 ms，由于负电压激励作用，关闭运动时间由7 ms降低到4 ms，大大降低了气动电磁阀关闭时间，有效提高了气动电磁阀动态特性。

5 试验验证

现阶段常用检测电磁阀动态特性的方法是串联电阻法，即将电磁阀与1 Ω电阻串联，将示波器并联在1 Ω电阻上，给电磁阀通入负载压力，连接直流稳压电源，将示波器扫描周期调至500 ms，以5 s为周期往复开关电源，用示波器记录下电磁铁波形，对比图5记录下电磁阀的打开关闭时间。但该方法存在的问题是由于需要串联电阻，将对电磁阀的输出电流产生影响，从而导致电磁阀打开关闭时间测试不准确。

鉴于上述方法的缺点，文中通过测试气动电磁阀的输出流量来检测动态响应特性，其试验原理如图10所示，主要由气源、气体流量传感器、被测电磁阀、控制板和电源组成。测试方法是：首先将被测电磁阀接通气源和流量传感器，给电磁阀通电，通过控制板控制电磁阀响应，通过流量传感器检测气动电磁阀的流量变化，当流量达到稳定输出状态，记录转折点时间即为气动电磁阀打开时间；当控制电压为0 V、流量由稳定状态逐渐变为0，记录控制电压为0 V到输出流量为0的时间，即为气动电磁阀关闭时间。

图10 气动电磁阀流量测试装置

通过记录气动电磁阀在单电压12 V和24 V、双电压24 V+4 V、三电压24 V+4 V+(-12 V)控制时流量变化曲线，得到结果如图11所示。

图11 不同控制方式下气动电磁阀流量变化曲线

以第一个周期的试验结果进行分析，从图11可以看出：当采用12 V单电压控制时，气动电磁阀的流量在16 ms时达到最大值873.15 L/min，即气动电磁阀的打开时间为16 ms，当控制电压在30 ms降为0时，气动电磁阀流量在91 ms才降为0，即气动电磁阀的关闭时间为61 ms；当采用24 V单电压控制时，气动电磁阀的流量在9 ms时达到最大值873.15 L/min，即气动电磁阀的打开时间为9 ms，当控制电压在30 ms降为0时，气动电磁阀流量在96 ms才降为0，即气动电磁阀的关闭时间为66 ms；当采用24 V+4 V双电压控制方式时，气动电磁阀的流量在9 ms时达到最大值873.15 L/min，即气动电磁阀的打开时间为9 ms，当控制电压在30 ms降为0时，气动电磁阀流量在78 ms才降为0，即气动电磁阀的关闭时间为48 ms；当采用24 V+4 V+(-12 V)三电压控制方式时，气动电磁阀流量在9 ms时达到最大值873.15 L/min，即气动电磁阀的打开时间为9 ms，当控制电压在30 ms降为0时，气动电磁阀流量在41 ms降为0，即气动电磁阀的关闭时间为11 ms。从试验结果中可以看出：通过气动电磁阀的流量变化曲线可以判断电磁阀打开关闭状态。试验结果与仿真结果一致，证明了仿真的有效性。

6 结论

主要对气动电磁阀的动态特性进行优化仿真研究，旨在提高气动电磁阀的动态特性，通过对气动电磁阀进行单电压、双电压和三电压控制仿真分析发现：

(1)通过对比气动电磁阀12 V和24 V单电压控制发现，随着控制电压的升高，气动电磁阀的打开时间缩短，关闭时间延长。原因在于：气动电磁阀的开启触动电流和关闭初始电流一定，控制电压越高，电流上升至开启触动电流的时间越短，开启滞后时间越短，因此打开时间缩短；但控制电压越高，稳态电流越大，稳态电流下降至关闭初始电流的时间越长，关闭滞后时间越长，因此关闭时间延长。

(2)通过对气动电磁阀单电压控制仿真对比分析，提出双电压控制方式，即在电磁阀开启阶段采用24 V高电压驱动，待气动电磁阀打开后，采用4 V低电压保持，这样既可以缩短打开时间又可以保证稳态电流不会太高，影响气动电磁阀关闭时间。通过仿真分析，双电压控制与24 V单电压控制相比，稳态电流由0.37 A降至0.062 A，在关闭初始电流不变的情况下，关闭滞后时间由59 ms降至41 ms，关闭时间由66 ms降至48 ms，缩短了气动电磁阀的关闭时间。

(3)通过对比气动电磁阀24 V单电压控制和24 V+4 V双电压控制发现，采用双电压控制可以降低关闭滞后时间，从而缩短关闭时间，但降低的幅度并不大。原因在于，不论哪种控制方式，电磁阀在关闭时线圈中的磁通都有一个缓慢变化的过程，从而在铁心中产生涡流，阻碍了阀芯的运动。因此要想在短时间内实现关闭过程，必须加快阀芯的释放速度，减小涡流的影响。从而提出三电压控制方式，即在气动电磁阀关闭时增加-12 V反向卸荷电压，使电流快速降至关闭电流0.026 A，气动电磁阀关闭滞后时间也由41 ms降低至7 ms，关闭运动时间由7 ms降低至4 ms，关闭时间由48 ms降低至11 ms，大大降低了气动电磁阀关闭时间，有效提高了气动电磁阀的动态特性。

(4)通过检测气动电磁阀在不同控制电压下流量变化曲线，得到气动电磁阀的打开关闭时间试验结果与仿真结果一致，从而证明了仿真的有效性。