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车用电液比例阀驱动与控制技术的研究

北京快乐8软件  随着社会的发展,人类对汽车的性能和环保提出了更高的要求,传统的机械装置已经无法满足某些汽车功能的有关要求,因而将逐步被现代汽车电子控制技术所取代.由于液压系统能够在尽可能小的空间内传递出尽可能大的功率并能加以*控制,目前在汽车的各个系统中依然竞相采用微电子与液压执行机构结合的电液比例控制装置.电液比例控制技术的进步使车辆变速、转向、制动等各种系统的电子控制成为现实,它的应用显著提高了汽车的动力性、经济性和安全性,改善行驶的稳定性和舒适性.

  1比例阀工作原理

  电液比例控制装置的核心元件电液比例阀具有结构简单、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.目前在车辆上取得广泛应用的是比例压力阀,如在电子控制式自动变速器(ECT),电子式辅助液压转向系统(EPS)及制动防抱死系(ABs)等总成中都有一个或几个比例压力阀来实现对压力平滑*地控制.下面以一个典型的ECT的比例溢流阀为例分析比例压力阀的工作原理.根据阀口流量公式、阀芯受力平衡公式及流量连续公式可以建立该溢流阀的动态数学模型,设该溢流阀接恒流源,即q,设为定值(25U而n),给定电流的变化函数;利用InaUab编写M函数对该模型进行数值仿真,可以得到压力凡随电流1变化的关系,如图2所示.利用求得的这些数值解进行*小二乘曲线拟合,可以得到压力凡随电流1变化的函数凡二f(i).

  2传统驱动与控制技术

  比例阀驱动与控制系统对控制信号进行处理和放大,驱动衔铁输出推力,因此,该系统的优劣直接关系到整个液压系统的性能.大多数比例阀的生产厂家提供与其产品配套的专用功率放大器,这种专用的功率放大器的原理图如图3所示.该电路由颤振信号发生电路、控制信号叠加电路及U/I转换电路三部分组成.颤振电路是为了减小磁滞及库仑摩擦引起的死区和滞环,提高比例阀对电流响应的灵敏度,颤振信号的频率为质量一弹簧系统无阻尼自然频率的2倍,一般为20一30HZ,常用的颤振信号为正弦波或三角波,振幅约为额定控制信号的10%一20%.控制信号电压与颤振信号电压通过反相加法运算电路进行叠加,为满足相位的要求,其后又增加一级反相器.*后的U/I转换电路将输人的电压信号转换为比例阀线圈的控制电流输出.

  该功率放大器的功放三极管工作于线性放大区,其集电结发热量较大,并且电阻Rll与比例阀线圈通过的电流几乎相同,所以Rll的功率高达10w,因此三极管和电阻Rll容易烧坏,而两个器件过高的温度对其旁边的运算放大器的工作也有影响.另外,由于计算机无法与比例电磁铁直接接口,要产生具有一定精度的控制信号,必须要使用D/A转换器.

  3 PWM比例阀驱动技术

北京快乐8软件  传统的比例阀驱动电路结构复杂、占用的空间尺寸大、成本很高、控制精度低、可靠性差.而车辆上的比例阀驱动电路力求简单、可靠和节能,传统的驱动电路显然不能够满足要求.而PWM驱动技术能简化驱动电路、提高工作的可靠性,更适合应用于车辆等移动机械系统.

  PWM驱动技术电路原理如下:微处理器产生脉宽调制信号快速控制串联在电源与比例阀线圈间的复合晶体管的通断,电压以方波的形式加在比例阀线圈的两端,其平均电压由占空比决定,由于线圈的电感作用,使通过电流变为叠加小幅度北京快乐8软件信号的直流信号,该小幅度的北京快乐8软件信号起到了颤振作用,因此可省去专门的颤振电路,线圈两端的电压及通过电流的波形如图4所示.这种驱动技术要求的电子元件较少,而且无需D/A转换器,可与计算机直接接口,工作可靠性高;复合晶体管处于饱和或截至状态,这种驱动电路具有功耗低、节能的优点,并且发热量也比较少.

北京快乐8软件  4电流反馈闭环控制技术

  采用PWM驱动电路时比例阀线圈的平均过通电流不但与PWM信号的占空比有关,还与衔铁的位置和负载有关,换句话说,线圈过通电流与占空比不呈现严格的比例关系.因此PWM驱动电路虽然在可靠性及节能方面能够满足车辆的使用要求,但其开环控制精度较低,在许多需要*控制的场合不能满足应用要求.采用闭环控制无疑可以提高控制精度,如利用比例溢流阀控制系统压力时,北京快乐8软件希望利用压力传感器检测到的实际压力,并利用该信号与目标压力的偏差来调节占空比,从而控制比例阀实现对系统压力的*调节.然而,利用传感器监测系统的压力在车辆系统中是非常困难的,甚至有时是不可能实现的,并且一个响应快速、分辨率高的传感器十分昂贵一个可行的替代方案是利用压力与比例阀线圈过通电流的比例关系,通过检测比例阀线圈的实际过通电流,然后利用函数凡=f(i)转换为对应的实际压力值,利用实际压力与目标压力的偏差值来调节占空比,实现对压力的动态调节.

  *有效的检测过通电流的方法是比例阀线圈、电源和开关管之间串联一个阻抗性分流器,通过检测分流器两端的电压计算出通过线圈的电流.根据分流器串联在电路中位置的不同检测电路有两种形式:低端电流检测(如图6.a所示)及高电流检测.

北京快乐8软件  前者的电流检测部分的放大器可以是一个普通运算放大器,放大器成本较低;但该电路不能检测感应电流,只能提供一个不十分*的平均电流值;由于开关管工作于高电压端,这时需要专用的变换电路将计算机的输出逻辑电平转换为能够驱动复合晶体管的控制逻辑电压,这使得电路的造价升高并且降低了可靠性;由于短路电流不通过分流器,必须另外设计专用的短路检测电路,因为如果短路情况不被发现,会造成线圈绕组和复合晶体管的损坏.后者的电流检测部分的放大器由于工作于高压端,所以必须选用高共扼抑制比的差分运算放大器,价格要比普通运算放大器稍高;但该电路可以检测感应电流,提供一个更加准确的平均电流;开关管工作于地端,计算机输出的逻辑电平可以直接驱动复合晶体管;一个更重要的好处是由于短路电流要通过分流器,该电路可以同时起到检测短路的作用.综合考虑,高电流检测电路简单、经济、可靠性更高,因此更适合于在车辆这种移动机械上使用.

  为了验证电流反馈闭环控制的有效性,分别在开环控制时和采用电流反馈闭环控制时(采用高电流检测电路和传统的PID控制算法)对比例溢流阀做了人口压力阶跃响应试验,试验结果对比如图7所示,试验结果表明,采用闭环控制时系统压力无论是调节时间还是稳态误差都比开环控制时显著减少.

  5结束语

  在分析比例阀结构特点和工作原理基础上,针对传统的比例阀驱动电路的不足和缺点,引人了PWM比例阀驱动电路,该电路更加简单、经济、可靠性更高、占用空间尺寸更小,因此更能满足车辆对电控系统简单、可靠和节能的要求.

北京快乐8软件  为提高控制精度提出电流反馈闭环控制技术,并通过实验证明了该控制技术,具有电路简单,可靠性好,响应快速,稳态误差小等优点,能达到满意的控制效果,非常适合应用于车辆等移动机械上。

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