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車用電液比例閥驅動與控制技術的研究

  隨著社會的發展,人類對汽車的性能和環保提出了更高的要求,傳統的機械裝置已經無法滿足某些汽車功能的有關要求,因而將逐步被現代汽車電子控制技術所取代.由于液壓系統能夠在盡可能小的空間內傳遞出盡可能大的功率并能加以*控制,目前在汽車的各個系統中依然競相采用微電子與液壓執行機構結合的電液比例控制裝置.電液比例控制技術的進步使車輛變速、轉向、制動等各種系統的電子控制成為現實,它的應用顯著提高了汽車的動力性、經濟性和安全性,改善行駛的穩定性和舒適性.

  1比例閥工作原理

  電液比例控制裝置的核心元件電液比例閥具有結構簡單、控制精度高、安裝使用靈活以及抗污染能力強等多方面優點.目前在車輛上取得廣泛應用的是比例壓力閥,如在電子控制式自動變速器(ECT),電子式輔助液壓轉向系統(EPS)及制動防抱死系(ABs)等總成中都有一個或幾個比例壓力閥來實現對壓力平滑*地控制.下面以一個典型的ECT的比例溢流閥為例分析比例壓力閥的工作原理.根據閥口流量公式、閥芯受力平衡公式及流量連續公式可以建立該溢流閥的動態數學模型,設該溢流閥接恒流源,即q,設為定值(25U而n),給定電流的變化函數;利用InaUab編寫M函數對該模型進行數值仿真,可以得到壓力凡隨電流1變化的關系,如圖2所示.利用求得的這些數值解進行*小二乘曲線擬合,可以得到壓力凡隨電流1變化的函數凡二f(i).

  2傳統驅動與控制技術

  比例閥驅動與控制系統對控制信號進行處理和放大,驅動銜鐵輸出推力,因此,該系統的優劣直接關系到整個液壓系統的性能.大多數比例閥的生產廠家提供與其產品配套的專用功率放大器,這種專用的功率放大器的原理圖如圖3所示.該電路由顫振信號發生電路、控制信號疊加電路及U/I轉換電路三部分組成.顫振電路是為了減小磁滯及庫侖摩擦引起的死區和滯環,提高比例閥對電流響應的靈敏度,顫振信號的頻率為質量一彈簧系統無阻尼自然頻率的2倍,一般為20一30HZ,常用的顫振信號為正弦波或三角波,振幅約為額定控制信號的10%一20%.控制信號電壓與顫振信號電壓通過反相加法運算電路進行疊加,為滿足相位的要求,其后又增加一級反相器.*后的U/I轉換電路將輸人的電壓信號轉換為比例閥線圈的控制電流輸出.

  該功率放大器的功放三極管工作于線性放大區,其集電結發熱量較大,并且電阻Rll與比例閥線圈通過的電流幾乎相同,所以Rll的功率高達10w,因此三極管和電阻Rll容易燒壞,而兩個器件過高的溫度對其旁邊的運算放大器的工作也有影響.另外,由于計算機無法與比例電磁鐵直接接口,要產生具有一定精度的控制信號,必須要使用D/A轉換器.

  3 PWM比例閥驅動技術

  傳統的比例閥驅動電路結構復雜、占用的空間尺寸大、成本很高、控制精度低、可靠性差.而車輛上的比例閥驅動電路力求簡單、可靠和節能,傳統的驅動電路顯然不能夠滿足要求.而PWM驅動技術能簡化驅動電路、提高工作的可靠性,更適合應用于車輛等移動機械系統.

  PWM驅動技術電路原理如下:微處理器產生脈寬調制信號快速控制串聯在電源與比例閥線圈間的復合晶體管的通斷,電壓以方波的形式加在比例閥線圈的兩端,其平均電壓由占空比決定,由于線圈的電感作用,使通過電流變為疊加小幅度交流信號的直流信號,該小幅度的交流信號起到了顫振作用,因此可省去專門的顫振電路,線圈兩端的電壓及通過電流的波形如圖4所示.這種驅動技術要求的電子元件較少,而且無需D/A轉換器,可與計算機直接接口,工作可靠性高;復合晶體管處于飽和或截至狀態,這種驅動電路具有功耗低、節能的優點,并且發熱量也比較少.

  4電流反饋閉環控制技術

  采用PWM驅動電路時比例閥線圈的平均過通電流不但與PWM信號的占空比有關,還與銜鐵的位置和負載有關,換句話說,線圈過通電流與占空比不呈現嚴格的比例關系.因此PWM驅動電路雖然在可靠性及節能方面能夠滿足車輛的使用要求,但其開環控制精度較低,在許多需要*控制的場合不能滿足應用要求.采用閉環控制無疑可以提高控制精度,如利用比例溢流閥控制系統壓力時,我們希望利用壓力傳感器檢測到的實際壓力,并利用該信號與目標壓力的偏差來調節占空比,從而控制比例閥實現對系統壓力的*調節.然而,利用傳感器監測系統的壓力在車輛系統中是非常困難的,甚至有時是不可能實現的,并且一個響應快速、分辨率高的傳感器十分昂貴一個可行的替代方案是利用壓力與比例閥線圈過通電流的比例關系,通過檢測比例閥線圈的實際過通電流,然后利用函數凡=f(i)轉換為對應的實際壓力值,利用實際壓力與目標壓力的偏差值來調節占空比,實現對壓力的動態調節.

  *有效的檢測過通電流的方法是比例閥線圈、電源和開關管之間串聯一個阻抗性分流器,通過檢測分流器兩端的電壓計算出通過線圈的電流.根據分流器串聯在電路中位置的不同檢測電路有兩種形式:低端電流檢測(如圖6.a所示)及高電流檢測.

  前者的電流檢測部分的放大器可以是一個普通運算放大器,放大器成本較低;但該電路不能檢測感應電流,只能提供一個不十分*的平均電流值;由于開關管工作于高電壓端,這時需要專用的變換電路將計算機的輸出邏輯電平轉換為能夠驅動復合晶體管的控制邏輯電壓,這使得電路的造價升高并且降低了可靠性;由于短路電流不通過分流器,必須另外設計專用的短路檢測電路,因為如果短路情況不被發現,會造成線圈繞組和復合晶體管的損壞.后者的電流檢測部分的放大器由于工作于高壓端,所以必須選用高共扼抑制比的差分運算放大器,價格要比普通運算放大器稍高;但該電路可以檢測感應電流,提供一個更加準確的平均電流;開關管工作于地端,計算機輸出的邏輯電平可以直接驅動復合晶體管;一個更重要的好處是由于短路電流要通過分流器,該電路可以同時起到檢測短路的作用.綜合考慮,高電流檢測電路簡單、經濟、可靠性更高,因此更適合于在車輛這種移動機械上使用.

  為了驗證電流反饋閉環控制的有效性,分別在開環控制時和采用電流反饋閉環控制時(采用高電流檢測電路和傳統的PID控制算法)對比例溢流閥做了人口壓力階躍響應試驗,試驗結果對比如圖7所示,試驗結果表明,采用閉環控制時系統壓力無論是調節時間還是穩態誤差都比開環控制時顯著減少.

  5結束語

  在分析比例閥結構特點和工作原理基礎上,針對傳統的比例閥驅動電路的不足和缺點,引人了PWM比例閥驅動電路,該電路更加簡單、經濟、可靠性更高、占用空間尺寸更小,因此更能滿足車輛對電控系統簡單、可靠和節能的要求.

  為提高控制精度提出電流反饋閉環控制技術,并通過實驗證明了該控制技術,具有電路簡單,可靠性好,響應快速,穩態誤差小等優點,能達到滿意的控制效果,非常適合應用于車輛等移動機械上。

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