微型液压动力系统的PWM控制研究(2)

箱，液压缸无压力。电磁阀的通电或断电由井下单片机控制系统根据实测的井斜角和井斜相对方

５］

。位角来决定，电磁阀的驱动电源由电池提供［

学特性。通电时的电磁阀阀芯动力学方程可以表示为

ｍ

２　

ｃ＝Ｆｍ－Ｆｐ－Ｆｙ　　阀口未关闭２＋ｄｔｄｔ）１（

由于油液的流动有一定的惯性，因此对图１所示的液压系统中的两位两通电磁换向阀实施就有可能对纠斜液压缸无杆腔中的ＰＷＭ控制，

压力进行一定程度的连续控制，进而实现对液压缸输出的推力（即纠斜力）进行相应的连续控制

。

阀口关闭；式中，含阀芯、顶杆、衔铁等）ｍ为等效运动质量（ｘ为阀

Ｆｐ＋Ｆ０＝Ｆｍ

芯位移；ｃ为等效粘性摩擦因数；Ｆｍ为电磁力；Ｆｐ为阀芯所受液压力；Ｆｙ为稳态液动力；Ｆ０为阀座对阀芯的支撑反力。

）表明，式（阀芯的运动分为两个阶段：１①阀芯向阀口运动阶段，此阶段主要是电磁力克服阀芯的惯性力、摩擦力以及Ｆｐ、Ｆｙ而驱动阀芯运动；此阶段液压力Ｆｐ逐渐增加到溢②阀芯静止阶段，

流阀调定压力的对应值。而在这两个阶段当中，关键的因素是电磁力Ｆｍ的特性，如果Ｆｍ不能足够快地达到额定值，就会导致阀口不能迅速、可靠而使得液压力Ｆｐ大幅波动。地关闭，

油箱　２．溢流阀　３．吸油单向阀　４．偏心轴承　５．柱塞泵１．

压油单向阀　７．电磁阀　８．纠斜液压缸　９．导向块６．

由于电磁阀的磁隙和阀芯的开口量均很小，因此电磁阀产生的电磁力可以看成是线圈驱动电即电磁阀的动态特性主要是由线流的线性函数，

圈的动力学特性所决定的，而线圈的等效电路模型为

（））＝Ｒ）ｕ（ｔｉ（ｔ＋Ｌ

ｄｔ

圈及电路电阻之和；Ｌ为线圈等效电感。

（）２

图１　微型液压动力系统原理图

为了适应井下狭小的工作空间，液压动力单元上的所有液压阀均为插装式结构，且结构尺寸如其中的两位两通电磁换向阀的阀口只非常小，

有０而液压泵所提供的平均流量不．１ｍｍ左右，／，足０并且是不连续的。因此，对这种流．５Ｌｍｉｎ量微小又不连续的液压系统进行输出力的ＰＷＭ控制是有一定难度的。

）为直流驱动电压；（）为线圈中的电流；式中，ｕ（ｔｉｔＲ为线

图３所示为测试得到的电磁阀在额定电压作该曲线与一阶惯性环节用下的电磁力输出曲线，

的阶跃响应曲线十分相似，因此，电磁阀输出的电磁力与驱动电压之间的动力学特性可用惯性环节

６］

。近似来表示［

２　系统输出力的ＰＷＭ控制策略

２．１　电磁阀工作特性分析

本系统所使用的电磁换向阀为两位两通常开型，其结构如图２所示。若线圈得电，则顶杆在衔铁产生的电磁力的作用下向右运动，推动钢球封阻止液压油通过；若线圈失电，则衔铁电住阀口，

磁力消失，顶杆和钢球在液压力的作用下复位

。

图３　电磁阀输出的电磁力响应曲线

２．２　纠斜力的ＰＷＭ控制

衔铁　２．线圈　３．极靴　４．阀体　５．顶杆　６．钢球阀芯１．

首先分析一般情况下的电磁阀的ＰＷＭ控制原理。设Ｔ为脉宽信号周期，此Ｔ０为通电时间（，时电磁阀的阀口关闭）则Ｔ－Ｔ０为断电时间（此，／时电磁阀的阀口开启）定义τ＝Ｔ０Ｔ为脉宽信７］

。电磁阀在脉宽信号的控制下作不停号占空比［

的开关动作。在一个脉宽信号周期内，通过电磁阀的流量可表示为

图２　电磁阀结构图

由图１可知，只有在电磁阀线圈通电、阀口关闭的状态下，纠斜液压缸才能建立起纠斜压力；而当电磁阀线圈断电时，其阀口会在液压力的作用下迅速开启。因此，对电磁阀实施脉宽调制控制的效果主要取决于该电磁阀在通电状态下的动力·２８５０·