高速数字电磁阀的控制研究王忠阳

高速数字电磁阀的控制研究王忠阳

王忠阳

（陕煤集团神南产业发展有限公司陕西神木719300）

摘要：高速数字电磁阀是航空发动机实现电子控制的一个关键部件，微处理器就是通过控制它来控制喷油的开始及持续时间。如何能精确地来控制电磁阀的开闭，直接影响着整个系统的性能指标。在高压共轨燃油喷射系统中，由于每次的喷射时间很短，所以要求电磁阀中的电磁铁必须在很短时间内迅速动作，即产生强大的电磁力来克服弹簧的拉力。为满足这一要求，除了电磁阀本身的设计外，还需要有一个有效的驱动控制装置。控制装置对被控对象可进行实时控制。控制系统采用了斩波恒流的设计思想。实验结果在功能上达到了设计指标。在开环控制、电磁阀控制、步进电机控制、试验器和发动机地面试车有一定的参考价值。

关键词：PWM；模拟电子；斩波恒流；开环控制；数字快速电磁阀

一、概述

军用航空、舰船发动机控制系统的控制方式正从机械液压式向全权限数字控制方式发展，为提高电子控制器的可靠性，保证发动机在执行任务中绝对可靠的工作，就必须保证控制系统的可靠性和稳定性。在现行的军用航空、舰船发动机控制系统中，数字高速电磁阀的控制是单片机（下面简称为MCU）去控制的，这种控制方式虽然可以满足工作需要，但是由于我国的电子基础工业还比较落后，目前我国还无法生产出满足军品需求的军品级MCU，选择军品级MCU就得从国外购买。

由于一些国家对我国进行技术封锁，从国外购买军品级MCU非常困难，甚至根本买不到，为保证国防装备建设有保障，我们试图从工业级的MCU中经过高低温处理筛选出符合军品使用的MCU，然而这样筛选出的MCU并没有绝对把握保证其工作性能的稳定性和可靠性。正是这个原因，在我国军用航空、舰船发动机控制系统的设计中，往往避开使用数字高速电磁阀，或者最好不用，能用其他控制方式替换的就用其他方式替换（如在目前的军用航空、舰船发动机控制系统中，对流量或压力的控制，一般会选用电液伺服阀作为控制流量或压力的执行机构，而不会选择数字高速电磁阀作为控制流量或压力的执行机构），或者仅仅把数字高速电磁阀当作开关阀使用。如在某温度限制器，就用非脉宽调制电磁铁和分油活门组成一个温度限制控制系统，而这个温度限制系统抗污染能力差，要求机械加工精度很高、要求燃油清洁度较高、调试非常困难。

二、高速数字电磁阀的控制研究

如果用军品级MCU或本模拟电路控制装置和数字高速电磁阀组成温度限制控制系统，去控制燃油流量，也可以完全实现温度限制的目的，而且本系统要求机械加工精度不高、抗污染能力强、调试简单方便、体积相对较轻、维修方便等特点。在目前的军机上使用的数字高速电磁阀大多是作为开关阀使用的，而把数字高速电磁阀作为开关阀使用，所要求的控制电路相对比较简单，不需要进行复杂的算术运算，所以就不需要军品级的MCU来控制数字高速电磁阀。另外使用MCU去控制数字高速电磁阀也有以下不足之处：①相对于模拟电路控制，运行速度和控制速度比模拟控制方式的慢；②相对于模拟电路控制，抗干扰能力比用模拟模拟控制方式的要差；③在和其他的系统构成闭环控制方式中，会对其他系统的运行产生影响，降低了整个系统的运行速度；④最重要的是我国目前还不能生产出满足军品等级的MCU。

当前使用的数字高速电磁阀控制系统，除了用MCU控制外，还有通过控制输入直流模拟信号的大小控制数字高速电磁阀工作的占空比、不能加入3～5kHz高频载波（高频载波应该由一个脉宽大于数字高速电磁阀开启时间再加上一个3～5KHz的频率构成，如果高频载波只有3～5kHz的频率载波，数字高速电磁阀将会出现工作不正常的情况）的模拟集成电路控制装置，用这个模拟集成电路产生的脉宽调制信号去控制数字高速电磁阀，因为没有3～5kHz的高频载波，每次数字高速电磁阀的启动和停止就必须克服动摩擦和静摩擦，所以会给数字高速电磁阀产生很大的滞环或出现阀芯卡死现象，没有高频载波，还可能使数字高速电磁阀的驱动管的温度过高而损坏驱动管，另外还增加了整个系统的无用功耗。

为解决用MCU控制数字高速电磁阀所带来了的缺点，同时还解决在控制数字高速电磁阀中，必须要加入高频载波的这一特点。可以用驱动电路：它具有高可靠性、结构简单、调试方便、体积较轻、维修方便、自由选择是否加入高频载波等特点；在降低整个系统的无用功耗、提高数字高速电磁阀的运动可靠性、减小滞环、提高数字高速电磁阀的稳定性有显著的作用；还为军用航空、舰船发动机控制系统中选用数字高速电磁阀作为执行机构提供了保证。本控制装置还增加了能接收0mA～170mA的电流信号的电路；当电流小于60mA时，输出的占空比为0%，当电流信号为60mA～170mA时，输出的占空比为0%～100%线性对应，当电流信号大于170mA时，输出的占空比为100%，这为我国目前某型航空发动机控制系统的限温系统中选用数字高速电磁阀来直接控制燃油流量提供了技术保证，也打破了西方国家对我国在军用电磁阀控制技术的垄断。另外它还可以用于控制开关型电磁阀，直接作为开关阀的控制装置。

本电路的功能能否实现，三角波能否稳定工作是一个关键的因素。在三角波设计时，还应该注意三角波上升沿和下降沿是否对称，应该注意三角波发生器中电阻和电容的取值大小和精度，最好选择用精密电阻和精密电容；因为三角波的频率决定了PWM的输出频率。另外还应该注意所有电子元器件的温漂现象。要考虑到电子元器件随着温度的升高电阻值增大随着温度降低而减小的物理现象，特别是要考虑当输入信号为电流信号的情况，应该考虑电流转换为电压的转换电阻的大小和使用环境的关系，如果控制装置的使用环境的温度过低，应当把转换电阻适当增加，如果控制装置的使用环境的温度过高，应当把转换电阻适当减小。这样才能保证输出的占空比在0%～100%的范围内。

结语：高速数字电磁阀也叫高速开关阀、高速电磁开关阀。是很多控制系统的关键执行元件，在电控柴油喷射系统，无凸轮电控液压驱动气门系统上都需要具有大流量，快速响应的开关电磁阀.它通过接受电子控制单元的控制信号实现快速的启闭，额定流量和动作时间是衡量电磁阀的重要指标，其直接影响系统的稳定性和可控性，电磁阀的额定流量越大，响应时间越快，系统的控制精度和稳定性越好.

参考文献：

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